A química combinatoria comprende métodos de síntese química que fan posible preparar un gran número (decenas, miles ou mesmo millóns) de compostos nun só proceso. Estas bibliotecas de compostos poden facerse como mesturas, conxuntos de compostos individuais ou estruturas químicas xeradas por software de computador. A química combinatoria pode usarse para a síntese de pequenas moléculas e de péptidos.
As estratexias que permiten a identificación dos compoñentes útiles das bibliotecas forman tamén parte da química combinatoria. Os métodos usados en química combinatoria aplícanse tamén fóra do campo da química.
Introdución O principio básico da química combinatoria é preparar bibliotecas dun número moi grande de compostos e identificar aqueles que son útiles como posibles fármacos ou agroquímicos. Isto depende do cribado de alto rendemento, que ten a capacidade de avaliar a produción a escala suficiente.
Aínda que a química combinatoria en realidade só foi adoptada pola industria desde a década de 1990s, as súas raíces poden remontarse á década de 1960 cando un investigador da Universidade Rockefeller, Bruce Merrifield, comezou a investigar a síntese en fase sólida de péptidos. A síntese de péptidos de modo combinatorio orixina rapidamente un gran número de moléculas. Usando os vinte aminoácidos naturais, por exemplo, nun tripéptido crea 8.000 (203) posibilidades. Introducíronse despois os métodos en fase sólida para pequenas moléculas e Furka ideou unha estratexia de "separar e mesturar".
Na súa forma moderna, a química combinatoria probablemente tivo o seu maior impacto na industria farmacéutica. Os investigadores que están intentando optimizar o pefil de actividade dun composto crean unha "biblioteca" de moitos compostos diferentes pero relacionados. Os avances na robótica levaron a aplicar unha estratexia industrial á síntese combinatoria, facilitando que as empresas produzan rutinariamente uns 100.000 compostos novos únicos por ano.Jeffrey W. Noonan et al. "Advancing Parallel Solution Phase Library Synthesis through Efficient Purification, Quantitation, and Characterization Techniques" Journal of Laboratory Automation, 48 (1992) 3789].
Para manexar o enorme número de posibilidades estruturais, a miúdo créase unha "biblioteca virtual", unha enumeración computacional de todas as posibles estruturas dun farmacóforo dado con todas os reactivos dispoñibles.E. V.Gordeeva et al. "COMPASS program - an original semi-empirical approach to computer-assisted synthesis" Tetrahedron, 48 (1992) 3789]. Unha biblioteca como esa pode consistir en miles de millóns de compostos "virtuais". O investigador selecciona un subconxunto da "biblioteca virtual" para a síntese real, baseándose en varios cálculos e criterios (ver ADME, química computacional e relacións estrutura-actividade cuantitativas (QSAR)).
En 1996, na compañía Parke-Davis Pharmaceutical Research, o científico Anthony Czarnik dirixiu unha investigación e informou do primeiro uso de automatización na síntese de bibliotecas de compostos. Como editor fundador da revista American Chemical Society's Journal of Combinatorial Chemistry, tamén liderou a investigación de etiquetas RFID para escoller dianas na síntese de bibliotecas de compostos.
Polímeros (péptidos e oligonucleótidos) miniatura|right|250px|Formación de péptidos nos ciclos 3 e 4
Síntese de separar-mesturar combinatoria (split-mix ou split and pool)
A síntese de separar-mesturar combinatoria (chamada split-mix ou split and pool) Furka Á, Sebestyén F, Asgedom M, Dibó G. Cornucopia of peptides by synthesis. In Highlights of Modern Biochemistry, Proceedings of the 14th International Congress of Biochemistry. VSP.Utrecht.1988; 5; p. 47.Á. Furka, F. Sebestyen, M. Asgedom, G. Dibo, General method for rapid synthesis of multicomponent peptide mixtures. Int. J. Peptide Protein Res., 1991, 37, 487-493. está baseada na síntese en fase sólida desenvolvida por Merrifield.Merrifield RB, 1963 J. Am. Chem. Soc. 85, 2149. Se sintitizamos unha biblioteca de péptidos combinatoria usando 20 aminoácidos (ou outros tipos de bloques moleculares de construción) o soporte sólido co forma de boliñas divídese en 20 porcións iguais. Isto vai seguido do acoplamento cun aminoácido diferente en cada porción. O terceiro paso é a mestura de todas as porcións. Estes tres pasos comprenden un ciclo. A elongación das cadeas de péptidos pode realizarse pola simple repetición dos pasos do ciclo. miniatura|esquerda|200px|Diagrma de fluxo da síntese combinatoria de separar-mesturar.
O procedemento ilústrase pola síntese dunha biblioteca de dipéptidos usando os mesmos tres aminoácidos como bloques de construción en ambos os ciclos. Cada compoñente desta biblioteca contén dous aminoácidos dispostos en diferente orde. Os aminoácidos usados en acoplamentos son representados por círculos amarelos, azuis e vermellos na figura. As frechas diverxentes mostran a resina de soporte sólido dividíndose (círculos verdes) en proporcións iguais, as frechas verticais indican acoplamento e as frechas converxentes representan a mestura e homoxeneización das porcións do soporte.
A figura mostra que nos dous ciclos sintéticos se forman 9 dipéptidos. No terceiro e cuarto ciclos, formaríanse 27 tripéptidos e 81 tetrapéptidos, respectivamente.
A "síntese de separar-mesturar" ten varias características salientables:
É moi eficiente. Como demostra a figura, o número de péptidos formado no proceso sintético (3, 9, 27, 81) increméntase exponencialmente co número de ciclos executados. Usando 20 aminoácidos en cada ciclo sintético o número de péptidos formados son: 400, 8.000, 160.000 e 3.200,000, respectivamente. No proceso fórmanse todas as secuencias de péptidos que se poden deducir pola combinación dos aminoácidos usados nos ciclos. Dividir en porcións o soporte en mostras iguais asegura a formación dos compoñentes da biblioteca en cantidades molares case iguais. Só se forma un único péptido en cada boliña do soporte. Esta é a consecuencia de usar só un aminoácido nos pasos de acoplamento. Porén, descoñécese totalmente cal é o péptido que ocupa unha boliña seleccionada. O método de separar-mesturar pode usarse para a síntese de bibliotecas orgánicas ou de calquera outro tipo que se poden preparar a partir dos seus bloques de construción nun proceso por pasos.
En 1990 tres grupos describiron métodos para preparar bibliotecas de péptidos por métodos biolóxicosJ. J. Devlin, L. C. Panganiban and P. E. Devlin Science 1990, 249, 404. e un ano despois Fodor et al. publicaron un importante método para a síntese de matrices de péptidos en pequenas placas de cristal.Fodor SP, Read JL, Pirrung MC, Stryer L, Lu AT, Solas D, 1991. Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251, 767-73.
Mario Geysen e colegas desenvolveron un método de "síntese paralela" para a preparación de matrices de péptidos.H. M. Geysen, R. H. Meloen, S. J. Barteling Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1984, 81, 3998. Sintetizaron 96 péptidos en barriñas de plástico (alfinetes pins) cubertos nos seus extremos co soporte sólido. Os alfinetes eran mergullados na solución de reactivos situados en pozos dunha placa microtituladora. O método aplícase amplamente especialmente usando sintetizadores paralelos automáticos. Aínda que o método paralelo é moito máis lento que o combinatorio real, a súa vantaxe é que se coñece exactamente qué péptidos ou outros compostos se forman en cada alfinete.
Desenvolvéronse máis procedementos para combinar as vantaxes da síntese de separar-mesturar e a síntese paralela. No método descrito por dous gruposE. J. Moran, S. Sarshar, J. F. Cargill, M. Shahbaz, A Lio, A. M. M. Mjalli, R. W. Armstrong J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 10787.K. C. Nicolaou, X –Y. Xiao, Z. Parandoosh, A. Senyei, M. P. Nova Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 36, 2289. o soporte sólido estaba encerrado en cápsulas de plástico impermeables xunto cunha etiqueta de radiofrecuencia que levaba o código do composto que se ía formar na cápsula. O procedemento levábase a cabo de xeito similar ao método de separar-mesturar. Porén, no paso de división as cápsulas distribuíanse entre os recipientes de reacción de acordo cos códigos lidos das etiquetas de radiofrecuencia das cápsulas.
Un método diferente para o mesmo propósito desenvolvérono Furka et al.Á. Furka, J. W. Christensen, E. Healy, H. R. Tanner, H. Saneii J. Comb. Chem. 2000, 2, 220. e chámase "síntese en sartas" (string synthesis). Neste método, as cápsulas non levan código. Son ensartadas como perlas dun colar e situadas nos recipientes de reacción en forma de cadeas ou sartas. A identidade das cápsulas, así como os seus contidos, almacénanse polas posicións que ocupaban nas sartas. Despois de cada paso de acoplamento, as cápsulas redistibúense entre novas sartas segundo regras definidas.
Pequenas moléculas
No proceso de descubrimento de fármacos, a síntese e avaliación biolóxica de moléculas pequenas de interese foi normalmente un proceso longo e laborioso. A química combinatoria apareceu nas últimas décadas como unha estrtexia para sintetizar de forma eficiente e rápida grandes cantidades de pequenas moléculas posibles candidatas a fármacos. Na síntese típica, só se produce unha única molécula diana ao final do esquema sintético, e cada paso da síntese produce só un único produto. Nunha síntese combinatoria, cando se usa un só material de partida, é posible sintetizar unha gran biblioteca de moléculas usando condicións de reacción idénticas que poden despois cribarse pola súa actividade biolóxica. Este conxunto (pool) de produtos é despois separado en tres porcións iguais cada unha das cales contén os tres produtos, e despois cada un dos tres conxuntos faise reaccionar con outra unidade de reactivos B, C ou D, producindo 9 compostos únicos a partir dos 3 previos. Este proceso repítese despois ata que se engade o número desexado de bloques de construción moleculares, xerando moitos compostos. Cando se sintetiza unha biblioteca de compostos por unha síntese de múltiples pasos, deben empregarse métodos de reacción eficientes, e se usásemos os métodos de purificación tradicionais despois de cada paso de reacción, os rendementos e eficiencia se verían prexudicados.
A síntese en fase sólida ofrece solucións potenciais para obviar a necesidade dos típicos pasos de temperado (quenching) e purificación que se adoitan usar en química sintética. En xeral, adhírese unha molécula de partida a un soporte sólido (xeralmente un polímero insoluble), despois realízanse as reaccións adicionais, e o produto final purifícase e despois sepárase do soporte sólido. Como as moléculas de interese están unidas a un soporte sólido, é posible reducir a purificación despois de cada reacción a un só paso de filtración/lavado, eliminando a necesidade dos pasos da tediosa extracción líquido-líquido e da evaporación do solvente que se deben facer na maioría dos casos na química sintética. Ademais, usando reactivos heteroxéneos, pode utilizarse o exceso de reactivos para impulsar a finalización de reaccións moi lentas, o can pode mellorar máis o rendemento. Os reactivos en exceso poden simplemente retirarse por lavado sen que haxa que seguir pasos adicionais de purificación como a cromatografía. miniatura|Uso dunha poliamina en soporte sólido para eliminar o exceso de reactivo.