Βραβείο Νόμπελ Χημείας Τιμές Τεχνική για την οικοδόμηση μορίων

Οι χημικοί επιφορτίζονται συνεχώς όχι μόνο με το σχεδιασμό χρήσιμων νέων μορίων - για νέα φάρμακα, υλικά αποθήκευσης ενέργειας και αμέτρητες άλλες εργασίες - αλλά και με το σχεδιασμό καλύτερων τρόπων για την παραγωγή αυτών των μορίων. Ένα μεγάλο εμπόδιο είναι ότι οι επιθυμητές χημικές αντιδράσεις είναι συχνά αργές ή αναποτελεσματικές και μπορούν να γίνουν πρακτικές μόνο με την προσθήκη καταλυτών, ουσιών που μπορούν να επιταχύνουν τους ρυθμούς αντίδρασης χωρίς να εμπλέκονται στις ίδιες τις αντιδράσεις. Τους τελευταίους δύο αιώνες, ο κόσμος της χημικής κατάλυσης στηρίζεται σε δύο βασικούς πυλώνες:τα ένζυμα και τα μέταλλα.

Αλλά το 2000, ένα ζευγάρι χημικών - ο Benjamin List του Ινστιτούτου Max Planck για την Έρευνα Άνθρακα στη Γερμανία και ο David MacMillan του Πανεπιστημίου του Princeton - εισήγαγαν ανεξάρτητα έναν τρίτο πυλώνα, για τον οποίο αναγνωρίστηκαν σήμερα με το Νόμπελ Χημείας 2021. Η διαδικασία που ανέπτυξαν, γνωστή ως ασύμμετρη οργανοκατάλυση, χρησιμοποιεί μικρά οργανικά μόρια για την προώθηση ταχύτερων και αποτελεσματικότερων αντιδράσεων.

Το έργο, σύμφωνα με την επιτροπή του βραβείου Νόμπελ, ώθησε «έναν εντελώς νέο τρόπο σκέψης για το πώς να συνδυάζονται χημικά μόρια».

Μια πηγή αναποτελεσματικότητας σε πολλές χημικές αντιδράσεις είναι ότι μπορούν να δημιουργήσουν δύο μορφές κατοπτρικής εικόνας ενός μοριακού προϊόντος, μια αριστερόστροφη έκδοση και μια δεξιόχειρη (μια δομική ιδιότητα γνωστή ως χειραλικότητα). Παρά το ότι έχουν το ίδιο μακιγιάζ, τα μόρια καθρέφτη-δίδυμα δεν είναι πανομοιότυπα και στην περίπτωση των φαρμακευτικών προϊόντων, μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικές φυσιολογικές επιδράσεις σε ένα άτομο. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες συχνά θέλουν να συνθέσουν επιλεκτικά μόνο μία εκδοχή και χρησιμοποιούν μεταλλικούς καταλύτες και ένζυμα για να ευνοήσουν την παραγωγή του ενός ή του άλλου.

Αλλά ενώ τα μέταλλα μπορούν να είναι ισχυροί καταλύτες, είναι επίσης πολύ ευαίσθητα σε κοινά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου του οξυγόνου, και συχνά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Επιπλέον, τα μέταλλα σε ορισμένους καταλύτες μπορεί να έχουν επιβλαβείς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Στη φύση, εν τω μεταξύ, τα ένζυμα είναι απίστευτα αποτελεσματικά και ακριβή, επιταχύνοντας τις αντιδράσεις για την παραγωγή πολλών από τις πολύπλοκες ενώσεις που βρίσκονται σε όλη τη διάρκεια της ζωής στη Γη. Όμως τα ένζυμα είναι συχνά μεγάλα και περίπλοκα μόρια που είναι δύσκολο να σχεδιαστούν στο εργαστήριο.

Πριν από περισσότερες από δύο δεκαετίες, ο List ήθελε να προσδιορίσει εάν θα ήταν δυνατό να απλοποιηθούν τα ένζυμα απογυμνώνοντάς τα σε μερικά μόνο από τα μέρη τους:ένα ή λίγα αμινοξέα. Ξεκίνησε με μια βασική χημική αντίδραση, που ονομάζεται αντίδραση αλδόλης, η οποία σχηματίζει νέους δεσμούς άνθρακα-άνθρακα. Με βάση στοιχεία από προηγούμενες εργασίες, αποφάσισε να ελέγξει εάν ένα μόνο αμινοξύ, η προλίνη, θα μπορούσε να καταλύσει επιτυχώς αυτή τη διαδικασία — και να το κάνει ασύμμετρα, παράγοντας το ένα χειρόμορφο προϊόν πολύ περισσότερο από το άλλο.

Προς έκπληξή του, έγινε. «Όταν έκανα αυτό το πείραμα, δεν ήξερα τι θα συμβεί και σκέφτηκα ότι ίσως είναι μια ανόητη ιδέα», είπε ο Λιστ κατά τη διάρκεια της συνέντευξης Τύπου για το Βραβείο Νόμπελ. "Και μετά όταν είδα ότι λειτουργεί, ένιωσα ότι αυτό θα μπορούσε να είναι κάτι μεγάλο."

Και ήταν μεγάλο:το πρώτο παράδειγμα ενός οργανικού καταλυτικού μορίου που ήταν απλό, φιλικό προς το περιβάλλον και φθηνό στη χρήση.

Ο ΜακΜίλαν, εν τω μεταξύ, πλησίαζε τον ίδιο στόχο από διαφορετική οπτική γωνία. Είχε βάλει στο στόχαστρό του μια άλλη χημική διαδικασία, γνωστή ως αντίδραση Diels-Alder, που σχηματίζει δακτυλίους ατόμων άνθρακα. Σχεδίασε αρκετά απλά μόρια που υποψιαζόταν ότι θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα ενδιάμεσο προϊόν απαραίτητο για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση. Όταν δοκίμασε αυτά τα υποψήφια μόρια, επιβεβαίωσε ότι ορισμένα λειτουργούσαν τόσο καλά όσο και καθιέρωσαν ασύμμετρους ανόργανους καταλύτες.

Το έργο του List και του MacMillan πυροδότησε δύο δεκαετίες έρευνας για ακόμη πιο αποτελεσματικούς και αποτελεσματικούς οργανοκαταλύτες, μερικοί από τους οποίους τώρα «κάνουν πράγματα που ακόμη και τα ένζυμα δεν μπορούσαν να κάνουν», σύμφωνα με τον List. Αυτοί οι οργανοκαταλύτες χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων, συμπεριλαμβανομένων των αντιιικών και φαρμάκων για το άγχος, και άλλων προϊόντων. «Αυτό με σοκάρει πραγματικά», είπε ο List.

Πώς λειτουργεί ένας καταλύτης;

Οι καταλύτες επιταχύνουν τον ρυθμό των χημικών αντιδράσεων χωρίς να χρησιμεύουν ως αντιδραστήριο ή προϊόν στη διαδικασία. Κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε αντίδρασης, ορισμένοι δεσμοί μεταξύ των ατόμων στα μόρια σπάνε, ενώ σχηματίζονται νέοι δεσμοί. Και οι δύο αυτές αλλαγές μπορεί να απαιτούν πολλή ενέργεια. Επομένως, τα σταθερά μόρια συνήθως παραμένουν ως έχουν, αλλάζοντας περιστασιακά τους δεσμούς τους αλλά πολύ σπάνια για να δημιουργήσουν ένα επιθυμητό προϊόν γρήγορα και σε μεγάλες ποσότητες.

Οι καταλύτες ουσιαστικά μειώνουν την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να συμβούν αυτές οι αλλαγές στους δεσμούς. Οι μεταλλικοί καταλύτες, για παράδειγμα, έχουν συχνά μεγάλους αριθμούς ηλεκτρονίων που μπορούν να δανείσουν προσωρινά σε αντιδρώντα μόρια, γεγονός που στην πραγματικότητα χαλαρώνει τους δεσμούς τους και επιτρέπει σε νέους να σχηματιστούν πιο εύκολα. Στα βιολογικά συστήματα, οι ενζυμικές πρωτεΐνες περιέχουν έναν θύλακα ή ένα σύμπλεγμα στον οποίο τα αντιδρώντα μόρια μπορούν να συνδεθούν προσωρινά για το ίδιο αποτέλεσμα.

Όταν οι χημικοί σχεδιάζουν καταλύτες, συνήθως ξεκινούν αναζητώντας τρόπους για τη δημιουργία μορίων που θα επιτρέψουν στα αντιδρώντα να διευθετηθούν σε μεταβατικές δομές όπου οι δεσμοί μπορούν να σπάσουν ή να σχηματιστούν πιο εύκολα. Η πρώιμη εργασία του MacMillan με οργανοκαταλύτες, για παράδειγμα, περιελάμβανε την εύρεση μορφών ιμιδαζολιδινόνης που θα διευκόλυνε την εμφάνιση μεταβατικών μορφών που σχετίζονται με την αντίδραση Diels-Alder.

Αν είναι δυνατό να καταλυθούν αντιδράσεις με λίγα μόνο αμινοξέα, γιατί η φύση βασίζεται σε πολύπλοκα ένζυμα;

Ενώ οι οργανοκαταλύτες μπορεί να είναι πιο απλοί στο σχεδιασμό από τα ένζυμα, υπάρχουν πολλοί λόγοι για τους οποίους οι ενζυματικές πρωτεΐνες είναι πιο πλεονεκτικές σε βιολογικές αντιδράσεις που βρίσκονται στη φύση. Η ευελιξία τους, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας να σχηματίζουν διαφορετικές δομές, τους επιτρέπει να διευκολύνουν ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών διαδικασιών, με απίστευτα υψηλά επίπεδα επιλεκτικότητας και ειδικότητας. Αυτό περιλαμβάνει τον έλεγχο πολύπλοκων αντιδράσεων πολλαπλών σταδίων, όλες στις χαμηλότερες θερμοκρασίες που σχετίζονται με τη ζωή. Επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις, η χρήση οργανοκαταλυτών απαιτεί υψηλότερη «φόρτωση» - δηλαδή υψηλότερες ποσότητες καταλύτη σε σχέση με τις ποσότητες του αντιδρώντος. Τέτοια επίπεδα μπορεί να μην είναι πάντα δυνατά ή επιθυμητά σε φυσικές αντιδράσεις.

Γιατί έχει σημασία η "χερατικότητα" ή η χειραλικότητα στις χημικές αντιδράσεις;

Λόγω της χειρομορφίας, τα μόρια με πανομοιότυπα συστατικά μπορούν συχνά να διατάσσονται σε μη ταυτόσημες δομές κατοπτρικής εικόνας (εναντιομερή) με διαφορετική δραστικότητα. Οι χημικές αντιδράσεις συχνά παράγουν μείγματα και των δύο μορφών, επομένως, σε ελεγχόμενες διαδικασίες, έχει σημασία πόσο από το καθένα δημιουργείται.

Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στη βιολογία είναι γιατί η ζωή στη Γη είναι χειρόμορφη:Τα αμινοξέα που χρησιμοποιούνται στους οργανισμούς είναι αριστερόχειρα, ενώ τα σάκχαρα είναι δεξιόχειρα. Αν και υπάρχουν τα δίδυμα με το άλλο χέρι, δεν αποτελούν σημαντικό μέρος των βιολογικών συστημάτων της Γης. Αυτό το ερώτημα παραμένει σημαντικό για τους ερευνητές που προσπαθούν να καταλάβουν πώς μπορεί να προήλθε η ζωή στη Γη.

Είναι επίσης ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη φαρμάκων και άλλων τεχνητών ενώσεων. Τα μόρια με αντίθετη χειραλικότητα μπορεί να διαφέρουν ως προς την αποτελεσματικότητά τους. Το ένα μπορεί να μυρίζει διαφορετικά από το άλλο ή το ένα μπορεί να είναι τοξικό ενώ το άλλο είναι θεραπευτικό. Ίσως το πιο διαβόητο παράδειγμα είναι η ένωση θαλιδομίδη, η οποία σε ορισμένες χώρες διανεμήθηκε για λίγο ως θεραπεία για την πρωινή ναυτία κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης — έως ότου ανακαλύφθηκε ότι ένα εναντιομερές στο μείγμα προκάλεσε σοβαρές συγγενείς δυσπλασίες στα αναπτυσσόμενα έμβρυα.

Γι' αυτό οι List, MacMillan και άλλοι έχουν επικεντρωθεί στην ασύμμετρη κατάλυση:Στόχος τους είναι να δώσουν προτεραιότητα στη σύνθεση μόνο ενός επιθυμητού χειρόμορφου μορίου και όχι στην κατοπτρική του εικόνα. Κατάφεραν να εκμεταλλευτούν το γεγονός ότι τα βιολογικά ένζυμα είναι ήδη χειρόμορφα καθώς ανέπτυξαν το πεδίο της οργανοκατάλυσης.

Αυτή η ανάρτηση έχει ενημερωθεί με πρόσθετες λεπτομέρειες σχετικά με το βραβευμένο έργο.

Ο David Julius και ο Ardem Patapoutian κέρδισαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής 2021. Ο Klaus Hasselmann, ο Syukuro Manabe και ο Giorgio Parisi μοιράστηκαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής.