Хімічний конструктор Lego: за що дали Нобелівську премію з хімії-2022
Нобелівську премію з хімії отримали Баррі Шарплесс, Мортен Мелдал та Керолін Бертоцці «за розвиток клік-хімії і біоортогональної хімії». dev.ua пояснює, що це означає.
Нобелівську премію з хімії отримали Баррі Шарплесс, Мортен Мелдал та Керолін Бертоцці «за розвиток клік-хімії і біоортогональної хімії». dev.ua пояснює, що це означає.
Фактично, як йдеться у релізі Нобелівського комітету, ці вчені допомогли полегшити складні процеси. Баррі Шарплесс і Мортен Мелдал заклали основу для функціональної форми хімії — клік-хімії, у якій молекулярні будівельні блоки швидко й ефективно з’єднуються разом. Керолін Бертоцці вивела хімію кліків на новий вимір і почала використовувати її в живих організмах.
«Цьогорічна премія з хімії стосується не надто складних речей, натомість роботи з тим, що легко та просто», — каже Йохан Аквіст, голова Нобелівського комітету з хімії.
Геть імітації!
З самого моменту зародження хімії хіміки використовували природу, як взірець для наслідування. Люди бачили молекули — і намагалися відтворювати їх штучно. Частина сучасної фармацевтики — це імітація природних речовин.
Та ось у чому проблема: складні молекули складно конструювати. Це багато етапів, кожен крок створює побічні продукти, їх треба видалити, і в результаті втрати матеріалу колосальні.
Баррі Шарплесс, який зараз отримує свою другу Нобелівську премію з хімії (перша була у 2001 році за роботу над реакціями окислення, що каталізуються хіральним шляхом) виступив за новий і мінімалістичний підхід у хімії. Він вважав, що для хіміків настав час припинити імітувати природні молекули.
Якщо потенційний препарат знайдено в природі, можна виготовити невеликі обсяги речовини для тестування в лабораторії та клінічних випробувань. Та для промислового виробництва рівень ефективності власне виробництва має бути вищим. Приклад — антибіотик меропенем. Щоб знайти спосіб виробництва молекули у великому масштабі, знадобилося шість років хімічних розробок.
Одним з каменів спотикання для хіміків, казав Шарплесс, були зв’язки між атомами вуглецю. Усі біомолекули мають структуру з пов’язаних атомів вуглецю, природа зуміла їх поєднати, та хімікам це зробити важче: атоми вуглецю з різних молекул часто не мають хімічного спонукання утворювати зв’язки один з одним, їх потрібно штучно активувати. Ця активація часто призводить до численних небажаних побічних реакцій і втрати матеріалу.
Якщо простіше, дружити вони не хочуть, а збирати усіх за обідом — це дуже дорого.
Замість того, щоб зневолювати нещасні атоми вуглецю і змушувати їх реагувати, Баррі Шарплесс запропонував піднятися на рівень вище і почати будувати з молекул, які вже мають вуглецевий каркас. Потім їх можна об’єднати між собою містками з атомів азоту чи кисню, якими легше керувати. Прості реакції — де є сильний внутрішній потяг для зв’язування молекул — в такому разі уникають багатьох побічних реакцій з мінімальною втратою матеріалу.
Перекладемо на загальнолюдську. Уявіть собі конструктор, типу Lego. Ви можете виплавляти його деталі з пластика самостійно — для чого потрібно виготовити форми і десь, власне, добувати цей пластик, і постійно переживати через сморід та пожежну небезпеку — а можете використовувати готові блоки.
Баррі Шарплесс назвав цей надійний метод побудови молекул клік-хімією.
Навіть якщо клік-хімія не може створити точні копії природних молекул, можна буде знайти молекули, які виконують ті самі функції і додати їх у конструкцію, казав він. А комбінація простих хімічних будівельних блоків дає змогу створювати майже нескінченну різноманітність молекул.
Реакція мрії
У 2001 року Шарплесс перерахував кілька критеріїв, які треба виконати, щоб хімічну реакцію називали клік-хімією. Наприклад, реакція повинна відбуватися в присутності кисню і у воді, яка є дешевим і екологічно чистим розчинником.
Він також навів приклади кількох існуючих реакцій, які, на його думку, відповідають новим ідеалам, які він виклав. Та серед них не було реакції, яка стала майже синонімом клік-хімії, — каталізованого міддю азид-алкінове циклоприєднання.
Такі органічні з’єднання, як азиди та алкіни, дуже ефективно реагують, коли до них додають іони міді.
Мортен Мелдал розробляв методи пошуку потенційних фармацевтичних речовин. Він створив величезні молекулярні бібліотеки. Одного дня він і його колеги провели суто рутинну реакцію — потрібно було прореагувати алкін з ацилгалогенідом. Реакція проходить добре, якщо хіміки додають трохи іонів міді та, можливо, дрібку паладію як каталізатора.
Але Мендал виявив несподіване: алкін прореагував не з тим кінцем молекули ацилгалогеніду. На протилежному кінці була хімічна група, яка називається азид. Разом з алкіном азид створив кільцеподібну структуру, триазол.
Триазоли — корисні хімічні структури. Вони стабільні і містяться в деяких фармацевтичних препаратах, барвниках і сільськогосподарських хімікатах.
Оскільки триазоли — це гарні хімічні будівельні блоки, дослідники намагалися створити їх раніше з алкінів та азидів, але це призводило до небажаних побічних продуктів. Мортен Мелдал зрозумів, що іони міді контролювали реакцію, так що, в принципі, утворилася лише одна речовина.
Того ж року Баррі Шарплесс також опублікував статтю про реакцію між азидами та алкінами, яка каталізується міддю, показуючи, що реакція працює у воді та є надійною. Він описав це як «ідеальну» клік-реакцію.
Простота призвела до того, що реакція стала надзвичайно популярною як у дослідницьких лабораторіях, так і в промислових розробках. Серед іншого, клік-реакції полегшують виробництво нових матеріалів. Якщо виробник додає активний азид до пластику або волокна, зміна властивостей матеріалу на більш пізньому етапі є простою; можна вводити речовини, які проводять електрику, вловлюють сонячне світло, є антибактеріальними, захищають від ультрафіолетового випромінювання або мають інші потрібні властивості. У фармацевтичних дослідженнях клік-хімія використовується для виробництва та оптимізації речовин, які потенційно можуть стати фармацевтичними препаратами.
Клік проти раку
Однак ось ми всередині живого організму, чи можна використати клік-хімію тут?
Глікани — складні вуглеводи, що складаються з різних видів цукру і часто знаходяться на поверхні білків і клітин. Вони відіграють важливу роль у багатьох біологічних процесах, наприклад, коли віруси вражають клітини або коли активується імунна система.
На початку 1990-х років Каролін Бертоцці почала картографувати глікан, який приваблює імунні клітини до лімфатичних вузлів. Знадобилося чотири роки, щоб зрозуміти, як він функціонує. Під час семінару вона послухала німецького вченого, який пояснив, як йому вдалося змусити клітини виробляти неприродний варіант сіалової кислоти — одного із цукрів, які створюють глікани. Бертоцці почала думати, чи може вона використати подібний метод, щоб змусити клітини виробляти модифіковану сіалову кислоту і включати її в різні глікани. Тоді вона могла б використовувати хімічний маркер для їх картографування.
Бертоцці почала шукати в науковій літературі хімічні маркери та реакцію, яку вона могла б використати. Це було нелегко, оскільки ручка не повинна реагувати з жодною іншою речовиною в клітині. Вона назвала це «біоортогональна хімія».
У 1997 році Каролін Бертоцці вдалося довести, що її ідея дійсно працює. Наступний прорив стався в 2000 році, коли вона знайшла оптимальний хімічний маркер: азид, який можна вводити живим істотам. А після відкриття клік-хімії, Бертоцці успішно застосувала клік-реакцію на живій клітині — щоправда, без токсичної для живих істот міді.
Одна з областей, на яких зосереджується дослідниця — це глікани на поверхні пухлинних клітин. Її дослідження кажуть: деякі глікани, здається, захищають ракові клітини від імунної системи організму, змушуючи імунні клітини вимикатися. Щоб заблокувати цю реакцію, Бертоцці з колегами створили новий тип препаратів: поєднали глікан-специфічне антитіло з ферментами, які розщеплюють глікани на поверхні пухлинних клітин. Цей препарат зараз проходить клінічні випробування на людях із пізніми стадіями раку.
Телепорти квантових котів: за що дали Нобелівську премію з фізики-2022
Телепорти квантових котів: за що дали Нобелівську премію з фізики-2022
Скільки в нас від неандертальця та денисівця: Нобелівську премію з медицини-2022 отримав палеогенетик Сванте Паабо
Скільки в нас від неандертальця та денисівця: Нобелівську премію з медицини-2022 отримав палеогенетик Сванте Паабо
Читайте головні IT-новини країни в нашому Telegram
Читайте головні IT-новини країни в нашому Telegram
