Тут є світло - коворкінги Києва 🔥

Химический конструктор Lego: за что дали Нобелевскую премию по химии-2022

Нобелевскую премию по химии получили Барри Шарплесс, Мортен Мелдал и Кэролин Бертоцци за развитие клик-химии и биоортогональной химии. dev.ua объясняет, что это значит.

Оставить комментарий
Химический конструктор Lego: за что дали Нобелевскую премию по химии-2022

Нобелевскую премию по химии получили Барри Шарплесс, Мортен Мелдал и Кэролин Бертоцци за развитие клик-химии и биоортогональной химии. dev.ua объясняет, что это значит.

Фактически, как говорится в релизе Нобелевского комитета, эти ученые помогли облегчить сложные процессы. Барри Шарплесс и Мортен Мелдал заложили основу для функциональной формы химии — клик-химии, где молекулярные строительные блоки быстро и эффективно соединяются вместе. Кэролин Бертоцци вывела химию кликов на новое измерение и принялась использовать ее в живых организмах.

«Нынешняя премия по химии касается не слишком сложных вещей, а работы с тем, что легко и просто», — говорит Йохан Аквист, председатель Нобелевского комитета по химии.

Прочь имитации!

С самого момента зарождения химии химики использовали природу как образец для подражания. Люди видели молекулы и пытались воспроизводить их искусственно. Часть современной фармацевтики — это имитация природных веществ.

Да вот в чем проблема: сложные молекулы сложно конструировать. Это много этапов, каждый шаг создает побочные продукты, их нужно удалить, и в результате потери материала колоссальны.

Иногда имитация природы может идти по странному пути

Барри Шарплесс, который сейчас получает свою вторую Нобелевскую премию по химии (первая была в 2001 году за работу над реакциями окисления, катализируемыми хиральным путем») выступил за новый и минималистичный подход в химии. Он считал, что для химиков пора прекратить имитировать природные молекулы.

Если потенциальный препарат найден в природе, можно сделать небольшие объемы вещества для тестирования в лаборатории и клинических испытаний. Но для промышленного производства уровень эффективности собственного производства должен быть выше. Пример — антибиотик меропенем. Чтобы найти способ производства молекулы в большом масштабе, понадобилось шесть лет химических разработок.

Одним из камней преткновения для химиков, говорил Шарплесс, были связи между атомами углерода. Все биомолекулы имеют структуру из связанных атомов углерода, природа сумела их соединить, и химикам это сделать труднее: атомы углерода из разных молекул часто не имеют химического побуждения образовывать связи друг с другом, их нужно искусственно активировать. Эта активация часто приводит к многочисленным нежелательным побочным реакциям и потере материала .

Если проще, дружить они не хотят, а собирать всех за обедом — это очень дорого.

Блин, какие они стремные, зачем я вообще согласился на это все?

Вместо того, чтобы закреплять несчастные атомы углерода и заставлять его реагировать, Барри Шарплесс предложил подняться на уровень выше и начать строить из молекул, уже имеющих углеродный каркас. Затем их можно объединить между собой мостиками из атомов азота или кислорода, которыми легче управлять. Простые реакции — где есть сильное внутреннее влечение для связывания молекул — в таком случае избегают многих побочных реакций с минимальной потерей материала.

Переведем на общечеловеческий. Представьте себе конструктор типа Lego. Вы можете выплавлять его детали из пластика самостоятельно — для чего нужно изготовить формы и где-то, собственно, добывать этот пластик, и постоянно переживать из-за вони и пожарной опасности — а можете использовать готовые блоки.

Барри Шарплесс назвал этот надежный метод построения молекул клик-химии.

Даже если клик-химия не может создать точные копии природных молекул, можно будет найти молекулы, выполняющие те же функции и добавить их в конструкцию, говорил он. Комбинация же простых химических строительных блоков позволяет создавать почти бесконечное разнообразие молекул.

Реакция мечты

В 2001 году Шарплесс перечислил несколько критериев, которые необходимо выполнить, чтобы химическую реакцию называли клик-химией. К примеру, реакция должна происходить в присутствии кислорода и в воде, которая является дешевым и экологически чистым растворителем.

Я настоящий клик! — Нет, это я настоящий клик!

Он также привел примеры нескольких существующих реакций, которые, по его мнению, соответствуют новым идеалам, которые он изложил. Но среди них не было реакции, которая стала почти синонимом клик-химии — катализируемого медью азид-алкиновое циклоприсоединение.

Такие органические соединения, как азиды и алкины, очень эффективно реагируют, когда к ним добавляют меди ионы .

Мортен Мелдал разрабатывал способы поиска возможных лекарственных веществ. Он создал огромные молекулярные библиотеки. Однажды он и его коллеги провели сугубо рутинную реакцию — нужно было прореагировать алкин с ацилгалогенидом. Реакция проходит хорошо, если химики добавляют несколько ионов меди и, возможно, щепотку палладия в качестве катализаторов.

Но Мендал обнаружил неожиданное: алкин прореагировал не с тем концом молекулы ацилгалогенида. На противоположном конце была химическая группа, называемая азид. Вместе с алкином азид создал кольцевидную структуру, триазол.

Триазолы — полезные химические структуры. Они стабильны и содержатся в некоторых фармацевтических препаратах, красителях и сельскохозяйственных химикатах.

Я — алкин! А я — азид! Итого мы — триазол, если добавите немного ионов меди

Поскольку триазолы — это хорошие химические строительные блоки, исследователи пытались создать их раньше из алкинов и азидов, но это приводило к нежелательным побочным продуктам. Мортен Мелдал сообразил, что ионы меди контролировали реакцию, так что, в принципе, образовалось только одно вещество.

В том же году Барри Шарплесс также опубликовал статью о реакции между азидами и алкинами, которая катализируется медью, показывая, что реакция работает в воде и надежна. Он описал это как «идеальную» клик-реакцию.

Простота привела к тому, что реакция стала очень популярной как в исследовательских лабораториях, так и в промышленных разработках. Среди прочего клик-реакции облегчают производство новых материалов. Если производитель добавляет активный азид к пластику или волокну, изменение свойств материала на более позднем этапе простое; можно вводить вещества, производящие электричество, которые улавливают солнечный свет, являются антибактериальными, защищают от ультрафиолетового излучения или имеют другие нужные свойства. В фармацевтических исследованиях клик-химия используется для производства и оптимизации веществ, которые могут стать фармацевтическими препаратами.

Клик против рака

Однако вот мы внутри живого организма, можно ли использовать клик-химию здесь?

Гликаны — сложные углеводы, состоящие из разных видов сахара и часто находящиеся на поверхности белков и клеток. Они играют важную роль во многих биологических процессах, например когда вирусы поражают клетки или когда активируется иммунная система.

В начале 1990-х годов Каролин Бертоцци начала картографировать гликан, привлекающий иммунные клетки к лимфатическим узлам. Потребовалось четыре года, чтобы понять, как он функционирует. Во время семинара она послушала немецкого ученого, который объяснил, как ему удалось заставить клетки производить неестественный вариант сиаловой кислоты — одного из сахаров, производящих гликаны. Бертоцци начала думать, может ли она использовать подобный метод, чтобы заставить клетки производить модифицированную сиаловую кислоту и включать ее в разные гликаны. Тогда она могла использовать химический маркер для их картографирования.

Бертоцци начала искать в научной литературе химические маркеры и реакцию, которую она могла бы использовать. Это было нелегко, поскольку ручка не должна реагировать ни с каким другим веществом в клетке. Она назвала это «биоортогональная химия».

Внутри существа живой реакция клик успешно проходит

В 1997 году Каролин Бертоцци удалось доказать, что ее идея действительно работает. Следующий прорыв произошел в 2000 году, когда она обрела оптимальный химический маркер: азид, который можно вводить живым существам. А после открытия клик-химии Бертоцци успешно применила клик-реакцию на живой клетке — правда, без токсичной для живых существ меди.

Одна из областей, на которых сосредотачивается исследовательница, — это гликаны на поверхности опухолевых клеток. Ее исследования говорят: некоторые гликаны, кажется, защищают раковые клетки от иммунной системы организма, заставляя иммунные клетки выключаться. Чтобы заблокировать эту реакцию, Бертоцци с коллегами создали новый тип препаратов: соединили гликан-специфическое антитело с ферментами, которые расщепляют гликаны на опухолевых клетках. Этот препарат сейчас проходит клинические испытания на людях с поздними стадиями рака.

Телепорты квантовых кошек: за что дали Нобелевскую премию по физике-2022
Телепорты квантовых кошек: за что дали Нобелевскую премию по физике-2022
По теме
Телепорты квантовых кошек: за что дали Нобелевскую премию по физике-2022
Сколько у нас от неандертальца и денисовца: Нобелевскую премию по медицине-2022 получил палеогенетик Сванте Паабо
Сколько у нас от неандертальца и денисовца: Нобелевскую премию по медицине-2022 получил палеогенетик Сванте Паабо
По теме
Сколько у нас от неандертальца и денисовца: Нобелевскую премию по медицине-2022 получил палеогенетик Сванте Паабо
Читайте главные IT-новости страны в нашем Telegram
Читайте главные IT-новости страны в нашем Telegram
По теме
Читайте главные IT-новости страны в нашем Telegram
Електробайки по-українськи між Києвом та Лос-Анджелесом в «СКШ»

Дивіться, чим живе Delfast під час війни в Україні

Мы запускаем рассылку об украинском IT-комьюнити. Оставьте email, чтобы понимать больше. Премьера — скоро!
Спасибо! На указанный адрес отправлено письмо для подтверждения подписки.

Хотите сообщить важную новость? Пишите в Telegram-бот

Главные события и полезные ссылки в нашем Telegram-канале

Обсуждение
Комментариев пока нет.