combinatoriale, chimica
Metodica atta alla preparazione, rapida e spesso automatizzata, di un insieme di molti composti più o meno correlati, al fine di verificare se essi possiedano determinate proprietà (farmacologiche, catalitiche, ottiche ecc.).
Le origini e le prime applicazioni della chimica c. si collocano nel settore della chimica organica e farmaceutica e risalgono alla seconda metà degli anni Ottanta del Novecento, anche se la denominazione chimica c. (combinatorial chemistry), usata per indicare questa nuova disciplina, è diventata di uso comune solo dall’inizio degli anni Novanta. Successivamente, e in particolare dalla fine di quegli anni, l’approccio di tipo c. ha cominciato a diffondersi in altri settori, come quelli dei nuovi materiali e dei catalizzatori. Lo scopo è quello di effettuare uno screening più completo possibile di strutture molecolari o di altro tipo, in modo da individuarne alcune meritevoli di un ulteriore e più mirato studio, e di ottenere informazioni utili riguardo la relazione tra la struttura e le proprietà dei composti. I larghi insiemi di composti vengono designati comunemente con il termine inglese library. Nel campo della chimica organica, i vari composti della library possono essere costituiti, per es., dai medesimi frammenti, disposti, però, secondo diverse combinazioni, oppure possono possedere una struttura di base comune, su cui sono presenti dei gruppi sostituenti disposti in tutti i possibili modi. Una library organica può contenere da alcune centinaia a vari milioni di composti. Una volta preparata la library, su di essa vengono condotti uno o più saggi per verificare se alcuni composti mostrino la proprietà desiderata. Qualora tale attività sia riscontrata, lo stadio successivo consiste nell’individuazione del componente o dei componenti della library che ne sono provvisti. Individuati i composti, su di essi viene approfondita l’indagine con metodi tradizionali, cercando eventualmente di modificarli opportunamente per migliorarne le proprietà.
Al di là dell’interesse applicativo per lo sviluppo di nuovi farmaci e materiali, la chimica c. rappresenta un’innovazione nel metodo sperimentale: la progettazione accurata di uno o pochi esperimenti ‘mirati’ (per es., di una data struttura molecolare destinata a interagire con un certo target biologico) viene sostituita, nell’approccio c., dalla realizzazione di un gran numero di esperimenti simultanei, dei quali solo una piccola frazione potrà dare esito positivo. Nel campo della chimica farmaceutica, per es., questo metodo permette di testare un vasto numero di potenziali agenti terapeutici con tempi e costi inferiori rispetto alle procedure tradizionali.
Le reazioni effettuate per preparare le libraries organiche possono avvenire in soluzione oppure allo stato solido. In quest’ultimo caso, i composti vengono sintetizzati sulla superficie di una resina di polistirene, alla quale viene chimicamente legato il primo frammento della struttura da sintetizzare. Molte delle reazioni classiche della sintesi organica hanno trovato applicazione nella chimica c., opportunamente adattate ove necessario. La preparazione di una library può seguire due diverse strategie: la sintesi parallela e la sintesi ‘taglia e mescola’ (split and mix). Nella sintesi parallela i singoli composti che costituiscono la library vengono preparati in reattori distinti. Questa metodica si avvale spesso di robot, capaci di introdurre in modo rapido e automatico piccole quantità di reagenti nei vari contenitori di reazione. Questi ultimi vengono collocati in disposizioni bidimensionali (generalmente micropiastre da titolazione), cosicché la posizione di ciascun reattore e il composto che in esso viene sintetizzato possono essere facilmente identificati in base alla loro posizione (come gli elementi di una matrice). Le libraries preparate mediante sintesi parallela contengono al più alcune decine di migliaia di composti. Nella sintesi ‘taglia e mescola’ i composti non vengono sintetizzati separatamente l’uno dall’altro ma si ottengono diversi sottoinsiemi della library, ciascuno all’interno di un reattore. Le reazioni vengono effettuate su supporto solido, costituito da sferette di resina polistirenica. La sintesi ‘taglia e mescola’ permette di preparare libraries molto più ricche di quelle ottenute con la sintesi parallela, contenenti fino a diversi milioni di composti.
Le primissime applicazioni della chimica c. hanno riguardato la preparazione di libraries di oligopeptidi o polipeptidi, ottenuti facendo reagire le unità amminoacidiche nelle varie possibili combinazioni. Successivamente l’approccio c. si è andato diffondendo per altre categorie di composti quali, per es., benzodiazepine, idantoine, tiazolidine e molte altre. Nel corso degli anni Novanta la chimica c. ha suscitato grande interesse da parte delle industrie farmaceutiche, che l’hanno estesamente impiegata nella ricerca di nuovi principi attivi. Un’interessante evoluzione della chimica c. è quella che si basa sull’uso delle biotecnologie. Per es., sono state prodotte libraries di composti organici mediante sintesi enzimatiche: in questo caso la varietà c. è ottenuta sottoponendo un certo substrato all’azione di una grande varietà di enzimi o di microrganismi, ciascuno capace di promuovere una certa trasformazione. In settori diversi della chimica organica e biologica l’approccio è ancora in fase di sviluppo. Risultati promettenti sono stati ottenuti nel campo dei nuovi materiali. La varietà c. è fornita in questo caso dai materiali di partenza usati (per es., materiali depositati in strato sottile su uno o più substrati) e dalle condizioni preparative. Le metodiche di preparazione usate sono quelle tradizionali della chimica dello stato solido: precipitazione, sintesi in condizioni idrotermali, processi sol-gel, alligazione meccanica, sinterizzazioni, deposizione da fase vapore ecc. In questi campi l’approccio c. è stato usato per individuare nuovi superconduttori ad alta temperatura critica, cristalli liquidi, catalizzatori.
Abstract di approfondimento da Chimica combinatoriale di Pierfausto Seneci (Enciclopedia della Scienza e della Tecnica)
L’aggettivo combinatoriale è un brutto neologismo riferito alla chimica e derivante dall’espressione inglese combinatorial chemistry, coniata negli anni Ottanta del Novecento negli Stati Uniti. La traduzione corretta di questa espressione sarebbe probabilmente chimica combinatoria, dove l’aggettivo indica appunto la combinazione di molti elementi. Anche l’altrettanto popolare definizione di libreria combinatoriale deriva dalla traduzione doppiamente impropria di combinatorial library (piuttosto sarebbe corretto parlare di biblioteca combinatoria). Tuttavia, oggi si usano comunemente le espressioni chimica e libreria combinatoriali per illustrare un’area in grande espansione che sfrutta a piene mani nuove tecnologie e metodiche avanzate.
La sintesi di un composto chimico comporta spesso l’attuazione di vari passaggi di reazione, ognuno dei quali richiede protocolli di purificazione, a volte tediosi e complessi, tuttavia necessari alla produzione di composti puri per le più svariate applicazioni. Un chimico di sintesi esperto, affiancato da uno o due collaboratori, può ragionevolmente preparare un centinaio di prodotti finiti all’anno. Quasi sempre i prodotti preparati vengono valutati in uno specifico saggio per identificare nuovi principî attivi. La velocità con cui viene compiuto il saggio dei composti deve essere simile alla velocità della loro preparazione, così da permettere una progressione uniforme e senza ‘colli di bottiglia’ nell’intero progetto di ricerca.
Negli anni Ottanta del Novecento, l’introduzione nella ricerca farmaceutica delle cosiddette tecniche di saggio ad alta numerosità o ad alta capacità (HTS,High-throughput screening) ha automatizzato e miniaturizzato i saggi stessi, permettendo ai ricercatori di eseguire migliaia di valutazioni al giorno. Ecco, quindi, che alla chimica medicinale è stato richiesto di bilanciare la capacità dell’HTS, sviluppando tecniche di sintesi ad alta numerosità che permettessero di produrre molti composti in quantità minima, con grande purezza e in tempi molto rapidi. L’insieme delle metodiche chimiche miranti a questo scopo è appunto la chimica combinatoriale. Specificamente, essa indica l’utilizzo di strategie e protocolli sperimentali ad alta produttività per massimizzare gli sforzi sintetici e, quindi, per produrre un gran numero di composti chimici, che vanno a formare le cosiddette librerie, sfruttando la permutazione esaustiva dei reagenti utilizzati per effettuare una trasformazione chimica. Per esempio, la condensazione di 100 acidi e 100 ammine diversi produce, attraverso tutte le possibili combinazioni dei reagenti, una libreria composta da 10.000 ammidi ognuna strutturalmente diversa dalle altre.
A partire dai primi tentativi riportati in letteratura di creare librerie peptidiche sintetiche, la chimica combinatoriale applicata alla ricerca farmaceutica si è evoluta e ampliata notevolmente, passando dalla sintesi di librerie oligomeriche (peptidi, nucleotidi) a quella di librerie di molecole organiche più o meno complesse fino ad arrivare a librerie di derivati di prodotti naturali complessi.
Il settore che ha tratto maggiore giovamento dall’applicazione della chimica combinatoriale è quello farmaceutico, poiché la scoperta di un farmaco include una fase di ricerca esplorativa. In essa si procede all’individuazione di un principio attivo attraverso la sintesi e la valutazione di molte molecole per determinarne l’attività. Una volta realizzato tale obiettivo si può procedere alla fase di sviluppo per ottenere un farmaco che andrà sul mercato. Per le aziende coinvolte nel settore farmaceutico la ricerca rappresenta un fattore sempre più competitivo e costoso. Infatti il costo medio per l’introduzione di un farmaco è decuplicato negli ultimi quarant’anni, soprattutto per il maggior tempo richiesto per il suo sviluppo. In questo quadro si comprende il ruolo essenziale svolto dalla disponibilità di procedimenti, quali quelli sviluppati dalla chimica combinatoriale, in grado di ridurre in modo significativo costi e tempi richiesti per raggiungere il risultato desiderato.
Sebbene l’applicazione farmaceutica sia ancora la più conosciuta e affermata, tecniche sintetiche combinatoriali sono diventate di uso pressoché comune anche in altre aree, come la catalisi, la chimica sopramolecolare, la biotecnologia e la diagnostica, la scienza dei materiali. In esse i più disparati formati di librerie organiche, inorganiche e biologiche hanno dimostrato la loro utilità accelerando la scoperta di nuovi principî attivi e hanno inoltre fornito a ricercatori accademici e industriali la possibilità di portare a compimento progetti di grande rilevanza scientifica.