Naturens slik:Lån af en naturlig opskrift på sukkersyntese

I dag, sukker har et skurkagtigt ry. Og selvom for meget af de søde sager bør undgås, alle levende ting har brug for sukker for at overleve. "Det biologiske univers er belagt med sukkerarter, " sagde Samuel M. Levi og Qiuhan Li, kandidatstuderende ved Harvard Universitys afdeling for kemi og kemisk biologi. "Celler, bakterie, vira og andre organismer bruger sukkerarter som kommunikationsmiddel, anerkendelse, og endda forsvar." Naturen kører bogstaveligt talt på sukker.

Endnu, som overivrige ernæringseksperter, syntetiske kemikere undgår normalt sukkerarter. Natur, en ekspert kemiker, kan flytte slik fra et molekyle til et andet med misundelsesværdig finesse. Men i laboratoriet, videnskabsmænd kæmper for at knytte kun ét sukkermolekyle til en anden kemisk enhed, en proces kendt som glykosylering. Forskere er afhængige af denne metode til at studere biologiske processer og til at skabe så vigtige stoffer som lægemidler og vacciner.

Ifølge Levi og Li, "Der findes mange metoder til at udføre kemisk glykosylering, [men] deres brug forbliver forbeholdt eksperter i kulhydratkemi." Så, at udvide denne ekspertise til ikke-specialister, holdet så til naturen for at få vejledning.

På egen hånd, naturen udfører glykosylering, og laver også DNA, RNA, proteiner og andre polymerer ved hjælp af fosfater. For at inducere glykosyleringer i laboratoriet, de fleste syntetiske kemikere vælger hurtigere at reagere halogenider og sulfinater frem for fosfater. Så, mens naturens valg kan være langsomme til at reagere, de er langt mere stabile end laboratoriets go-tos. Hvad mere er, enzymer - de små gnister, der antænder en reaktion - kan nemt genkende fosfatmonomerer, fremskynde vejen til reaktion og produkt.

Men, indtil for nylig, forskere har undladt at udnytte disse naturlige fordele. Hvis en ingrediens er langsom til at reagere, kemikere giver det et skub, ofte i form af varme, energi, eller en veldesignet katalysator. Fosfater har brug for et skub; og, uden en passende katalysator, videnskabsmænd bruger normalt høj, flygtige temperaturer. Uden for laboratoriet, naturlige reaktioner bruger fosfater uden det brændende postyr, men som en stolt kok, naturen vogter godt over hendes kemiske hemmeligheder. Nu, i et papir udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences , Erik Jacobsen, professor i kemi og kemisk biologi, sammen med Levi, Li, og Andreas R. Rötheli, har afsløret en naturlig hemmelighed:en "præcis designet hydrogen-binding-donor-katalysator."

Holdet opdagede, at med denne robuste katalysator, fosfat binder "19 gange stærkere end kloridet, "en anden almindelig reaktionsingrediens. Og, det kan binde sukker til aminosyrer, naturlige produkter, og lægemiddelmolekyler "under milde, neutral, og brugervenlige forhold, " forklarede Levi og Li. Med deres metode, katalysatoren giver et nødvendigt, men blidt skub, lokke fosfat for at komme på arbejde.

Der er, som altid, begrænsninger for metoden:Nogle gange, det har brug for skræddersyede reaktionsbetingelser og substrater. Også, det kræver brugen af ​​en ret kompliceret katalysator ved små molekyle standarder, en, der kræver over 10 laboratorietrin at syntetisere.

Bevæger sig fremad, holdet planlægger at udvide deres metodes repertoire til at omfatte nye typer sukker, især de mest stædige af deres slags (mannosider, rhamnosider, og furanoser, for eksempel). For at dele deres (og naturens) hemmelighed, de har også til hensigt at kommercialisere katalysatorerne, muliggør udbredt brug. I mellemtiden, deres metode kunne skabe sukkerarter, der giver afgørende biomedicinsk fordel, ligesom nye vacciner og lægemidler til behandling af adskillige menneskelige lidelser og sygdomme, selv kræftformer. Det er klart, ligesom syntetiske kemikere, vi har brug for sukker. For meget kan skade vores helbred, men den rigtige mængde kunne hjælpe med at helbrede os.