Конструктор Lego на молекулярному рівні: за що дали Нобеля з хімії і яку користь принесе відкриття

5 жовтня стали відомі лауреати Нобелівської премії з хімії.

Її отримали Каролін Бертоцці зі Стенфордського університету, Мортен Мелдал з Копенгагенського університету та Баррі Шарплесс із дослідницького центра "Scripps Research" у Каліфорнії.

Лауреати запровадили і використали на практиці "клік-хімію", у якій молекулярні будівельні блоки швидко й ефективно з’єднуються разом.

Винахід знанчо пришвидшує утворення нових хімічних сполук для ліків від різних хвороб.

Зокрема, йдеться про препарати від онкозахворюваннь, які зможуть краще націлюватися саме на злоякісні клітини.

Відкриття вчених назвали революційними, а хімічні реакції, які вони винайшли та почали використовувати, елегантними та ефективними.

Про те, чим цінне для науки відкриття "клік-хімії" і яку користь воно принесе, розповідають доцент Чернівецького національного університету Юрій Халавка, а також науковці у виданнях The Washington Post і The Guardian.

Що таке "клік-хімія"

"Клік-хімія" – це науковий підхід, який використовується при створенні нових хімічних речовин і полягає у швидкому з'єднанні молекул між собою.

Юрій Халавка каже, що "клік-хімія" отримала свою назву саме через певне спрощення складних процесів. Клікнув – і отримав результат.

За словами члена Нобелівського комітету з хімії, професора Улофа Рамстрема, як з деталей конструктора можна збудувати будинки, транспортні засоби і навіть космічні кораблі, так і "клік-хімія" дозволяє будувати різноманітні сполуки тільки на молекулярному рівні.

Юрій Халавка пояснює, що зазвичай хіміки синтезують ліки або якусь важливу молекулу дуже довго і в кілька етапів.

ohan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

"Ви берете один фрагмент молекули, додаєте другий, третій, четвертий тощо. В результаті у вас може бути 5-6 стадій реакцій синтезу, і на кожній стадії у вас є втрати і додаткові побічні продукти. Це ускладнює пошук нових ліків", – говорить він.

[L]

"Клік-хімія" дозволяє оптимізувати ці процеси.

"Для реакцій створюються відносно прості умови, навіть у воді, тобто в таких середовищах, які легко отримати. Такі реакції цікаві тим, що вони суттєво спрощують процес.

Плюс це дозволяє більш активно проводити пошук, коли ви хочете дослідити цілий клас сполук, і кожну треба синтезувати довго і нудно. Зазвичай синтезуються 1-2 сполуки, а, синтезуючи швидко, можна отримати 10-20, і серед них можуть бути потенційні ліки", – говорить він.

Він порівнює цей процес з застібкою рюкзака, вимикачем або поясом, який просто треба застібнути, щоб утворити зв’язок.

"Насправді, в хімії не всі зв’язки, які є в природі, можна легко зробити штучно. І варіанти кліків дозволяють отримати подібні молекули", – каже Юрій Халавка.

Член Нобелівського комітету з хімії професор Улоф Рамстрем вважає винахід та запровадження "клік-хімії" фантастичним.

"Науковці працювали над тим, щоб спробувати з’єднати молекули, як будівельні блоки, щоб це було дуже просто та зрозуміло, по суті, так само, як конструктор Lego", – додає Рамстрем.

Професор Йохан Аквіст, голова Нобелівського комітету, порівнює хімію-кліків з прикріпленням маленьких хімічних пряжок до молекулярних будівельних блоків, щоб їх можна було з’єднати разом. Фокус, за його словами, полягав у тому, щоб знайти пряжки, які би зв’язувалися одна з одною.

"Головне – з’єднати молекули разом. Уявіть, що ви можете прикріпити маленькі хімічні пряжки до різних типів будівельних блоків. Тоді ви могли б з’єднати ці пряжки разом і виробляти молекули більшої складності та різноманітності", – говорить він.

Ідею з "пряжками" Баррі Шарплесс придумав ще близько 20 років тому. Проблема полягала в тому, щоб знайти "хороші хімічні пряжки".

Шарплесс та Мортан Мелдал у дослідженнях, які вони проводили паралельно і незалежно один від одного, використовували мідь, як каталізатор для з’єднання молекул. Результат виявився ефективним.

Реакції всередині живих організмів

Кароліна Бертоцці використала клік-хімію, щоб розробити "біоортогональні" реакції, які безпечно протікають всередині живих організмів, не порушуючи їх біохімію.

Юрій Халавка пояснює, що створення складних сполук частіше відбувається у живому організмі, ніж у лабораторії.

"Колись гриби використовувалися для отримання пеніциліну, бо гриб це робить, краще ніж хіміки. Зараз є багато клітин, зокрема кишкова паличка, яких генно-модифікують для отримання сполук. Всі процеси відбуваються в клітині, але при цьому не впливають на їхню життєдіяльність", – каже він.

Фото: NataliMis/Depositphotos

Якщо на клітину впливати зовні, вона зруйнується. Завдання вчених полягало в тому, щоб знайти такі реакції, які будуть відбуватися у клітині, стимулювати їх, але при цьому вона не буде руйнуватися.

"Це відкрило багато інструментів при дослідженні процесів у клітинах. Можна фарбувати певні ділянки молекул, і стежити, як засвоюються ті чи інші поживні речовини", – говорить Юрій Халавка.

Цей метод також дозволяє вченим спостерігати, як поводяться молекули, наприклад, коли вірус заражає клітину.

Тобто відкриття дозволило вченим відстежувати рух біомолекул у клітинах і таким чином ще більш ретельно досліджувати живі організми.

Яку користь людству принесе відкриття

Відкриття лауреатів дозволять вченим націлитися безпосередньо на хворі клітини. Це може допомогти ефективніше лікувати рак, запалення, діабет, хвороби серця і навіть COVID-19.

Колишній директор Національного інституту здоров’я США Френсіс Коллінз каже, що "клік-хімія" покращує "націлювання" ліків від раку безпосередньо на пухлину. Деякі з них наразі проходять клінічні випробування.

Том Браун, професор хімії нуклеїнових кислот Оксфордського університету погоджується, що концепція хімії клацання стала "революційною" в багатьох областях хімії, матеріалознавства, біології та медицини.

Дослідження, які відзначили премією, охоплюють принаймні два десятиліття, але "у багатьох відношеннях ця технологія все ще знаходиться в зародковому стані", вважає Анджела Вілсон, президентка Американського хімічного товариства.

Фото: AndreyPopov/Depositphotos

"Ми багато говоримо про персоналізовану медицину, і я думаю, що це допоможе відкрити двері для цього в майбутньому", – каже вона.

За її словами, методи, які використовуються для зв’язування молекул, також можуть застосовуватися для відновлення пошкодженої тканини та читання генетичного коду людей, тварин і рослин.

Відкриття також мають промислове застосування, зокрема розробку способів запобігання корозії та відбілювачів, які використовуються для очищення пластику.

За словами Юрія Халавки, в Україні є компанії, які є постачальниками реагентів для реакцій клік-хімії.

"Вони постачають молекули для дизайну ліків на світові ринки і мають пакети, які можуть використовувати для клік-хімії", – каже він.

Яна Осадча, "УП. Життя".