Велике відкриття, якого ми не помітили. Як цьогорічна Нобелівська премія з хімії стала важливою частиною нашого життя

Цього року Нобелівську премію з хімії отримають двоє вчених: Беньямін Ліст із Німеччини та Девід Макміллан зі США. Вони створили новий клас каталізаторів — «інструментів», завдяки яким можна відносно легко, швидко і з меншою шкодою для довкілля проводити у промислових масштабах безліч різних хімічних реакцій, зокрема для виробництва ліків.

По-перше, слід сказати, що робота цьогорічних нобелівських лауреатів уже виявилася корисною на практиці. Це саме той випадок, коли досягнення науки вже застосовуються широко й успішно.

По-друге, нагороду присудили справді за «хімічну» тему: нерідко буває, що Нобелівську премію з хімії дають за дослідження, тісно пов’язані з біологією. Так було, скажімо, торік, коли двоє дослідниць отримали премію за так звані «генетичні ножиці».

А по-третє, вона показує, що вдалі рішення часом лежать на поверхні, проте довго залишаються непоміченими через свою очевидність.

Хімічні прискорювачі

Щоб зрозуміти, чому роботи Беньяміна Ліста й Девід Макміллана такі важливі, спершу варто згадати, що таке каталізатори й навіщо вони потрібні. У XIX столітті хіміки звернули увагу на деякі «підозрілі» хімічні реакції: наприклад, із пероксидом водню. Це добре відома речовина, яка використовується, зокрема, для дезінфекції та продається в кожній аптеці. Її формула — H2O2 — по два атоми водню й кисню.

Виявилося, що в контакті зі сріблом вона розкладається на воду і кисень, разом із цим срібло (важлива умова для цієї реакції) геть не змінюється. Шведський хімік Єнс Якоб Берцеліус зауважив, що ця та інші подібні реакції — частина окремого явища, яке потім отримало назву «каталізу».

Річ у тім, що певні хімічні реакції потребують каталізаторів –— речовин, які не взаємодіють із іншими, але допомагають їм об’єднуватися між собою або, навпаки, «розламують» їхні молекули на менші.

Каталізатори всередині нас 

Наше життя без каталізаторів було б, щиро кажучи, неможливим. У клітинах людського організму постійно відбуваються численні хімічні процеси: все завдяки ензимам, або ж ферментам, які грають роль тих самих каталізаторів. Ензими — дуже великі білкові молекули складної форми, у сотні разів більші за молекули води чи пероксиду водню.

Саме завдяки ним у наших тілах утворюється необхідний організму холестерол, а в рослинах — хлорофіл: речовина, що робить їх зеленими та забезпечує фотосинтез, який лежить в основі роботи майже всіх екосистем. Тож свою роботу ензими виконують надзвичайно вправно.

Третина світового ВВП

Інший клас каталізаторів — це метали на кшталт уже згаданого срібла. Власне, до початку 21 століття не було відомо жодних інших. Але ті, що стосувалися промисловості, грали украй важливу роль: вважається, що близько третини(!) усього світового ВВП в той чи інший спосіб пов’язані з хімічним каталізом.

Проблеми каталізаторів

Менше з тим, дослідники працювали над створенням нових каталізаторів. Адже ензими дуже складні, тож потрібні радше живим організмам, а не, скажімо, виробникам ліків. Метали натомість теж мають свої вади: вони дуже чутливі до кисню та води, тому використовувати їх можна лише за певних умов. Це відносно нескладно реалізувати в лабораторії, проте набагато важче, якщо йдеться про великі масштаби виробництва хімічних речовин.

Діамант на дорозі 

У 90-х роках минулого століття в центрі Scripps Research в Каліфорнії група дослідників намагалася створити нові каталізатори на основі ензимів. (До речі, саме в цій установі працює цьогорічний Нобелівський лауреат в галузі медицини Ардем Патапутян, про чиї дослідження hromadske писало раніше).

Одним із учасників групи був Беньямін Ліст. Його цікавило, як саме працюють ензими. Деякі з них мають у своєму складі атом металу, важливого для процесу каталізу, проте не всі. В таких сполуках основна робота лежить на одній або кількох амінокислотах — відносно малих молекулах, з яких складаються всі білки. Але зазвичай до складу ензимів входять сотні амінокислот. Чи можуть ті одна чи дві працювати без участі інших понад 99%?

Ще в 70-х роках, за чверть століття до того, як це питання почав досліджувати Ліст, інші науковці з’ясували: щонайменше одна з амінокислот, пролін, може слугувати каталізатором. Але роботи в цьому напрямку ніхто не продовжував — очевидно, через те, що великих перспектив у цього напрямку не бачили. Приблизно так і думав майбутній нобелівський лауреат, коли без марних сподівань вирішив спробувати пролін в якості каталізатора — і дізнався, що свою роботу той виконує бездоганно! Ба більше, це стало не єдиною хорошою новиною.

Проблема дзеркальних двійників

Щоб зрозуміти, в чому ж річ, слід пригадати, чим права рука відрізняється від лівої: вони є ніби дзеркальним відображенням одна одної. Дві написані на папері літери можна накласти одна на одну так, аби зображення знову стало єдиним. А от «посунути» одну руку людини так, щоб вона цілком збігалася за формою з іншою не вийде ніяк.

Це явище часто можна спостерігати серед органічних молекул, і воно є дуже важливим. Дві молекули однієї речовини можуть мати геть однакову будову, але відрізнятися так само, як права рука від лівої. До прикладу можна навести пахучі молекули лімонену: вони можуть бути, умовно кажучи, «правими» або «лівими» — один різновид обумовлює запах лимону, а інший — апельсину.

Цікавинка в тому, що наші тіла складаються саме з «однобоких» амінокислот. Інші (себто їхні «віддзеркалення») не можуть брати участі в біологічних процесах. «Дзеркальність» також украй вагома для деяких ліків — скажімо, у певних ситуаціях спрацюють лише «праві» або лише «ліві» молекули, тоді як їхні «близнюки» завдадуть шкоди.

Відділити кукіль від пшениці

Проблема в тому, що в хімічних реакціях, які проводять люди, а не вправні ензими, зазвичай утворюються в рівній кількості «праві» та «ліві» молекули. Якщо йдеться про ліки — тут слід зробити так, щоб формувався лише потрібний нам вид молекул без їхніх «дзеркальних двійників». Або в якийсь спосіб розділити суміш «лівих» та «правих».

Так от, Беньямін Ліст виявив, що пролін є не просто каталізатором, а ще й надає перевагу одному із двох «дзеркальних» різновидів молекул. Тепер простіше зрозуміти, чому, згідно з офіційним формулюванням, цьогорічну премію присудили за «розвиток асиметричного органокаталізу». Результати свого відкриття Ліст опублікував іще у 2000-му році.

Розчарований металами

Девіда Макміллана, який працював в Гарварді, спершу більше цікавили каталітичні властивості металів: він також хотів досягнути асиметричного результату, проте в інший спосіб. Втім, промисловість не надто охоче брала на озброєння каталізатори на основі металів: вони були дорогими та складними у використанні.

Зрештою Макмілан вирішив облишити метали, переїхав працювати в Берклі (США) та взявся до простих органічних молекул. Теоретично він розумів, які саме характеристики повинні мати молекули, щоб стати каталізаторами, тож пізніше знайшов такі, випробував та отримав бажаний результат — вони не лише «запускали» хімічну реакцію, але й надавали значну перевагу одному з двох можливих дзеркальних видів молекул.

Свою наукову статтю дослідник подав до друку на початку 2000-го року — ще до того, як вийшла стаття Ліста. Саме Макміллан запропонував термін «органокаталіз».

Каталітична лихоманка

Після виходу публікацій Ліста й Макміллана стався бум: інші дослідники почали створювати нові органічні каталізатори для різноманітних хімічних реакцій за схожими принципами.

Більшість подібних речовин виявилася дуже ефективною. Ось один із прикладів.

Стрихнін — це сильна отрута, що входить до складу тропічної рослини чилібухи. Штучно її вперше синтезували в 1952-му році. Тоді, щоб отримати складні молекули стрихніну, довелося провести аж 29 хімічних реакцій. Разом із цим вихід готової речовини становив менше тисячної долі відсотка — тобто понад 99% вихідних речовин втратилося.

У 2011 році той-таки стрихнін отримали вже за допомогою нових каталізаторів. Для цього знадобилося лише 12 різних хімічних реакцій, а ефективність синтезу зросла у сім тисяч разів!

Фармацевтика і довкілля 

Органокаталіз, який став доступний завдяки роботам Ліста й Макмілана, нині широко застосовується там, де раніше цінні речовини доводилося добувати з рідкісних рослин чи глибоководних організмів. Його використовують для виробництва різних ліків: наприклад, озельтамівіру (препарату від грипу) або пароксетину, який призначають в разі депресій та деяких інших розладів.

Ще одна перевага органокаталізу полягає в тому, що хімічне виробництво з ним стало не просто легшим, а й значно менше шкодить довкіллю.

З історії хімічної нобелівки  

Торік Нобелівська премія з хімії дісталася двом дослідницям — Еммануель Шарпентьє (Німеччина) і Дженніфер Дудні (США) за створення технології редагування генома CRISPR/Cas9, відомої також як «генетичні ножиці». Це інструмент, що дозволяє вносити зміни в молекули ДНК, у яких зберігаються всі «інструкції» для роботи живих організмів — в такий спосіб, наприклад, можна замінювати «зламані» гени на «справні». Ця технологія сьогодні широко застосовується в наукових дослідженнях, на її основі розробляють низку ліків і методик лікування складних захворювань.

Нобелівську премію з хімії вручають уже у 113-й раз. Якщо не брати до уваги цьогорічних лауреатів, то загалом за всі роки існування її отримали 185 людей. Одній людині — британському хіміку Фредеріку Сенгеру — вона дісталася двічі.

Фредерік Жоліо-Кюрі став наймолодшим за всю історію лауреатом Нобелівської премії з хімії. В 1935 році, коли він поділив цю нагороду з дружиною Ірен Жоліо-Кюрі «за виконаний синтез нових радіоактивних елементів», йому було 35 років. Ірен Жоліо-Кюрі, своєю чергою, була донькою П’єра та Марії Кюрі — теж нобелівських лауреатів.

А Джон Гудінаф став найстаршим дослідником, який отримав цю нагороду: позаторік під час вручення йому було 97 років.