Большое открытие, которого мы не заметили. Как нынешняя Нобелевская премия по химии стала важной частью нашей жизни

В этом году Нобелевскую премию по химии получат двое ученых — Беньямин Лист из Германии и Дэвид Макмиллан из США. Они создали новый класс катализаторов — «инструментов», благодаря которым в промышленных масштабах можно относительно легко и с меньшим вредом для окружающей среды проводить множество различных химических реакций, в частности для производства лекарств.

Во-первых, следует сказать, что работа нынешних нобелевских лауреатов оказалась действительно полезной на практике. Это именно тот случай, когда достижения науки уже применяются широко и успешно.

Во-вторых, награду присудили действительно за «химическую» тему. Ведь нередко бывает, что Нобелевскую премию по химии дают за исследования, тесно связанные с биологией. Так, например, было в прошлом году, когда две исследовательницы получили премию за так называемые «генетические ножницы».

А в-третьих, она показывает, что иногда удачные решения могут быть на поверхности и долго оставаться незамеченными из-за своей очевидности.

Химические ускорители 

Чтобы понять, почему работы Беньямина Листа и Дэвида Макмиллана такие важные, для начала стоит вспомнить, что такое катализаторы и зачем они нужны. В XIX веке химики обнаружили «подозрительные» химические реакции. Например, с пероксидом водорода. Это хорошо известное вещество, которое используется в частности, для дезинфекции и продается в каждой аптеке. Ее формула — H2O2 — по два атома водорода и кислорода.

Оказалось, что в присутствии серебра оно разлагается на воду и кислород. Но самое удивительное, что серебро — такое важное для этой реакции — остается полностью нетронутым. Шведский химик Берцелиус заметил, что эта и другие подобные реакции — часть отдельного явления, которое потом получило название «катализ».

Оно заключается в том, что определенные химические реакции требуют присутствия катализаторов — веществ, которые сами не участвуют в реакции, но помогают другим веществам меняться: объединяться между собой или, наоборот, «разламывают» их молекулы на меньшие.

Катализаторы внутри нас 

Без преувеличения, наша жизнь без катализаторов была бы невозможной. Ведь в клетках нашего тела постоянно идут многочисленные химические процессы благодаря энзимам, или ферментам, которые играют роль тех самых катализаторов. Для этой истории про энзимы следует знать, что это очень большие белковые молекулы, которые имеют сложную форму. Если сравнить их с молекулами воды или перекиси водорода, то энзимы крайней мере в сотни раз больше.

Именно благодаря им в наших телах образуется такой важный для наших организмов холестерол, а в растениях — хлорофилл, то самое вещество, что делает их зелеными и обеспечивает фотосинтез, который лежит в основе работы многих экосистем. Свою работу энзимы выполняют исключительно точно.

Треть мирового ВВП

Другой класс катализаторов — это металлы, вроде уже упомянутого серебра. Собственно, до начала XXI века никакие другие катализаторы не было известны. Но те, что были в распоряжении промышленности, играли крайне важную роль: считается, что около трети (!) всего мирового ВВП так или иначе связано с химическим катализом.

Недостатки катализаторов 

Но исследователи работали над созданием новых катализаторов. Ведь энзимы очень сложны и обеспечивают именно ту работу, которая нужна живым организмам, а не, например, производителям лекарств. Металлы имеют свои недостатки: они очень чувствительны к кислороду и воде, поэтому использовать их можно там, где их нет. Это относительно несложно в лабораторных условиях, но куда сложнее, когда речь идет о больших масштабах производства химических веществ.

Бриллиант на дороге 

В девяностых годах прошлого века в центре Scripps Research (Калифорния) группа исследователей работала над созданием новых катализаторов на основе энзимов. (Кстати, именно в этом учреждении работает нынешний Нобелевский лауреат в области медицины Ардем Патапутян, о чьем исследовании hromadske писало ранее).

Одним из участников этой группы был Беньямин Лист. Его интересовало, как работают энзимы. Некоторые из них имеют в своем составе атом металла, важного для процесса катализа. Но другие — нет. Там основная работа лежит на одной или нескольких аминокислотах — относительно небольших молекулах, из которых состоят все белки, в том числе и энзимы. Но обычно в состав энзимов входят сотни аминокислот. Может ли одна или две работать без участия других 99%?

Еще в 1970-х, за четверть века до того, как этим вопросом задался Лист, другие исследователи выяснили: одна из аминокислот, которая называется пролин, может служить катализатором. Но работы в этом направлении никто не продолжил — очевидно потому, что большой перспективы в этом здесь не видели. Примерно так думал будущий нобелевский лауреат, когда без лишних надежд решил попробовать пролин в качестве катализатора.

И выяснил, что со своей работой он справляется безупречно! Но это были еще не все хорошие новости.

Проблема зеркальных двойников 

Чтобы понять следующую, нужно вспомнить, чем правая рука отличается от левой. Они являются как бы зеркальным отражением одна другой. Две написанные на бумаге буквы можно наложить друг на друга и они совпадут в одно изображение. Но «передвинуть» одну руку человека, чтобы она полностью совпала с другой — никак не получится.

Это явление часто наблюдается среди органических молекул и оно является очень важным. Две молекулы одного вещества могут иметь совершенно одинаковое строение, но отличаться так же, как правая рука от левой. Насколько это существенно, можно увидеть на примере молекул лимонена. Они могут быть, условно говоря, «правыми», или «левыми». Одна из них ответственна за запах лимона, тогда как другая — апельсина.

Но это еще не самое важное. Наши тела состоят именно из «односторонних» аминокислот. Другие — их «отражения в зеркале» — не могут участвовать в биологических процессах. Зеркальность также крайне важна для некоторых лекарств — работают только «правые», или «левые» молекулы, тогда как другие могут навредить.

Отделить зерна от плевел

Проблема в том, что в химических реакциях (которые проводят люди, а не качественные энзимы в нашем теле) обычно образуются в равном количестве «правые» и «левые» молекулы. Если речь идет о лекарствах, то нужно сделать так, чтобы образовывались только нужные нам молекулы, но не их «зеркальные двойники». Или каким-то образом разделить смесь «левых» и «правых».

Так вот Беньямин Лист обнаружил, что пролин не просто катализатор, но и предпочитает одном из двух «зеркальных» разновидностей молекул. Теперь проще понять, что стоит за официальной формулировкой: «премию присудили за развитие асимметричного органокатализа». Результаты своего открытия Лист опубликовал в 2000 году.

Разочарованный металлами 

Дэвида Макмиллана, который работал в Гарварде, сначала больше интересовали каталитические свойства металлов. С их помощью он также хотел достичь асимметричного результата. Он заметил, что промышленность не слишком охотно брала на вооружение существующие катализаторы на основе металлов. Они были дорогими и сложными в использовании.

Поэтому Макмиллан решил оставить металлы, переехал работать в Беркли (США) и обратиться к простым органическим молекулам. Теоретически он понимал, какие именно характеристики должны иметь такие молекулы, чтобы стать катализаторами для задуманной им реакции. Он нашел эти молекулы, испытал их и получил желаемый результат — они не только «запускали» химическую реакцию, но и отдавали значительное преимущество одному из двух возможных зеркальных видов молекул.

Свою научную статью он отдал в печать в начале 2000 года, до того, как вышла статья Листа. Именно Макмиллан предложил термин «органокатализ».

Каталитическая лихорадка 

После выхода публикаций Листа и Макмиллана началось: другие исследователи стали создавать новые органические катализаторы с похожими принципами для различных химических реакций.

Такие катализаторы оказались очень эффективными. Вот лишь один пример. Стрихнин — это сильный яд, входящий в состав тропического растения чилибухи. Искусственно его впервые синтезировали в 1952 году. Чтобы получить сложные молекулы стрихнина, приходилось проводить 29 химических реакций. При этом выход готового вещества составлял менее тысячной доли процента — то есть, более 99% исходных веществ терялось.

В 2011 году тот же стрихнин получили уже с помощью новых катализаторов. Для этого понадобилось всего 12 химических реакций, а эффективность синтеза выросла в семь тысяч раз!

Фармацевтика и окружающая среда 

Органокатализ, который стал доступен благодаря работам Листа и Макмилана, сегодня широко применяется там, где раньше ценные вещества приходилось добывать из редких растений или глубоководных организмов. Его используют для производства различных лекарств, например, осельтамивира — препарата от гриппа, или пароксетина, который назначают при депрессиях и других расстройствах.

Еще одно преимущество органокатализа в том, что химические производства с его участием стали не просто легче, но и значительно дружественнее к окружающей среде.

Из истории химической Нобелевки  

В прошлом году Нобелевская премия по химии досталась двум исследовательницам — Эммануэль Шарпентье (Германия) и Дженнифер Дудне (США) за создание технологии редактирования генома CRISPR/Cas9, известной также как «генетические ножницы». Это инструмент, который позволяет вносить изменения в молекулы ДНК, где хранятся все «инструкции» для работы живых организмов. Например, таким образом можно заменять «сломанные» гены на «исправные». Эта технология сегодня широко применяется в научных исследованиях, и на ее основе пытаются создать ряд лекарств или методик лечения сложных заболеваний.

В этом году Нобелевскую премию по химии вручают в 113-й раз. Если не считать нынешних лауреатов, всего ее получили 185 человек. При этом, британскому химику Фредерику Сенгеру она досталась дважды.

Фредерик Жолио-Кюри стал самым молодым за всю историю лауреатом Нобелевской премии по химии. В 1935 году ему было 35 лет, когда он разделил эту награду со своей женой Ирен Жолио-Кюри «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов». Ирен Жолио-Кюри была дочерью лауреата Нобелевской премии по физике Пьера Кюри (1903) и дважды лауреата этой престижной награды Марии Кюри (1903 — по физике и 1911 — по химии).

Джон Гуденаф стал самым пожилым исследователем, который удостоился этой награды — в позапрошлом году, на момент вручения ему было 97 лет.