В Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии 2022 года по химии. Ими стали американцы Барри Шарплесс и Кэролин Бертоцци и датчанин Мортен Мельдаль. Премия присуждена «за разработку клик-химии и биоортогональной химии». Как сообщает Нобелевский комитет, их научная работа «призвана найти новые химические идеалы и позволить преобладать простоте и функциональности».
Имитация природы
С момента зарождения современной химии в XVIII веке учёные использовали природу как образец для подражания. В растениях, животных и микроорганизмах находили молекулярные структуры, которые исследователи пытались воссоздать искусственным путём. Зачем? Например, чтобы на их основе разработать эффективные лекарства.
Накопленные столетиями знания помогают современным химикам получать в своих лабораториях поистине удивительные молекулы. Однако есть проблема: сложные молекулы создаются в несколько этапов, и каждый из них оставляет побочные продукты, которые надо удалять. Для сложных молекулярных конструкций потери могут быть очень велики, так что в финале почти ничего не остаётся. Лауреаты премии 2022 года как раз нашли способ упростить этот процесс: реакции протекают быстро, а нежелательные побочные продукты исключаются.
Американец Барри Шарплесс уже получал Нобелевскую премию по химии, и было это в 2001 году. Примерно тогда же он придумал концепцию клик-химии (от англ. click — «щелчок»), выступив за новый минималистский подход в этой науке. Шарплесс считал, что пора перестать имитировать сложные природные структуры и призвал коллег использовать в реакциях более простые молекулы, имеющие полный углеродный каркас. Эти молекулы можно соединять с помощью мостиков из атомов азота или кислорода, которые легче контролировать. Проще говоря, он предложил получать химические вещества быстро и надёжно, соединяя между собой маленькие элементы.
Барри Шарплесс обращал внимание, что даже если не удастся таким путём получить точную копию природной молекулы, можно будет найти молекулы, выполняющие те же функции. Комбинирование простых «строительных блоков» позволяет создавать почти бесконечное разнообразие молекул, поэтому учёный был убеждён, что клик-химия откроет двери для фармацевтики: лекарственные препараты, которые будут столь же эффективными, как и те, что встречаются в природе, можно будет производить в промышленных масштабах.
Кстати, вместе с Шарплессом в те годы работал российский химик Валерий Фокин, впоследствии переехавший в США. Он внёс значительный вклад в результаты его исследований.
«Жемчужина клик-химии»
Второй лауреат, датчанин Мортен Мельдаль, открыл то, что члены Нобелевского комитета именуют «жемчужиной клик-химии» — реакцию, название которой для большинства из нас звучит как магическое заклинание. Это катализируемое медью азид-алкиновое циклоприсоединение. Оно широко используется в настоящее время при разработке тех же лекарств, для картирования ДНК и создания новых материалов.
Мортен Мельдаль открыл эту реакцию случайно. Он занимался поиском потенциальных фармацевтических веществ и однажды провёл совершенно рутинную реакцию, добавив в качестве катализатора немного ионов меди. Проанализировав, что получилось, учёный пришёл к выводу, что ионы меди повлияли на результат, сделав его «чем-то исключительным» и что эту реакцию в будущем можно использовать для связывания множества различных молекул.
Примечательно, что в том же 2002 году, когда Мортен Мельдаль опубликовал статью о своём открытии, эту же реакцию описал в научном журнале и первый лауреат, Барри Шарплесс. Он разглядел в ней огромный потенциал и, как оказалось, был прав.
«Их функциональная химия творит чудеса»
Но ни Шарплесс, ни Мельдаль не изучали, как действует клик-химия в живых организмах. Это сделала Кэролин Бертоцци из Стэнфордского университета (США). Она стремилась усовершенствовать химические реакции «по щелчку», чтобы они хорошо работали в клеточных средах, и сосредоточилась на одной из областей, связанной с онкологией.
Бертоцци исследовала биомолекулы, которым в то время почти не уделялось внимания — гликаны. Это сложные углеводы, построенные из различных видов сахара и часто располагающиеся на поверхности клеток. Изучая их, она пришла к выводу, что некоторые гликаны, по-видимому, защищают опухоли от иммунной системы организма, заставляя иммунные клетки отключаться. Чтобы заблокировать этот механизм, Кэролин Бертоцци с коллегами создала биопрепарат нового типа. Сейчас он проходит клинические испытания на пациентах с запущенной формой рака.
«Их функциональная химия творит чудеса», — так лаконично описывают заслуги троих учёных члены Шведской королевской академии наук, присудившие им Нобелевскую премию. Простота клик-химии привела к тому, что реакции «по щелчку» стали чрезвычайно популярными как в исследовательских лабораториях, так и на производстве. Это и разработка фармпрепаратов, о чём уже не раз сказано, и получение новых материалов.
Химики собирают сложные молекулы из простых веществ, которые им доступны, и превращают их во что-то полезное. Посмотрим вокруг: большинство материалов, из которых сделаны используемые нами предметы и вещи, от оконных рам до офисных кресел, так или иначе получены из продуктов нефтехимической промышленности. Технологи превращают углеводороды в полимеры, краски, пластики и пр. Все эти материалы необходимо получать в больших количествах наиболее экономным и эффективным образом. И помогает в этом клик-химия.
