Οι καινοτόμοι που κατασκευάζουν μόρια κερδίζουν το Νόμπελ Χημείας
Η Carolyn Bertozzi, ο Morten Meldal και ο K. Barry Sharpless τιμήθηκαν με το Νόμπελ Χημείας 2022 για την ανάπτυξη της χημείας κλικ και της βιοορθογωνικής χημείας. Η χημεία κλικ έφερε επανάσταση στις επιλογές που ήταν διαθέσιμες στους χημικούς για τη δημιουργία των μορίων που επιθυμούν. Η βιοορθογωνική χημεία κατέστησε δυνατή την παρακολούθηση των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν μέσα στα ζωντανά κύτταρα χωρίς να τα βλάψει.
«Τα πάντα έχουν να κάνουν με το να συνδυάζουμε μόρια μαζί», είπε ο Johan Åqvist, πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ για τη Χημεία, κατά τη διάρκεια της ανακοίνωσης. Φανταστείτε, είπε στο κοινό, ότι θα μπορούσατε να συνδέσετε μικρές χημικές πόρπες σε μια δέσμη διαφορετικών τύπων μοριακών δομικών στοιχείων και στη συνέχεια να συνδέσετε αυτές τις πόρπες μεταξύ τους για να παράγετε πολύπλοκα μόρια. Αυτή η ιδέα, που προτάθηκε από τον Barry Sharpless του Ερευνητικού Ινστιτούτου Scripps πριν από περίπου 20 χρόνια, έγινε αργότερα πραγματικότητα όταν αυτός και ο Morten Meldal του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης βρήκαν ανεξάρτητα τους πρώτους τέλειους υποψηφίους για τη δουλειά. Οι αγκράφες τους έσπασαν εύκολα μεταξύ τους και δεν συνδέονταν με τίποτα που δεν έπρεπε.
Στη συνέχεια, το 2003, η Carolyn Bertozzi πρότεινε ότι η χημεία κλικ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μελέτες βιολογικών συστημάτων για να διευκολύνει την παρατήρηση ζωτικών κυτταρικών διεργασιών χωρίς να παρεμβαίνει σε αυτές. Η Bertozzi ονόμασε αυτή τη «βιοορθογώνια» χημεία σε μια εργασία που δημοσίευσε εκείνη και οι συνάδελφοί της εκείνη τη χρονιά. Έκτοτε, ο όρος έχει υιοθετηθεί ευρέως στο πεδίο.
Η ικανότητα να εκτελούνται σύνθετες αντιδράσεις σε ζωντανά συστήματα χωρίς να παρεμβαίνουν σε φυσικές βιολογικές αντιδράσεις κατέστησε δυνατή τη μελέτη μορίων και κυτταρικών διεργασιών σε κύτταρα και μέσα σε πολύπλοκους οργανισμούς όπως τα ψάρια ζέβρα, αντί σε πιάτα εργαστηρίου. Έχει ήδη βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν μια σημαντική αντίδραση επεξεργασίας πρωτεϊνών που ονομάζεται γλυκοζυλίωση, βοήθησε στην ανάπτυξη μορίων μοριακής απεικόνισης που θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ασθένειες σε ζωντανούς οργανισμούς και άνοιξε τη δυνατότητα επιλεκτικής παροχής φαρμάκων σε συγκεκριμένους ιστούς του σώματος.
Αυτά τα ευρήματα «οδήγησαν σε μια επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι χημικοί σκέφτονται να συνδέουν μόρια μεταξύ τους και πώς να το κάνουν σε ζωντανά κύτταρα», είπε ο Åqvist.
Η σημερινή ανακοίνωση σηματοδοτεί τη δεύτερη φορά που ο Sharpless κέρδισε το Νόμπελ Χημείας. Το 2001, μοιράστηκε το βραβείο με τους William Knowles και Ryoji Noyori για την ανάπτυξη της καταλυτικής ασύμμετρης σύνθεσης.
Τι είναι η χημεία κλικ;
Ο Sharpless πέρασε μεγάλο μέρος της δεκαετίας του 1990 εξετάζοντας την ανάγκη να βρεθούν λιγότερο δύσκαμπτοι τρόποι για τη σύνθεση πολύπλοκων μορίων. Η σκέψη του κορυφώθηκε σε μια εργασία του 2001 στην οποία ο ίδιος και οι συνεργάτες του πρότειναν τον όρο «click chemistry» για να αναφέρεται σε οποιαδήποτε αντίδραση που συνδέει τα μοριακά δομικά στοιχεία μεταξύ τους με αποτελεσματικό, συγκεκριμένο και γρήγορο τρόπο. Λίγο μετά τη δημοσίευση της εργασίας, οι Meldal και Sharpless ανακάλυψαν ανεξάρτητα την πρώτη αντίδραση χημείας κλικ:μια εξαιρετικά χρήσιμη αντίδραση που ονομάζεται κυκλοπροσθήκη αζιδίου-αλκυνίου που καταλύεται από χαλκό.
Στη μία πλευρά της αντίδρασης βρίσκεται ένα αζίδιο, ένα μόριο που έχει τρία άτομα αζώτου στη σειρά. Στην άλλη πλευρά είναι ένα αλκύνιο, ένα μόριο στο οποίο δύο άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με έναν τριπλό δεσμό. Από μόνα τους, αυτά τα δύο δομικά στοιχεία δεν είναι πολύ αντιδραστικά:Αναμειγνύονται μεταξύ τους, αργούν να αντιδράσουν και να δώσουν ένα μείγμα προϊόντων. Αλλά οι Meldal και Sharpless συνειδητοποίησαν χωριστά ότι εάν πρόσθεταν λίγο χαλκό στο μείγμα, η αντίδραση επιταχύνθηκε δραματικά και οδήγησε κυρίως σε ένα σταθερό προϊόν γνωστό ως τριαζόλη.
Προσθέτοντας στρατηγικά «ετικέτες» αζιδίου και αλκυνίου στα μόρια, οι χημικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτήν την καταλυόμενη από χαλκό αντίδραση για να τα συνδέσουν με ακρίβεια σε πολύ μεγαλύτερα μόρια με συγκεκριμένες δομές.
Η καταλυόμενη από χαλκό αντίδραση κέρδισε αμέσως «τεράστιο ενδιαφέρον» σε όλη τη χημεία και τους συναφείς τομείς, δήλωσε ο Olof Ramström της επιτροπής Νόμπελ κατά τη διάρκεια της ανακοίνωσης. Αν και έχουν βρεθεί άλλες αντιδράσεις χημείας κλικ, «αυτή η συγκεκριμένη αντίδραση έχει γίνει σχεδόν συνώνυμη με την έννοια της χημείας κλικ και συχνά ονομάζεται αντίδραση κλικ», είπε ο Ramström. "Μπορείτε να πείτε ότι εξακολουθεί να είναι η κορωνίδα των αντιδράσεων κλικ."
Τι είναι η βιοορθογωνική χημεία;
Το 2003, ο Bertozzi επινόησε τον όρο «βιοορθογωνική χημεία» για κάθε είδους χημική αντίδραση που θα μπορούσε να συμβεί μέσα σε ένα ζωντανό σύστημα χωρίς να παρεμβαίνει σε αυτό ή να το βλάπτει. Είναι η χημεία κλικ που μπορεί να εφαρμοστεί σε ζωντανούς οργανισμούς.
Οι σπόροι αυτής της ιδέας φύτρωσαν τη δεκαετία του 1990, όταν ο Bertozzi άρχισε να μελετά μια συγκεκριμένη γλυκάνη, ή σύνθετο σάκχαρο που βρέθηκε στην επιφάνεια των κυττάρων. Η διεξαγωγή έρευνας για αυτή τη γλυκάνη δεν ήταν εύκολη με τις χημικές τεχνικές που ήταν διαθέσιμες εκείνη την εποχή. Αλλά αφού άκουσε έναν άλλο επιστήμονα να δίνει ένα σεμινάριο σχετικά με την παρακίνηση των κυττάρων για να παραχθεί ένα αφύσικο μόριο σακχάρου, η Bertozzi εμπνεύστηκε να σκεφτεί εάν θα μπορούσε να κάνει κάτι παρόμοιο για να χαρτογραφήσει τις γλυκάνες στα κύτταρα. Τότε ξεκίνησε η εργασία της στη βιοορθογωνική χημεία.
Πώς χρησιμοποιείται η βιοορθογωνική χημεία για τη μελέτη ζωντανών συστημάτων;
Ο Bertozzi βρήκε έναν απλό τρόπο παρακολούθησης γλυκανών σε ένα κύτταρο. Πρώτον, μεγάλωσε κύτταρα κοντά σε ένα τροποποιημένο σάκχαρο που ήταν συνδεδεμένο με ένα αζίδιο. Τα κύτταρα πήραν το τροποποιημένο σάκχαρο και το ενσωμάτωσαν σε γλυκάνες στην επιφάνειά τους. Στη συνέχεια ο Bertozzi πρόσθεσε στο μείγμα ένα αλκύνιο που είχε ένα φθορίζον μόριο συνδεδεμένο σε αυτό. Το αλκίνιο υπέστη αντίδραση κρότου με το τροποποιημένο σάκχαρο και προσάρτησε το φθορίζον μόριο σε αυτό. Με αυτή την απλή αντίδραση, οι γλυκάνες έλαμψαν με πράσινο χρώμα και αυτό επέτρεψε στον Bertozzi να παρακολουθεί τις κινήσεις τους στις κυτταρικές μεμβράνες κάτω από ένα μικροσκόπιο.
Σήμερα, ο Bertozzi, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, παρακολουθεί τις γλυκάνες που βρίσκονται στην επιφάνεια των καρκινικών κυττάρων. Αυτή η εργασία της έδωσε τη δυνατότητα να ανακαλύψει ότι ορισμένες γλυκάνες προστατεύουν τα καρκινικά κύτταρα από το ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος. Τα ευρήματά της άνοιξαν δρόμους για την ανοσολογική θεραπεία του καρκίνου, με πολλούς ερευνητές να εργάζονται για να βρουν αντισώματα με «κλικ» για να στοχεύουν διαφορετικούς τύπους όγκων. Η Bertozzi και η ομάδα της εργάζονται επίσης για αυτό το πρόβλημα. Δημιούργησαν ένα νέο φάρμακο, το οποίο βρίσκεται σε κλινικές δοκιμές επί του παρόντος, που στοχεύει και καταστρέφει τις γλυκάνες στην επιφάνεια των καρκινικών κυττάρων.
Ποιες είναι άλλες εφαρμογές για κλικ χημεία και βιοορθογωνική χημεία;
Η παρακολούθηση των κινήσεων των μορίων μέσω και μεταξύ των κυττάρων είναι μόνο μία από τις πολλές εφαρμογές για χημεία κλικ και βιοορθογωνική χημεία.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των τεχνικών είναι ότι δεν εισάγουν ανεπιθύμητα υποπροϊόντα στα μείγματα αντίδρασης — λειτουργούν με καθαρή απόδοση που επιτρέπει στους επιστήμονες να δημιουργούν προσεκτικά πολύπλοκα μόρια για διάφορους σκοπούς.
Η χημεία κλικ έχει επιτρέψει τεράστια βήματα στην ανάπτυξη φαρμάκων, την αλληλουχία DNA, τη σύνθεση «έξυπνων» υλικών και σχεδόν οποιαδήποτε άλλη εφαρμογή στην οποία οι χημικοί χρειάζονται απλώς να συνδέσουν ζεύγη δομικών στοιχείων, είπε ο Ramström. Οι ερευνητές μπορούν τώρα να προσθέσουν εύκολα λειτουργικότητα σε ένα ευρύ φάσμα υλικών, για παράδειγμα κάνοντας κλικ σε χημικές επεκτάσεις που μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό ή να συλλάβουν το ηλιακό φως.
Οι βιοορθογωνικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διερεύνηση ζωτικών διεργασιών στα κύτταρα και αυτές οι εφαρμογές είχαν τεράστιο αντίκτυπο στους τομείς της βιολογίας και της βιοχημείας. Οι ερευνητές μπορούν να διερευνήσουν πώς αλληλεπιδρούν τα βιομόρια μέσα στα κύτταρα και μπορούν να απεικονίσουν ζωντανά κύτταρα χωρίς να τα διαταράξουν. Σε μελέτες ασθενειών, οι βιοορθογωνικές αντιδράσεις είναι χρήσιμες για τη μελέτη όχι μόνο των κυττάρων των ασθενών αλλά και εκείνων των παθογόνων:Οι πρωτεΐνες στα βακτήρια μπορούν να επισημανθούν για να ακολουθήσουν τις κινήσεις τους στο σώμα. Οι ερευνητές αρχίζουν επίσης να αναπτύσσουν κατασκευασμένα αντισώματα που μπορούν να κάνουν κλικ στους στόχους όγκων τους για να προσφέρουν θεραπείες για τον καρκίνο με μεγαλύτερη ακρίβεια.
«Αυτά τα πολύ σημαντικά επιτεύγματα και αυτές οι πραγματικά φανταστικές ανακαλύψεις από τους τρεις βραβευθέντες μας έχουν πραγματικά τεράστιο αντίκτυπο στη χημεία και στην επιστήμη γενικότερα», είπε ο Ramström. "Για αυτό, ήταν πραγματικά προς το μέγιστο όφελος της ανθρωπότητας."
Ποιος κέρδισε το Νόμπελ Χημείας τα τελευταία χρόνια;
Πέρυσι, ο Benjamin List και ο David MacMillan κέρδισαν το βραβείο για την ανάπτυξη της ασύμμετρης οργανοκατάλυσης. Το 2020, η Emmanuelle Charpentier και η Jennifer Doudna αναγνωρίστηκαν για την ανάπτυξη της γενετικής επεξεργασίας CRISPR/Cas9. Ο John Goodenough, ο M. Stanley Whittingham και ο Akira Yoshino μοιράστηκαν το βραβείο 2019 για την ανάπτυξη μπαταριών ιόντων λιθίου, «τα κρυφά άλογα εργασίας της εποχής των κινητών». Το βραβείο του 2018 πήγε στους Frances H. Arnold, George P. Smith και Gregory P. Winter για την αξιοποίηση της δύναμης της εξέλιξης για την παραγωγή νέων, ευεργετικών ενζύμων που χρησιμοποιούνται σε φαρμακευτικά προϊόντα, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, βιομηχανική χημεία και πολλούς άλλους τομείς. Και το 2017, οι Jacques Dubochet, Joachim Frank και Richard Henderson μοιράστηκαν το βραβείο για τη βελτίωση της κατάστασης της βιολογικής απεικόνισης.
