RAPORT

Imigranci na granicy z Białorusią

Nobel za czystą żywą chemię

Nagroda Nobla z chemii (fot. Shutterstock/Pichet Akanisttawong)
Nagroda Nobla z chemii (fot. Shutterstock/Pichet Akanisttawong)

Chemicy na całym świecie, zwłaszcza „organicy” tacy z krwi i kości, są dziś uszczęśliwieni. Dla nich nazwiska dzisiaj nagrodzonych nie są tajemnicze. Choć pierwszy z nich w momencie ogłoszenia nagrody nie miał jeszcze swego hasła w Wikipedii, czyli tak, jak by nie istniał, nieprawdaż? Po zeszłym roku, kiedy Nagroda Nobla z chemii była w zasadzie z biologii (z której to dziedziny nagrody niestety się osobno nie przyznaje), w tym roku Szwedzka Akademia Nauk postanowiła przyznać swe prestiżowe wyróżnienie Benjaminowi Listowi z Niemiec i Davidowi MacMillanowi, urodzonemu w Wielkiej Brytanii Amerykaninowi za „rozwój asymetrycznej organokatalizy”.

Nobel z fizjologii i medycyny, czyli dlaczego chili grzeje, a mentol chłodzi

Zgromadzenie Noblowskie w Karolinska Institutet w Sztokholmie po raz 112. zakończyło obrady i ogłosiło tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w...

zobacz więcej

Zanim postaram się wyjaśnić, o co dokładnie chodzi, warto zauważyć, że Komitet Noblowski w uzasadnieniu podkreślił ustami prof. Pernilli Wittung Stafshede, że świat nasz jest pełen cząsteczek – jest z nich zbudowany. Jedne cząsteczki są proste i składają się z minimum dwóch i niekoniecznie więcej takiego samego typu atomów (np. tlen cząsteczkowy, O2, którym oddychamy), czasem zaś są skomplikowanymi makromolekułami, polimerami organicznymi, jak nasz DNA. Na skali pomiędzy tymi skrajnosciami rozpięte są wszelkie cząsteczki syntetyzowane tak naturalnie, jak i przez przemysł chemiczny, np. leki.

Niezliczona liczba cząsteczek chemicznych tworzy nie tylko komórki organizmów żywych, ale i produkowany przez nas plastik czy substancje zapachowe, detergenty czy związki odżywcze. Gdy tworzy owe złożone cząsteczki natura, możemy je oczyszczać i w ten sposób pozyskiwać do swoich celów. Czasem jednak rozumniej jest je tworzyć w laboratoriach i zakładach przemysłowych. A co za tym idzie, potrzebny jest sposób skutecznego, wydajnego i uporządkowanego łączenia ze sobą ich składników. Opracowanie tego typu sposobów postępowania, tak na skalę eksperymentalną, jak i przemysłową, to wielkie wyzwanie.

Na ogół reakcje syntezy nie chcą zachodzić samorzutnie. Wymagają tzw. katalizatorów, czyli związków, które zdolne są obniżyć energię aktywacji konkretnej reakcji chemicznej, a przez to przyspieszyć ją. Katalizatory nie są substratami reakcji chemicznych – nie uczestniczą w nich, ale niejako „spychają je z górki”. Jeśli wyobrazić sobie dwa substraty, jako saneczki zjeżdżające z dwóch górek, aby zderzyć się skutecznie po środku dając produkt, katalizatory są jak para dziadków, która podciągnie saneczki-reagenty do góry i popchnie skutecznie i w dobrym kierunku ze szczytu, aby wnuki miały radochę. Sami dziadkowie nie zjeżdżają na saneczkach.

Do roku 2000 znane były tylko dwa rodzaje katalizatorów: enzymy (czyli katalizatory białkowe albo ryboproteinowe, czyli złożone z białek i RNA) oraz kompleksy metali, np. niklu. Enzymy były produktami komórek żywych, aczkolwiek oczyszczano je i stosowano w procesach przemysłowych czy … proszkach do prania. Jednak 21 lat temu niezależnie od siebie obaj dzisiejsi nobliści opublikowali prace naukowe wskazujące, że drobne cząsteczki organiczne też mogą służyć jako katalizatory. Ułatwiane przez nie reakcje chemiczne przebiegały z dużą precyzją, były szybkie i tanie. W przeciwieństwie do jonów metali, zwłaszcza ciężkich, owe katalizatory okazywały się też bezpieczniejsze dla środowiska.

Nobel z fizyki 2021 za modelowanie złożoności natury

Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano w połowie wspólnie Syukuro Manabe i Klausowi Hasselmannowi „za fizyczne modelowanie klimatu...

zobacz więcej

Prace te dotyczyły rozmaitych prostych, ale niezbędnych w przemyśle reakcji organicznych. Były oparte o niezależne zastosowanie rozmaitych maleńkich cząsteczek organicznych jako katalizatorów, wyszły też z różnych pomysłów: List chciał zastąpić maleńką cząsteczką gigantyczny enzym zbudowany z 350 aminokwasów, MacMillan ciężki metal. Rzeczy były zaś robione na dwóch różnych brzegach „Wielkiej Wody” w tym samym czasie.

Oczywistym staje się zatem, że Komitet Noblowski nie miał wyjścia i musiał nagrodzić obu uczonych, choć w przeciwieństwie do zeszłorocznych Noblistek Emmanuele Charpentier i Jennifer Doudny, oni nigdy ze sobą nie współpracowali. Gdy coś jest dwukrotnie niezależnie odkryte, musi być to i naprawdę „dobre” i potrzebne. Bo to potrzeba jest matką wynalazków. Zwłaszcza tych nagradzanych przez Fundację Noblowską, tak czułą na to, by nagrodzone prace przydawały się na coś ludzkości.

Podobnie jak we wczorajszym Noblu z fizyki dziś również nagrodzono twórców potężnej metodologii, nie tyle jednak obliczeniowej, jak to było wczoraj, co istotnie materialnej. Użytecznej, jak to określono, „skrzynki z narzędziami”, bez której dziś nic się nie dzieje w zakresie syntezy chemicznej. Chociażby w zakresie poszukiwania nowych leków, gdzie synteza związków-kandydatów, zupełnie nowych i nieznanych wcześniej nauce cząsteczek, odbywa się dziś w sposób zaprogramowany i zasadniczo zrobotyzowany. W sporej mierze dzięki pracom obu Noblistów. I wszyscy, jak tu stoimy, na co dzień z tych odkryć korzystamy.

Aby zrozumieć, co to takiego asymetryczna organokataliza, potrzebujemy wrócić nieco pamięcią do szkoły średniej, a szczególnie do lekcji chemii organicznej. Uczono nas wtedy o tzw. chiralności, czyli skrętności cząsteczek. Otóż niektóre cząsteczki, mimo że posiadają taką samą liczbę tych samych atomów powiązanych tymi samymi wiązaniami chemicznymi, różnią się między sobą drobnymi szczegółami budowy przestrzennej. Są zatem jak nasze dłonie czy stopy. To wzajemne odbicia lustrzane, ale nie da się jednej nałożyć na drugą „tak od góry”, zawsze coś będzie wystawać.

Czytaj także: Neandertalska krew

Magdalena Kawalec-Segond: Mozart łagodzi objawy epilepsji

Muzyka łagodzi obyczaje. Czy jednak muzykoterapia ma naukowy sens? Owszem, o ile zdołamy zrozumieć, jak to działa. Neurologom amerykańskim udało...

zobacz więcej

Ze względu na swoją strukturę skoncentrowaną wokół czterowartościowych atomów węgla, lwia część cząsteczek organicznych jest chiralna i konkretne tzw. enancjomery danej cząsteczki miewają bardzo różne właściwości tak optyczne (o czym za chwilę), jak organoleptyczne, czyli zapach i smak. To jednak wynika z samej natury funkcjonowania naszych zmysłów chemicznych, które rozpoznają „skrętność”.

Ewolucja początków życia na Ziemi – być może ze względów właśnie na zdolność do katalizy asymetrycznej przez niewielkie cząsteczki chemiczne, jaką odkryli dzisiejsi laureaci – stworzyła nam świat, gdzie np. biologicznie czynne i obecne w organizmach żywych cukry są w zasadzie wyłącznie prawoskrętne, a aminokwasy – lewoskrętne.

Zjawisko to jest nazywane izomerią optyczną, gdyż znaczna liczba takich izomerów, mimo że strukturalnie identyczna, skręca światło spolaryzowane w przeciwnych kierunkach, a także w niektórych przypadkach tworzy enancjomeryczne kryształy (mające się do siebie tak jak wzajemne odbicia lustrzane). Zjawisko izomerii optycznej, a ściślej występowanie dwóch form enacjomerycznych, zostało odkryte pod koniec XIX wieku przez Ludwika Pasteura, który zauważył, że sztucznie otrzymany kwas winowy, w odróżnieniu od naturalnego, krystalizuje w dwóch formach enancjomorficznych.

W trakcie wieloletnich badań okazało się także, że takie izomery wykazują często diametralnie różną aktywność biologiczną. Bo nasze białkowe czy białkowo-cukrowe receptory, centra aktywne naszych białkowych enzymów czy inne istotne dla działania naszych komórek cząsteczki i makrocząsteczki też są skrętne. Oznacza to miedzy innymi, że jeden enancjomer jakiejś cząsteczki może mieć potężne właściwości lecznicze, a drugi nie, może być także toksyczny. Bo nasze komórki rozróżniają te formy. Przemysł musi zatem być zdolny do syntezy tylko jednego z enancjomerów, a nie mieszaniny obu związków.

Czytaj także: Cyfrowa neuropsychologia

Toksyczne białka w mózgu

Spory białkowy agregat zabijający neurony wędruje z komórki do komórki. Jedna chora komórka wytwarza ich sporo, ale gdyby pozostały w niej...

zobacz więcej

Nacisk kładziony przez niektórych na „dobro płynące z natury” i „tą okropną szkodliwą chemię we wszystkim” jest zasadniczo nienaukowy. Z tzw. źródeł naturalnych oczyszcza się te same związki, które syntetyzuje przemysł chemiczny. Oczywiście oczyszczanie może okazać się trudniejsze, nieopłacalne, może zagrażać gatunkom producenckim dosłownie wymarciem. Związki chemiczne „naturalne” alergizują nas tak samo, a bywa że bardziej, niż te „sztuczne”. Co więcej, laboratoria chemiczne potrafią wytwarzać miriady związków nie występujących nigdzie w naturze, co nie znaczy, że nam niepotrzebnych czy szkodliwych.

Może warto sobie wreszcie zdać sprawę, a dzisiejszy Nobel stwarza ku temu wielką okazję, że wszystkie cząsteczki są chemiczne. Nie ważne, skąd się biorą. Tęsknota zaś za „złotym wiekiem” sprzed chemii ma w sobie wiele naiwności. Co nie znaczy, że odkryć dzisiejszych noblistów nie daje się wykorzystać niecnie i zgubnie. Jak każdej absolutnie większej i mniejszej ludzkiej innowacji.

Dziś też słyszymy, że uczonym z Chin udało się zastąpić naturalną fotosyntezę i wyprodukować skrobię z dwutlenku węgla wydajniej niż robi to kukurydza. A to już jest absolutna rewolucja, porównywalna chyba tylko z pierwszym otrzymaniem syntetycznego mocznika przez Friedricha Wöhlera w 1828 roku, co pokazało, że chemia jest w stanie produkować związki przypisywane dotąd jedynie „sile życiowej” żywych organizmów, która dzięki temu eksperymentowi okazała się zwykłą bajką.

Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano 112 razy 186 laureatom Nagrody Nobla w latach 1901–2020. Frederick Sanger jest jedynym laureatem, który dwukrotnie otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, w latach 1958 i 1980. Oznacza to, że łącznie 185 osób otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Czytaj także: Szczepionka na COVID jest bezpieczna. I co z tego?

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej