Polímero controlado por secuencia
Macromolécula que implica control de secuencia monomérica
Fig. 1. Fundamento sintético de los polímeros controlados por secuencia. A y B que se muestran aquí son dos monómeros autorreactivos, uno de los cuales está preprotegido y puede desprotegerse posteriormente para activar la siguiente adición. Según la reacción AB selectiva, los monómeros pueden añadirse a la cadena de polímero de forma ordenada.

Un polímero controlado por secuencia es una macromolécula , en la que la secuencia de monómeros está controlada hasta cierto punto. [1] [2] Este control puede ser absoluto pero no necesariamente. En otras palabras, un polímero controlado por secuencia puede ser uniforme (su dispersidad Ð es igual a 1) o no uniforme (Ð>1). Por ejemplo, un copolímero alterno sintetizado por polimerización radical es un polímero controlado por secuencia, incluso si también es un polímero no uniforme, en el que las cadenas tienen diferentes longitudes de cadena y composiciones ligeramente diferentes. [2] Un biopolímero (por ejemplo, una proteína ) con una estructura primaria perfectamente definida también es un polímero controlado por secuencia. Sin embargo, en el caso de macromoléculas uniformes, también se puede utilizar el término polímero definido por secuencia .

En comparación con los polímeros tradicionales , la composición de los polímeros controlados por secuencia se puede definir con precisión a través de métodos de síntesis química, como reacciones multicomponentes, reacciones de clic , etc. Esta forma de polimerización ajustable otorga a los polímeros controlados por secuencia propiedades particulares y, por lo tanto, se desarrollan aplicaciones basadas en polímeros controlados por secuencia (por ejemplo, almacenamiento de información, [3] biomateriales , [3] nanomateriales [4], etc.).

En la naturaleza, el ADN , el ARN , las proteínas y otras macromoléculas también pueden reconocerse como polímeros controlados por secuencias por sus esqueletos estructurales bien ordenados. El ADN, basado en pares de bases AT, CG, se forma en secuencias bien alineadas. A través de secuencias precisas de ADN, 20 aminoácidos son capaces de generar cadenas peptídicas secuenciales con estructuras tridimensionales en virtud del proceso de transcripción y traducción . Estas secuencias ordenadas de diferentes constituyentes dotan a los organismos de funciones complejas y diversas.

Métodos sintéticos

Los polímeros tradicionales suelen estar formados por una o varias unidades repetitivas dispuestas en secuencias aleatorias. Los polímeros controlados por secuencia están compuestos por diferentes unidades repetitivas dispuestas de forma ordenada. Para controlar la secuencia se han desarrollado diversos tipos de metodologías sintéticas.

Polimerización biológica controlada por secuencia

Fig. 2. Diagrama esquemático del proceso de transcripción-traducción en el ribosoma. El codón en el ARNm y su reconocimiento específico con el ARNt garantizan la secuencia ordenada del péptido. Los enlaces peptídicos se forman mediante la amidación entre el grupo amino y el grupo éster en dos ARNt adyacentes, junto con la eliminación del ARNt frontal y la inserción del ARNt siguiente de forma gradual. Este ciclo reduplicativo produce un polímero controlado por secuencia (péptidos). [5]

El ADN, el ARN y las proteínas son los polímeros controlados por secuencia más comunes en los seres vivos. Inspirándose en ellos, se desarrollaron métodos de polimerización que utilizan ADN o ARN como plantillas para controlar las secuencias del polímero. Al principio, tomando ADN o ARN como plantillas, los científicos desarrollaron una serie de polímeros basados ​​en ácidos nucleicos peptídicos (PNA), sin utilizar ADN polimerasas . [6] [7] Pero este método está limitado a la escala y el rendimiento de la polimerización. [1] Después de eso, se desarrolló la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que actualmente sigue siendo el método regulado por secuencia más utilizado. [8] Al emplear enzimas, los rendimientos y las escalas aumentan considerablemente, pero la especificidad de las enzimas hacia los péptidos naturales limita esta técnica hasta cierto punto. Hoy en día, se presta más atención a la utilización de ribosomas para imitar directamente el proceso de transcripción y traducción. [9] Esta tecnología llamada ingeniería de proteínas se considera el método de polimerización biológica más prometedor para la síntesis de polímeros controlados por secuencia.

Polimerizaciones químicas controladas por secuencia

Además de los métodos de polimerización biológica, los científicos también han desarrollado numerosos métodos de síntesis química para polímeros controlados por secuencia. En comparación con la polimerización biológica, la polimerización química puede proporcionar una mayor diversidad, pero la mayoría de los métodos químicos no pueden ofrecer la eficiencia y la especificidad de los métodos biológicos. [1]

Síntesis en fase sólida

Uno de los métodos de polimerización química es la síntesis en fase sólida, que se puede utilizar para sintetizar péptidos compuestos de aminoácidos naturales y no naturales. En este método, los monómeros se unen a la cadena de polímero mediante amidación entre el grupo carbonilo y el grupo amino. Para el control de la secuencia, los grupos amino suelen estar protegidos por el grupo 9-fluorenilmetiloxicarbonilo ( Fmoc ) y el t-butiloxicarbonilo (Boc), [10] que se pueden eliminar en un entorno básico y ácido respectivamente para participar en la elongación de la cadena de la siguiente ronda.

Polimerización radical controlada por secuencia

La polimerización radical es uno de los métodos de polimerización más utilizados. Alrededor del 50% de los polímeros disponibles comercialmente se sintetizan mediante polimerización radical. [11] Sin embargo, las desventajas de este método son evidentes: las secuencias y las características poliméricas no se pueden modular bien. Para superar estas limitaciones, los científicos optimizaron los protocolos empleados. El primer ejemplo informado fue la adición secuencial controlada en el tiempo de maleimidas N-sustituidas altamente reactivas en la polimerización radical por transferencia atómica de estireno , lo que condujo a secuencias programadas de monómeros funcionales. [12] También se informó sobre el desarrollo de la adición de una sola molécula en la polimerización radical por transferencia atómica (ATRP), que mejora el control de la secuencia de la polimerización radical. [13] Otras soluciones incluyen el uso de pasos de purificación intermedios para aislar la secuencia de oligómeros deseada entre polimerizaciones por transferencia de cadena por adición-fragmentación reversibles (polimerizaciones RAFT). Tanto la cromatografía en columna flash [14] como la cromatografía de exclusión por tamaño de reciclaje [15] han demostrado ser exitosas en este sentido. La inserción de monómero de unidad única RAFT (SUMI) se desarrolló recientemente como una tecnología emergente para el control preciso de la secuencia de monómeros. [16]

Polimerización no radical controlada por secuencia

Fig. 3. Un ejemplo de química de clic en la síntesis de polímeros controlados por secuencia. (R se refiere a varios tipos de fracciones funcionales) [17]

Para las deficiencias intrínsecas de la polimerización radical para polímeros controlados por secuencia, también se han desarrollado otras polimerizaciones no radicales. Dentro de esos métodos no radicales, se utilizan la cicloadición de azida-alquino (también conocida como reacción de clic), [18] la metátesis de olefinas [19], entre otras, para construir polímeros controlados por secuencia. Dependiendo de estas reacciones químicas específicas, los monómeros se añaden con precisión a la cadena de polímeros y se logra una cadena bien ordenada paso a paso. Mientras tanto, mediante la aplicación de múltiples reacciones químicas, los químicos también han desarrollado reacciones multicomponentes [20] para acelerar la construcción de esqueletos de polímeros y también mejorar la variedad. Más allá de lo mencionado anteriormente, había un grupo de investigación que desarrollaba una máquina de moléculas, que lograba con éxito una polimerización controlada por secuencia de oligopéptidos . [21]

Metodología para mejorar el control de secuencias

La característica más importante de los polímeros controlados por secuencia es la posibilidad de controlar la secuencia de la cadena principal del polímero. No obstante, lograr un control preciso de la secuencia y regular las secuencias en cadenas principales de polímeros más grandes también es el problema más urgente que se debe abordar en el campo de los polímeros controlados por secuencia. Se han hecho grandes esfuerzos en el desarrollo y la optimización de métodos para mejorar las propiedades de control de secuencia de los métodos sintéticos existentes actualmente y también para promover nuevos métodos con una mejor eficiencia sintética y control de secuencia.

Utilización de plantillas

Una de las características más significativas de la biosíntesis controlada por secuencias frente a otros métodos de síntesis química es que las biomoléculas (incluido el ADN y el ARN) pueden iniciar su polimerización utilizando plantillas altamente programadas. Por lo tanto, los métodos biosintéticos, como la PCR , todavía se consideran una de las formas más convincentes de desarrollar polímeros controlados por secuencias.

Regulación de la reactividad del monómero.

Otro método para mejorar el control de la secuencia es modular la reactividad entre el monómero y la cadena polimérica en crecimiento. [22] La razón de este método es que el monómero debe activarse con el primer catalizador al principio como una especie latente, que luego podría participar en la polimerización a medida que se introduce el segundo catalizador. Un ejemplo real es la utilización de HI como primer catalizador y ZnI2 como segundo catalizador para lograr la polimerización controlada por secuencia de éteres de vinilo y derivados de estireno . [23]

Inserción orientada al reconocimiento

Fig. 4. Un ejemplo de utilización de un colgante de amina como sitio de reconocimiento para dirigir la adición específica del sitio de monómero [24]

En este enfoque, se ofrece un sitio de reconocimiento en el polímero para anclar de forma no covalente el monómero a la cadena polimérica, que posteriormente puede pasar por una inserción química en la cadena principal polimérica. Un ejemplo exitoso demuestra que el ácido metacrílico (monómero) se puede incorporar radicalmente en una cadena principal que presenta un sitio catiónico reconocible ( protonado de amina primaria colgante). [24] Impulsada por esta reacción específica del sitio, la polimerización controlada por secuencia se puede lograr utilizando una plantilla adornada con diferentes colgantes reconocibles.

Propiedades y aplicaciones

La característica más distintiva de los polímeros controlados por secuencia son las cadenas bien ordenadas compuestas de diferentes unidades repetitivas. [25] Al codificar las unidades repetitivas, el polímero controlado por secuencia sintetizado correspondientemente se puede utilizar para el almacenamiento de datos. [26] Para modificar el monómero con algunas fracciones bioactivas, el polímero controlado por secuencia obtenido puede tratar enfermedades. La propiedad del control de secuencia hace que los polímeros controlados por secuencia sean una plataforma ideal para instalar varios tipos de colgantes (como medicamentos , catalizadores ), mediante los cuales se pueden realizar diversas funciones y aplicaciones.

Referencias

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