Chemiczny Nobel 2022, czyli zrób to prościej
Jeżeli uzasadnienie przyznania Nagrody brzmi dla ciebie enigmatycznie, nie martw się - nawet chemicy, nie specjalizujący się w danych dziedzinach, muszą dopiero poszukać informacji o chemii "klik" i bioortogonalnej (takie są efekty coraz ściślejszej specjalizacji). Pierwszy rodzaj może kojarzyć się z komputerami, które obecnie są standardowym wyposażeniem laboratorium chemicznego. Obecnie zwykle chemik najpierw tworzy model cząsteczki nowego związku w świecie wirtualnym, bada jego właściwości, a dopiero potem - gdy komputerowe testy wypadły pomyślnie - przystępuje do syntezy wybranej substancji. W ten sposób oszczędza się cenny czas naukowca i nie traci sił i środków, o pieniądzach nie wspominając, na błądzenie w ślepych uliczkach.
Wracając jednak do tematu artykułu, …
…jak właściwie rozumieć uzasadnienie Komitetu Noblowskiego?
Autorem pojęcia chemia "klik" jest Barry Sharpless. W roku 2000 w ten sposób określił syntezę chemiczną, podczas której rekcje pomiędzy małymi cząsteczkami zachodzą bardzo szybko, skutecznie prowadząc do powstania nawet dużych molekuł o skomplikowanej strukturze. Do tego brak jest produktów ubocznych, a same przemiany zachodzą w łagodnych warunkach w środowisku wodnym. To jak budowanie konstrukcji z klocków Lego - elementy pasują do siebie, a łącząc się wydają charakterystyczne "klik".
Pojęcie "ortogonalny" pojawia się w kilku działach matematyki i fizyki. Z greckiego to "prostokątny" (orthos = prosty, gonia = kąt), ale ma także inne znaczenie używane w niektórych naukach - "nie wpływający na siebie nawzajem". Na podstawie właśnie tego znaczenia, Carolyn Bertozzi w roku 2003 utworzyła termin chemia bioortogonalna, czyli taka, w której reakcje chemiczne zachodzą w komórkach organizmów bez zakłócania normalnych procesów życiowych.
Morten Peter Meldal (ur. 1954) jest profesorem chemii Uniwersytetu w Kopenhadze.
Karl Barry Sharpless (ur. 1941 w Filadelfii, USA) to dwukrotny noblista w dziedzinie chemii, poprzednio otrzymał Nagrodę w roku 2001 za badania nad katalizą, które doprowadziły m.in. do otrzymywania betablokerów (leki nasercowe). Wśród chemików sztuka ta udała się tylko Frederickowi Sangerowi (1958 i 1980), natomiast Maria Skłodowska-Curie i Linus Pauling drugą Nagrodę uzyskali w innej dziedzinie. Laureat obecnie pracuje w The Scripps Research Institute w La Jolla, dzielnicy San Diego w Kalifornii.
Chemia to sztuka…
…analizy i syntezy. To określenie sprzed wieków do dziś nie utraciło swojej mocy. Współcześni chemicy, jak ich przodkowie w alchemicznych pracowniach, starają się zbadać skład substancji, a następnie odtworzyć go w swoich probówkach i kolbach oraz dokonać modyfikacji otrzymanego związku (1). W przypadku połączeń nieorganicznych bez większych problemów można wyprodukować substancje identyczne z występującymi w przyrodzie. Jednak świat związków organicznych nie poddaje się łatwo. Powodów jest kilka.
Po pierwsze: w porównaniu ze związkami nieorganicznymi, związki organiczne są bez porównania bardziej skomplikowane, a ich cząsteczki osiągają gigantyczne rozmiary (np. białka).
Po drugie: atomy węgla są w stanie połączyć się ze sobą na wiele różnych sposobów, stąd też w chemii organicznej powszechne jest zjawisko izomerii, czyli występowania cząsteczek o tym samym składzie ilościowym, ale odmiennej budowie.
Po trzecie: reakcje z udziałem związków organicznych zwykle przebiegają w różnych kierunkach, a w rezultacie otrzymuje się mieszaninę produktów, w której pożądana substancja wcale nie musi występować w największej ilości. Do tego często nie da się przeprowadzić jednej reakcji i synteza musi przebiegać w kilku etapach (tak dzieje się podczas produkcji środków leczniczych, np. antybiotyków). Po każdym z etapów należy wyodrębnić i oczyścić produkt pośredni, co prowadzi do nieuchronnych strat, nie mówiąc już o czasochłonności i kosztach. Dla przykładu: w syntezie składającej się z 10 etapów, z których każdy przebiega z bardzo wysoką wydajnością 70 %, końcowy produkt stanowi niespełna 3 % wyjściowej substancji. Coś z tym należało zrobić.
(©Improbable Research, Inc.)
Podczas 32 edycji Nagrody IgNobla niestety (na szczęście?) nie przyznano wyróżnienia z chemii. Gorycz powinien jednak osłodzić polski IgNobel z medycyny! Pracownicy i studenci Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego opisali badania nad zapobieganiem zapaleniom jamy ustnej będących efektem ubocznym jednej z kuracji antynowotworowej. Do tej pory chorym nieco pomagało ssanie kostek lodu. Okazało się jednak, że znacznie lepszy efekt uzyskuje się jedząc lody (materiału do badań dostarczyła szpitalna kafejka). Tylko przyklasnąć podobnym eksperymentom. Kuracja nie jest jednak wcale nowa. Autor pamięta, że jako dziecko po zabiegu wycięcia migdałków miał zalecone właśnie jedzenie lodów, które również łagodziły ból podrażnionego gardła. Od tamtej pory nie było medykamentu, który przyjmowałby z równym zapałem.
Na koniec warto przytoczyć słowa Franka Fisha, jednego z laureatów nagrody z fizyki za wyjaśnienie, dlaczego kaczątka pływają za swoją mamą "gęsiego": Nie zajmujesz się nauką, jeśli się nie bawisz. Idealne motto dla każdego pasjonata nauki i techniki.
Związki na kliknięcie
W początkach ubiegłego wieku chemicy stanęli przed wyzwaniem, które niosła burzliwie rozwijająca się motoryzacja: brakowało surowca na gumę do produkcji opon. Bez skutku próbowali odtworzyć w laboratoriach strukturę naturalnego kauczuku (jedyne źródło w tamtym czasie), ale ówczesny poziom wiedzy i technologii na to nie pozwalał. Wreszcie wpadli na pomysł, który rozwiązał problem: dla użytkownika jest obojętne, czy guma ma strukturę kauczuku, czy też nie, aby tylko jej właściwości były zbliżone do oryginału. Znaleziono związki, które z powodzeniem zastąpiły naturalny surowiec i pozwoliły wyprodukować różne rodzaje gum do wielu zastosowań.
Takim tokiem myślenia posłużył się również pierwszy z noblistów - Barry Sharpless. Atomy węgla, stanowiące szkielet każdej cząsteczki związku organicznego, są dość "niechętne" do zmian i zazwyczaj trzeba je aktywować, aby przereagowały. Ale aktywacja może również spowodować niekorzystne zmiany w strukturze molekuły. Znacznie łatwiej jest kontrolować zachowanie atomów innych pierwiastków, np. azotu czy tlenu. Może więc łączyć mniejsze molekuły - jak klocki - przy pomocy "uchwytów" z atomów innych niż sprawiające kłopoty atomy węgla? Jeżeli tylko właściwości otrzymanego związku będą tylko odpowiednie …, chyba warto spróbować?
Morten Meldal, drugi z noblistów, pracował nad syntezą środków leczniczych. W toku badań spostrzegł, że azydki organiczne (klasa związków chemicznych zawierających azot) z praktycznie 100 % selektywnością reagują z alkinami (połączenia z wiązaniem potrójnym pomiędzy atomami węgla) w obecności związków miedzi jako katalizatorów. Było to zjawisko dotychczas nieznane, ale cząsteczki zrobiły "klik" i połączyły się ze sobą. W jej wyniku otrzymano bardzo trwały układ zwany triazolem, występujący m.in. w środkach grzybobójczych (fungicydach) i lekach przeciwgrzybiczych. Prawie jednocześnie przemianę odkrył również i Sharpless (2).
i alkinu (z prawej) zbliżają się do siebie, pod wpływem związku miedzi(I)
rozpoczyna się reakcja, a w jej wyniku obie cząsteczki łączą się poprzez
układ triazolu. (©Johan Jarnestad/The Royal Swe-dish Academy of Sciences)
Reakcja azydków z alkinami okazała się perłą w koronie chemii "klik" (jak określił ją Komitet Noblowski) i obecnie z pomocą tej przemiany można przeprowadzić wiele użytecznych operacji zarówno w laboratorium, jak i w przemyśle. Dla przykładu: podczas produkcji tworzywa sztucznego lub włókna w jego strukturę wbudowuje się azydek. Do uchwytu można następnie przypiąć substancję przewodzącą prąd, pochłaniającą światło czy też działającą antybakteryjnie. W ten sposób i materiał nabiera takich samych właściwości. Reakcja okazała się również bardzo użyteczna podczas produkcji farmaceutyków.
Miedź przeszkadza
Przedmiotem zainteresowań biochemiczki Carolyn Bertozzi były glikany, czyli pochodne cukrów, które występują m.in. na powierzchni komórek i odpowiadają za reakcje odpornościowe. Przez kilka lat starała się zbadać ich położenie w komórkach węzłów chłonnych, ale uniemożliwiał jej to brak odpowiednich narzędzi. Przypadkiem natrafiła na pracę, w której inny naukowiec opisał metodę wprowadzenia zmodyfikowanych składników do glikanów. Ponieważ znała już osiągnięcia Sharplessa i Meldala, wyprodukowała odpowiedni cukier z azydkowym uchwytem i nakarmiła nim komórki.
Teraz można było wprowadzić drugi reagent (alkin), aby oba związki "kliknęły" i połączyły się ze sobą. Jednak do reakcji potrzebne są również związki miedzi, a ta działa szkodliwe na komórki. Bertozzi znalazła rozwiązanie: jeżeli wiązanie potrójne alkinu znajduje się w pierścieniu, jest bardzo reaktywne (ze względu na istniejące naprężenia układu). Do pierścienia była również dołączona cząsteczka fluoryzująca, dzięki czemu, po oświetleniu powierzchni komórki, ujawniły się miejsca położenia glikanów (3).
zmodyfikowany cukier jest pobierany przez komórkę, a następnie wbudowuje się
w warstwę glikanów na jej powierzchni; po reakcji z układem pierścieniowym
zawierającym wiązanie potrójne oraz fragment fluorescencyjny można już określić
położenie glikanów. (©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)
Bertozzi i inni badacze wykorzystali reakcje "klik" do dalszych badań. W ich toku okazało się, że niektóre glikany chronią komórki nowotworowe przed układem odpornościowym własnego organizmu. Obecnie testuje się już leki, które łączą się z glikanami na powierzchni komórek nowotworowych i rozkładają je. To zaś powoduje, że układ odpornościowy jest w stanie zwalczać zmienione tkanki. W sferze badań jest także dostarcza-nie do komórek nowotworowych radioizotopów, które umożliwiają dokładne określenie położenie guza lub nawet jego zniszczenie swoim promieniowaniem.
Potencjalne możliwości reakcji "klik" są bardzo duże, zwłaszcza medyczne. Nie bez znaczenia jest również opracowanie nowych technik syntezy - wysoce selektywnych reakcji - co prowadzi do oszczędności czasu i pieniędzy, a także zmniejszenia ilości odpadów (4). Nie sądź jednak, że osiągnięcia noblistów z roku 2022 rozwiążą wszystkie problemy współczesnego świata (np. niektóre związki muszą mieć określoną strukturę i nie zastąpią ich inne, nawet o podobnej budowie). Będą jednak kolejnym klockiem, który wpasuje się w już istniejącą konstrukcję naszej nauki i techniki. Oczywiście z "kliknięciem".
Krzysztof Orliński
