La Click Chemistry

Le terme Click Chemistry[1] décrit des couples de groupements fonctionnels réagissant rapidement et sélectivement l’un avec l’autre dans des conditions douces et souvent en milieux aqueux. Ce concept a été défini par K. B. Sharpless, H. C. Kolb et M. G. Finn en 2001. Il regroupe des procédures permettant le couplage facile, flexible et reproductible de deux molécules.[[2],[3],[4]] Les critères caractéristiques de ces réactions sont les suivants :

  • Hauts rendements
  • Produits de départs faciles d’accès
  • Presque pas de sous-produits
  • Isolation simple et non chromatographique de l’adduit obtenu
  • Milieu aqueux ou organique

Ces réactions sont largement utilisées dans les domaines des biosciences,[[5],[6]] de la chimie médicinale[7] et de la chimie des matériaux.[8]

 

Ainsi ces réactions sont devenues de nouveaux outils dans le domaine de la bioconjugaison. Les premières réactions de bioconjugaison utilisées, telles que les réactions polaires[[9],[10]] entre aldéhydes ou cétones et hydrazides ou oxyamines :

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Figure 1 : Exemples de réactions impliquant des groupes carbonylés

ou encore la réaction de ligation de Staudinger-Bertozzi[[11],[12]] entre des azotures et phosphines  :

Figure 2 : Schéma de la réaction de Staudinger-Bertozzi

ont des limitations. En effet ces réactions ne sont pas toujours totalement bio-orthogonales ou montrent des problèmes de stabilité des adduits et de cinétique de réaction.

Ces nouvelles réactions de Click Chemistry sont surtout des réactions de cycloaddition. La plus emblématique est la réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire entre un azoture et un alcyne vrai, catalysée par du cuivre (I),[[13],[14]] décrite par les groupes de Meldal et de Sharpless en 2002 (Figure 3a):

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Figure 3 : Exemple de réaction entre alcyne et azoture

Cette réaction est appelée Copper-catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition, CuAAC.[[15],[16]] A cause de la présence de cuivre, cette réaction pose un problème de toxicité en milieu biologique. D’autres méthodologies ont donc été développées. L’équipe de Bertozzi a contourné ce problème en utilisant un dérivé cyclooctyne rendant l’utilisation de cuivre inutile.[[17]] Cette réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire entre un dérivé cyclooctyne et un azoture est appelée Strain-Promoted Alkyne-Azide Cycloaddition, SPAAC (Figure 3b).

Depuis ces dernières années, d’autres méthodes de conjugaison bio-orthogonales répondant aux critères de Click Chemistry ont vu le jour, telle que la réaction de cycloaddition de Diels-Alder à demande électronique inverse entre des alcènes et des tétrazines.[[18],[19],[20],[21]] Cette réaction peut être utilisée avec divers couples alcène/tétrazine et montre des cinétiques inégalées :

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Figure 4 : Exemple de réaction entre un alcène et une tétrazine

Le groupe de Leeper a décrit la réaction des tétrazines avec des dérivés isonitriles[[22],[23]]:

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Figure 5 : Exemple de réaction entre une tétrazine et un dérivé isonitrile

La réaction de cycloaddition entre des nitrones ou des oxydes de nitriles avec des alcènes ou des alcynes fait aussi partie de ces nouveaux outils.

Le grand avantage de ces réactions de Click Chemistry est que les groupements fonctionnels réactifs peuvent être incorporés relativement facilement et rapidement au sein de molécules complexes telles que les biomolécules. Ceci permet donc d’obtenir des bioconjugués qui peuvent être utilisés comme outils moléculaires pour de nombreuses applications en Biologie.


 

[1] Kolb H. C., Finn M. G., Sharpless K. B., Click chemistry: Diverse chemical function from a few good reactions, Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 2004.

[2] Sletten E. M., Bertozzi C. R., Bioorthogonal Chemistry: Fishing for Selectivity in a Sea of Functionality, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 6974.

[3] Best M. D., Click Chemistry and Bioorthogonal Reactions: Unprecedented Selectivity in the Labeling of Biological Molecules, Biochemistry, 2009, 48, 6571.

[4] Lallana E., Riguera R., Fernandez-Megia E., Reliable and Efficient Procedures for the Conjugation of Biomolecules through Huisgen Azide-Alkyne Cycloadditions, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 8794.

[5] Grammel M., Hang H. C., Chemical reporters for biological discovery, Nat. Chem. Biol., 2013, 9, 475.

[6] Su Y., Ge J., Zhu B., Zheng Y.-G. Zhu, Q., Yao S. Q., Target identification of biologically active small molecules via in situ methods, Curr. Opin. Chem. Biol., 2013, 17, 768.

[7] Zeng D., Zeglis B. M., Lewis J. S., Anderson C. J., The Growing Impact of Bioorthogonal Click Chemistry on the Development of Radiopharmaceuticals, J. Nucl. Med., 2013, 54, 829.

[8] Evans R. A., The rise of azide-alkyne 1,3-dipolar ‘click’ cycloaddition and its application to polymer science and surface modification, Aust. J. Chem., 2007, 60, 384.

[9] Mahal L. K., Yarema K. J., Bertozzi C. R., Engineering chemical reactivity on cell surfaces through oligosaccharide biosynthesis, Science, 1997, 276, 1125.

[10] Zeng Y., Ramya T. N. C., Dirksen A., Dawson P. E., Paulso, J. C., High-efficiency labeling of sialylated glycoproteins on living cells, Nat. Methods, 2009, 6, 207.

[11] Saxon E., Bertozzi C. R., Cell surface engineering by a modified Staudinger reaction, Science, 2000, 287, 2007.

[12] Prescher J. A., Dube D. H., Bertozzi C. R., Chemical remodelling of cell surfaces in living animals, Nature, 2004, 430, 873.

[13] Tornoe C. W., Christensen C., Meldal, M., Peptidotriazoles on solid phase: 1,2,3 -triazoles by regiospecific copper(I)-catalyzed 1,3-dipolar cycloadditions of terminal alkynes to azides, J. Org. Chem., 2002, 67, 3057.

[14] Rostovtsev V. V., Green L. G., Fokin V. V., Sharpless K. B., A stepwise Huisgen cycloaddition process: Copper(I)-catalyzed regioselective “ligation” of azides and terminal alkynes, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 2596.

[15] Dumont A., Malleron A., Awwad M., Dukan S., Vauzeilles B., Click-Mediated Labeling of Bacterial Membranes through Metabolic Modification of the Lipopolysaccharide Inner Core, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 3143.

[16] Mas Pons J., Dumont A., Sautejeau G., Fugier E., Baron A., Dukan S., Vauzeilles B., Identification of Living Legionella pneumophila Using Species-Specific Metabolic Lipopolysaccharide Labeling, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 1275.

[17] Agard N. J., Prescher J. A., Bertozzi C. R. (2004) A strain-promoted 3+2 azide-alkyne cycloaddition for covalent modification of biomolecules in living systems, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 15046.

[18] Seckute J., Devaraj N. K., Expanding room for tetrazine ligations in the in vivo chemistry toolbox, Curr. Opin. Chem. Biol., 2013, 17, 761.

[19] Blackman M. L., Royzen M., Fox, J. M., Tetrazine ligation: Fast bioconjugation based on inverse-electron-demand Diels-Alder reactivity, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 13518.

[20] Taylor M. T., Blackman M. L., Dmitrenko O., Fox J. M., Design and Synthesis of Highly Reactive Dienophiles for the Tetrazine trans-Cyclooctene Ligation, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 9646.

[21] Neves A. A., Stoeckmann H., Wainman Y. A., Kuo J. C. H., Fawcett S., Leeper F. J., Brindle, K. M., Imaging Cell Surface Glycosylation in Vivo Using “Double Click” Chemistry, Bioconj. Chem., 2013, 24, 934.

[22] Stairs S., Neves A. A., Stoeckmann H., Wainman Y. A., Ireland-Zecchini H., Brindle K. M., Leeper, F. J., Metabolic Glycan Imaging by Isonitrile-Tetrazine Click Chemistry, ChemBioChem, 2013, 14, 1063.

[23] Wainman Y. A., Neves A. A., Stairs S., Stoeckmann H., Ireland-Zecchini H., Brindle,K. M., Leeper F. J., Dual-sugar imaging using isonitrile and azido-based click chemistries, Org. Biomol. Chem., 2013, 11, 7297.