Letošnji Nobel za kemijo: od natančnejših zdravil do izvora življenja
Nobel za kemijo sta prejela Henri Kagan in Kenso Soai. Njuno delo pomaga razumeti zrcalne molekule, pomembne za zdravila, in eno od ugank nastanka življenja.
Prva stran dneva
Dnevni pregled najpomembnejših zgodb doma in po svetu.
Za hitre novice, aktualne teme in zanimive vsebine izberite Svet24 za svoj prednostni vir na Googlu.
Nastavi
Kraljeva švedska akademija znanosti je letošnjo Nobelovo nagrado za kemijo podelila francoskemu kemiku Henriju B. Kaganu in japonskemu kemiku Kensu Soaiju za odkritje nelinearnih učinkov in avtokatalize v asimetrični organski sintezi. Nagrajenca si bosta razdelila 12 milijonov švedskih kron, so ob razglasitvi sporočili v Stockholmu.
Za precej tehničnim poimenovanjem se skriva problem, s katerim se kemija srečuje pri številnih snoveh, tudi pri zdravilih.
Nekatere molekule lahko obstajajo v dveh oblikah, ki sta med seboj podobni kot leva in desna roka. Imata enake sestavne dele, toda ene ni mogoče preprosto položiti na drugo. Kemiki temu pravijo kiralnost.
V navadnem okolju se lahko zdita obe različici skoraj enaki. Ko prideta v človeško telo, pa ni nujno tako. Tudi receptorji, encimi in druge biološke strukture imajo svojo prostorsko obliko. Zaradi tega lahko telo dve zrcalni različici iste molekule prepozna različno.
Ameriška agencija za hrano in zdravila FDA v smernicah za razvoj takšnih zdravil opozarja, da se lahko zrcalni obliki iste učinkovine razlikujeta po absorpciji, presnovi, delovanju in tudi po morebitnih neželenih učinkih. Prav zato morajo proizvajalci pri razvoju zdravil vedeti, katera oblika je v pripravku in kako se posamezna različica obnaša v telesu.
Ko je pomembno, katera molekula nastane
Za farmacevtsko kemijo zato ni dovolj, da zna izdelati pravo snov. Pomembno je tudi, da zna izdelati njeno pravo prostorsko obliko.
Če reakcije nič ne usmerja, lahko pri nastajanju kiralne molekule dobimo obe zrcalni različici. Kemiki se temu poskušajo izogniti z asimetrično sintezo, pri kateri reakcijo usmerijo tako, da nastaja predvsem želena oblika.
Prav na tem področju je Kagan v osemdesetih letih opazil nenavaden pojav. Majhna začetna prednost ene oblike se v nekaterih reakcijah ni ohranila samo kot majhna prednost v končnem izdelku. Kemijski sistem jo je lahko še povečal.
Kagan in sodelavci so pojav leta 1986 opisali v reviji Journal of the American Chemical Society. Pokazali so, da razmerje med sestavo katalizatorja in končnim izdelkom ni vedno preprosto in sorazmerno. Takšni nelinearni učinki so pozneje postali tudi pomemben način za razumevanje dogajanja med asimetričnimi katalitičnimi reakcijami.
To je kemikom pomagalo razumeti, da lahko zelo majhna začetna razlika med dvema zrcalnima oblikama sproži precej večjo razliko v končnem rezultatu.
Soai je nato pokazal, da je lahko takšno ojačevanje še veliko izrazitejše.
Reakcija, ki začne pospeševati samo sebe
Soai in njegovi sodelavci so leta 1995 v reviji Nature opisali reakcijo, pri kateri nastali produkt pomaga ustvarjati nove molekule iste snovi. Pojavu pravimo avtokataliza. Posebnost njihove reakcije je bila v tem, da se je ob tem povečevala tudi prevlada ene zrcalne oblike.
Proces si je mogoče predstavljati kot proizvodnjo, pri kateri vsak nov izdelek pomaga izdelovati naslednje. Če se na začetku pojavi nekoliko več ene molekularne oblike, ta pomaga ustvarjati dodatne molekule enake usmerjenosti. Njena prednost zato raste.
Soaijevo odkritje je bilo pomembno predvsem zato, ker je pokazalo, da lahko kemijski sistem zelo majhno začetno neravnovesje sam močno poveča. Pregled njegovega dela, objavljen v znanstveni literaturi, opisuje primere, v katerih je iz komaj zaznavne začetne razlike nastala skoraj popolna prevlada ene zrcalne oblike.
Prav tu se dela obeh letošnjih nagrajencev povežeta. Kagan je pokazal, da majhna začetna asimetrija ni nujno povezana samo z enako majhno razliko na koncu reakcije. Soai pa je odkril kemični sistem, v katerem se takšna prednost med potekom reakcije vedno znova krepi.
Zakaj je to pomembno za zdravila
Njuna odkritja sama po sebi niso recept za novo zdravilo. Njihov pomen je širši, saj so del razvoja kemije, ki skuša reakcije nadzorovati dovolj natančno, da nastane čim več želene molekule in čim manj snovi, ki jih je treba pozneje odstraniti.
To je posebej pomembno v farmacevtski industriji. Pregled raziskav, objavljen leta 2023 v reviji Chemical Reviews, ugotavlja, da je napredek asimetrične katalize omogočil učinkovitejšo in natančnejšo pripravo številnih zdravilnih učinkovin ter razvoj postopkov, ki so lahko primernejši tudi za proizvodnjo v industrijskem merilu.
Sodobna zdravila so pogosto prostorsko zelo zapletene molekule. Raziskovalci zato iščejo načine, kako želeno različico izdelati neposredno, namesto da najprej nastane mešanica in je treba pravo obliko iz nje šele ločiti.
Razlika je pomembna tudi gospodarsko in okoljsko. Če reakcija že od začetka proizvaja predvsem tisto snov, ki jo proizvajalec potrebuje, se lahko zmanjša količina porabljenih surovin, topil in energije, manj pa je lahko tudi neželenih stranskih produktov. Pregled industrijskih postopkov v reviji Nature Reviews Drug Discovery je prav zmanjševanje nastajanja neželenih zrcalnih oblik izpostavil kot enega od razlogov za razvoj stereoselektivnih postopkov v farmacevtski proizvodnji.
Razvoj na tem področju se nadaljuje. Pregled, objavljen letos v reviji ACS Central Science, asimetrično katalizo izpostavlja kot eno ključnih poti do učinkovitejše in trajnostnejše proizvodnje čistih kiralnih spojin. Avtorji opozarjajo, da so takšne molekule pomembne predvsem za farmacijo in razvoj novih funkcionalnih materialov.
Znanstveniki želijo zato postopke razširiti na več vrst molekul, zmanjšati količino potrebnih katalizatorjev in doseči enako natančnost tudi pri zahtevnejših reakcijah ter v velikih proizvodnih obratih.
Vprašanje, ki sega precej dlje od farmacije
Soaijeva reakcija je postala pomembna tudi iz povsem drugega razloga.
Življenje na Zemlji je na molekularni ravni presenetljivo enostransko. Aminokisline, iz katerih nastajajo beljakovine, organizmi praviloma uporabljajo v eni zrcalni obliki, sladkorji v ključnih bioloških molekulah pa imajo prav tako zelo določeno usmerjenost.
Takšno prevlado ene oblike imenujemo homokiralnost. Po pregledu Donne Blackmond iz raziskovalnega inštituta Scripps je prav enostranskost temeljnih bioloških molekul ena od značilnosti življenja, njen nastanek iz okolja, v katerem bi lahko obstajali obe obliki, pa ostaja eno od odprtih vprašanj kemijskega izvora življenja.
Vprašanje je preprosto zastaviti, precej težje pa nanj odgovoriti. Če sta bili na začetku obe obliki enako mogoči, zakaj danes skoraj vsa zemeljska biologija uporablja eno?
Že leta 1953 je britanski znanstvenik Charles Frank predlagal, da bi lahko zelo majhna začetna razlika sprožila proces, v katerem bi ena oblika začela spodbujati svoje nadaljnje nastajanje. Dolga desetletja je bila to predvsem teoretična možnost.
Soaijev poskus je pokazal, da je takšno ojačevanje mogoče tudi v resnični kemični reakciji. Blackmond je zato njegovo delo opisala kot eksperimentalno potrditev koncepta, ki je bil predlagan skoraj pol stoletja prej.
Prva stran dneva
Dnevni izbor najpomembnejših zgodb doma in po svetu, dostavljen neposredno v vaš e-poštni nabiralnik.
