Há cerca de 20 anos surgiu uma nova concepção para a geração de moléculas orgânicas: a síntese combinatória. Uma proposta simples, mas muito elegante, para se obter grandes “bibliotecas” de moléculas variadas. A idéia era a seguinte: em vez de reagir duas substâncias, um reagente e um substrato, porque não reagir uma grande variedade de reagentes com uma igualmente grande variedade de substratos? Desta forma, seria possível se obter uma enorme variedade de produtos, de uma só vez.

Por exemplo, a reação de vários cloretos de derivados do ácido benzóico com uma grande variedade de benzilaminas, tal como ilustrado a seguir. A reação dos quatro substratos (1ª coluna) com os três reagentes (2ª coluna) para gerar 12 produtos é feita de uma só vez. Em seguida, a mistura obtida pode ser testada em um teste biológico e, se houver algum resultado positivo, pode-se isolar a(s) substância(s) ativa(s) após uma ou mais etapa de separação. Assim, em vez de se realizar 12 reações, uma de cada vez, faz-se uma só reação e são obtidos 12 diferentes produtos. Imagine agora se for possível reagir 100 substratos com 100 reagentes. Serão obtidos 10.000 produtos de uma só vez. Esta era a proposta. A ideia foi desenvolvida, aprimorada e aplicada pela indústria farmacêutica, de maneira a gerar uma enorme diversidade de “bibliotecas” de substâncias com estruturas variadas, que poderia ser utilizada para diferentes fins, mas principalmente para a descoberta de novos modelos de fármacos. Desta maneira, muitas das indústrias farmacêuticas acreditaram ser possível abandonar a descoberta de substâncias biologicamente ativas a partir de microrganismos, plantas e animais. E foi o que aconteceu.

Foram criadas tecnologias de síntese combinatória extremamente poderosas, bem como tecnologias robotizadas de triagem de atividades biológicas, além de técnicas sofisticadas de análise, separação e purificação de substâncias a partir de misturas gigantescas, a até mesmo de identificação de substâncias bioativas em misturas complexas, bem como bancos de dados para se inserir, analisar e extrair informações a partir dos resultados obtidos. As expectativas foram enormes. Porém, os resultados foram pífios. Em 20 anos e depois de milhões de substâncias sintetizadas, apenas uma substância química oriunda de síntese combinatória chegou ao mercado farmacêutico. Verificou-se que o número de “hits” (acertos de estruturas químicas) resultantes destas sínteses era muito baixo, menor do que o número de hits de bibliotecas de substâncias resultantes de programas clássicos de química medicinal. Além disso, muitas vezes se observou ser difícil a purificação de substâncias isoladas obtidas em misturas tão complexas. Além disso, uma vez isoladas, purificadas e testadas farmacologicamente, as substâncias ativas não apresentavam as “qualidades” necessárias para serem desenvolvidas como fármacos: solubilidade, um coeficiente de partição adequado entre uma fase aquosa e uma fase lipofílica, grupos funcionais típicos de grupos farmacofóricos que são muitas vezes responsáveis pela atividade biológica de uma substância, além de outras características importantes.

Atualmente a síntese combinatória está voltando a ser utilizada, em combinação com técnicas de biologia molecular, para a “localização” de substâncias em misturas extremamente complexas, associada a testes farmacológicos que são muito sofisticados e sensíveis. O potencial de aplicação parece ser ilimitado, com a síntese de substâncias nunca antes imaginadas. Espera-se que a utilização de tais tecnologias traga avanços significativos na descoberta de novos modelos de fármacos.

Paralelamente, a síntese combinatória passou a ser utilizada na preparação de bibliotecas de substâncias análogas a produtos naturais. Por produtos naturais deve-se entender “substâncias químicas oriundas de organismos vivos que fazem parte do metabolismo secundário”. Desta forma, partindo-se de um “motivo estrutural químico natural” com uma atividade biológica bem estabelecida, buscou-se a diversificação desta, gerando-se uma enorme variedade de análogos estruturais da substância natural, originalmente escolhida. Esta abordagem mostrou ser válida, porém não sem certas limitações. Isso porque muitas vezes os assim chamados “produtos naturais” são substâncias químicas extremamente complexas, difíceis de serem sintetizadas. Além disso, as limitações observadas na geração de misturas de substâncias “puramente sintéticas” também foram observadas na geração de misturas de análogos de produtos naturais. Finalmente, o número de hits obtidos destas aplicações continuou sendo baixo. Porque?

O melhor argumento já proposto para explicar o porque dos produtos naturais fornecerem moléculas tão eficazmente bioativas é a evolução biológica. As rotas bioquímicas surgiram junto com os organismos vivos, há cerca de 3,5 bilhões de anos. A (bio)síntese de moléculas pelos organismos vivos inclui desde a transformação do CO₂ em glicose (através da fotossíntese) até a formação dos metabolitos secundários (os produtos naturais), passando pela formação de aminoácidos (e proteínas, que são “polímeros” de aminoácidos), lipídios, polissacarídeos, nucleosídeos e nucleotídeos (que dão origem aos ácidos nucléicos, RNA e DNA), e centenas de outras moléculas. Ao longo de 3,5 bilhões de anos de evolução, as rotas bioquímicas e os seus produtos foram submetidos a inúmeras formas de pressão evolutiva, como limitação de carbono e outros elementos (ferro, por exemplo), luminosidade, exposição a ambientes extremos, como temperatura, salinidade e ricos em enxofre. Além disso, os organismos nos quais as rotas bioquímicas se encontram também sofreram inúmeras formas de pressão seletiva, como competição por espaço, limitação de nutrientes, luminosidade, predação, sobreposição, fixação em substrato, e outras. Em conseqüência, as rotas bioquímicas de formação de produtos naturais foram selecionadas paralelamente aos organismos biológicos que sofreram seleção natural. Atuando na forma de mediadores químicos, os produtos naturais se tornaram um elemento-chave para a sobrevivência da grande maioria dos organismos vivos. Logo, não é de surpreender que os produtos naturais apresentem atividades biológicas potentes, específicas e exerçam funções surpreendentes, a grande maioria das quais ainda é desconhecida.

A recente análise de Cragg, Grothaus e Newman (2009) mostra que, de todos os fármacos que entraram no mercado entre 1981 e 2008, 67% foram obtidos por síntese química. Porém, destes 18% são substâncias que apresentam um grupo farmacofórico de origem natural, e 13% modelam um produto natural que é inibidor de um alvo molecular específico. Na verdade, as substâncias que são realmente puramente sintéticas correspondem a 37% de todos os fármacos comercializados. Destes, 63,5% das substâncias com atividade anti-infecciosa (antibacterianos, antifúngicos, antiparasíticos e antivirais) são derivadas ou inspiradas em produtos naturais. No caso de substâncias com atividade anticancerígena, a porcentagem das que são oriundas de produtos naturais é de 78,9%.

Os números atuais mostram que, das cerca de 500.000 espécies de plantas superiores existentes na Terra, menos de 15% teve sua química e biologia investigadas. No caso dos organismos marinhos, tais estimativas são desconhecidas, uma vez que a biodiversidade marinha ainda está sendo mapeada. Já no caso de microrganismos, estima-se que cerca de 1% de todos os microrganismos presentes na Terra tenham sido crescidos em meio de cultura artificial, para seu estudo fisiológico, bioquímico e/ou biotecnológico. No entanto, alguns dos agentes quimioterapêuticos mais importantes que se conhece foram isolados de e continuam sendo produzidos por microrganismos. Por exemplo, a estreptomicina, utilizada para tratar tuberculose; as ciclosporinas, utilizadas como agentes imunossupressores, os quais, quando foram descobertos, melhoraram significativamente a utilização de órgãos transplantados, dos quais os pacientes recebedores muitas vezes sofrem forte rejeição; além de inúmeros antibióticos, como as penicilinas. Estes correspondem a um número extremamente limitado de exemplos.

Adicionalmente, inúmeras evidências indicam que muitos produtos naturais isolados a partir de macro-organismos são, na verdade, produzidos por microrganismos. Tal fato parece ser particularmente verdadeiro no caso dos macro-organismos marinhos. Além disso, as plantas “hospedam” uma diversidade ainda quase totalmente desconhecida de microrganismos endofíticos, potencialmente produtores das mais diversas substâncias químicas, dentre as quais se incluem o paclitaxel (ou taxol), a camptotecina e a podofilotoxina, todas substâncias com potente atividade anticancerígena.

Torna-se, assim, evidente que o potencial de utilização de produtos naturais para os mais diversos fins apenas começou a ser explorado no século XX. Desenvolvimentos tecnológicos recentes, como por exemplo das ferramentas de biologia molecular, da biossíntese combinatorial, e a elaboração de “microarranjos” (micro arrays) para se investigar processos bioquímicos em nível molecular (e até mesmo para serem utilizados em síntese combinatorial; veja aqui), bem como das ferramentas analíticas, está permitindo avanços inimagináveis na descoberta e compreensão das funções de produtos naturais (metabólitos secundários).

Porém, dois empecilhos têm literalmente bloqueado a descoberta e o desenvolvimento de novos modelos de fármacos e ferramentas bioquímicas de origem natural: o acesso ao patrimônio genético dos organismos vivos e um suprimento adequado de substâncias, a partir do momento em que estas são descobertas. Se por um lado diferentes abordagens têm sido empregadas para contornar o segundo problema, o acesso ao patrimônio genético é uma questão que saiu do âmbito científico e tecnológico e passou a ser uma questão político-governamental. Embora seja evidente que a regulamentação de acesso ao patrimônio genético é necessária, tal regulamentação não pode nem deve ser impeditiva ou morosamente conduzida, sob pena de se perder, em definitivo, inúmeras oportunidades de inovação tecnológica, que inevitavelmente contribuem para a melhoria da qualidade de vida da população em geral.

Para se contornar o problema do suprimento adequado de substâncias naturais para a realização de testes clínicos e sua utilização como fármacos, diferentes abordagens foram desenvolvidas. A mais tradicional é a semi-síntese, em que um produto natural escasso é sintetizado a partir de outro(s) mais abundante(s). O exemplo mais clássico é a síntese dos hormônios esteroidais, como a progesterona, testosterona e estradiol (já apresentada neste blog, no texto “A química da pílula”). Além desta, novas abordagens de síntese combinatorial de derivados de produtos naturais foram desenvolvidas na última década, como a “Síntese de bibliotecas inspiradas em produtos naturais orientada pela biologia” (Biology-oriented synthesis of natural product-inspired libraries, BIOS) e “Síntese de bibliotecas inspiradas em produtos naturais orientada pela diversidade” (Diversity-oriented synthesis of Natural Product-like libraries, DOS). Tais estratégias são bastante recentes, mas começam a mostrar resultados extremamente interessantes.

Pelo fato dos produtos naturais serem, de certa forma, reflexo de 3,5 bilhões de anos de evolução biológica, as estruturas destas substâncias representam “estruturas privilegiadas” (priviliged scaffolds). Considerando tal fato, Welsch, Snyder e Stockwell realizaram um levantamento de “estruturas privilegiadas” presentes em produtos naturais, e observaram que algumas apresentam uma recorrência significativa: grupos indólico, quinolina, isoquinolina, purina, quinoxalina, quinazolinona, tetrahidroisoquinolina, tetrahidroquinolina, benzoxazol, benzofurano, 3,3-dimetilbenzopirano, cromona, cumarina, açúcares, esteróis e ácidos prostanóicos. Em paralelo, observaram que muitas “estruturas privilegiadas” de fármacos puramente sintéticos são análogas às “estruturas privilegiadas” naturais. O mais impressionante foi verificar que tais “estruturas privilegiadas” naturais apresentam ampla distribuição e recorrência na natureza. Ou seja, claramente estas foram fruto de um processo de seleção natural, uma vez que, sendo “estruturas privilegiadas”, carregam consigo propriedades físico-químicas e biológicas intrínsecas, que são expressas por organismos que as produzem e/ou acumulam em todos os ambientes naturais. Welsch, Snyder e Stockwell mencionam o trabalho de Fesik e colaboradores, que desenvolveram um método para identificar novas “estruturas privilegiadas” utilizando um teste biológico analisado por ressonância magnética nuclear. Fesik et al. analisaram 10.000 substâncias em 11 diferentes substratos proteínicos, e a grande maioria dos inibidores encontrados apresentaram “estruturas privilegiadas” recorrentes. Ou seja, tais “estruturas privilegiadas” recorrentes parecem ser inerentes a produtos naturais de ampla distribuição biológica. Tais resultados confirmam, mais uma vez, o longo processo de seleção natural a que tais “estruturas privilegiadas” foram submetidas ao longo da evolução biológica, de tal maneira que estas passaram a ser produzidas e acumuladas por muitos organismos vivos, presentes nos mais distintos biomas.

Considerando-se que apenas uma pequena fração dos seres vivos foi analisada para a obtenção de produtos naturais biologicamente ativos, não há razão para não se supor que um número potencialmente ilimitado de moléculas bioativas ainda está por ser descoberto. E que estas devem, certamente, constituir elementos essenciais para a o bem estar da sociedade humana. Todavia, a descoberta destas moléculas depende, única e exclusivamente, de decisões e ações igualmente humanas para a conservação e exploração racional dos recursos naturais.

Por isso, quando o Professor Rogério Cesar de Cerqueira Leite afirmou, na coluna Tendências e Debates do jornal Folha de S. Paulo, em 5 de agosto deste ano, no seu texto “Espinoza e a legislação florestal” que

“(…) também é uma infelicidade que se avoque neste século 21 a importância econômica da biodiversidade. Os cientistas, os tecnólogos e os empresários brasileiros já são capazes de desenvolver e produzir novas moléculas. Até meados do século passado, o homem recorria à natureza para obter produtos medicinais e outros.

Hoje, a inteligência e a diligência humana fizeram com que criássemos nossos fármacos a partir de matérias-primas abundantes, inclusive da biomassa, por sínteses de moléculas complexas, tornando obsoletos os métodos extrativistas, e sem recorrer à criatividade errática da natureza, cujas criações servem aos seus próprios propósitos, e não aos da humanidade.”

apenas demonstrou seu profundo desconhecimento sobre este assunto.

Referências bibliográficas

Texto da coluna “In the pipeline”, escrita por Derek Lowe, na revista Chemistry World (editada pela Royal Society of Chemistry), outubro 2010.

Cragg, G., Grothaus, P., & Newman, D. (2009). Impact of Natural Products on Developing New Anti-Cancer Agents. Chemical Reviews, 109 (7), 3012-3043 DOI: 10.1021/cr900019j
Welsch, M., Snyder, S., & Stockwell, B. (2010). Privileged scaffolds for library design and drug discovery Current Opinion in Chemical Biology, 14 (3), 347-361 DOI: 10.1016/j.cbpa.2010.02.018

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