Нобелівську премію з хімії 2021 року присудили за досить маленькі молекули. Причому деякі з них зовсім не нові - амінокислоту пролин, наприклад, відкрили ще в 1900 році. Але принадність їх не в новизні, а в тому, як вони змогли себе проявити вже в XXI столітті. Розповідаємо, для чого сьогоднішнім лауреатам спало на думку їх використовувати і як це допоможе уникнути медичних трагедій.
На рубежі 1950-х і 60-х років тисячі європейських дітей з'явилися на світ з важкими вадами розвитку. У когось був недорозвинений стравохід або сечовий міхур, іншим не вистачало вушних раковин, третім - пальців, ліктів або гомілок, а то й цілих кінцівок. Такі аномалії зустрічалися особливо часто у тих, чиї матері в перший місяць вагітності приймали талідомід - заспокійливий засіб, який незадовго до цього вийшов на ринок. А через півтора десятка років з'ясувалося, що проблема не в принципі дії ліків - а в тому, що близько третини молекул діючої речовини в кожній його таблетці були не тієї форми.
Зле відображення
Талідомід - одна з тих молекул, у яких дзеркальне відображення не збігається з ними самими (їх називають хіральними). Склад у них однаковий, але деякі властивості - різні. У хіральності талідоміду винен один з атомів вуглецю, який входить до його складу. Цей вуглець утворює чотири одинарні зв'язки, і всі - з різними хімічними групами. А у його дзеркального відображення ці групи розташовані в іншій послідовності - як пальці на правій і лівій руках, які однакові по будові, але йдуть один за одним в різному порядку.
Суміш з двох варіантів талідоміду виходить природним чином на виробництві. Але в 1950-х роках ніхто не подбав про те, щоб її розділити. А даремно. Технічно, дзеркально відображені молекули талідоміду (їх називають оптичними ізомерами або енантіомерами) - це та ж сама речовина: ідентичні набори атомів об'єднані в одні і ті ж групи одними і тими ж зв'язками. Але через те, що у них різна форма, для клітини це дві принципово різні молекули. Подібно до того, як лівшам незручно братися за ножиці, розраховані на правшею, клітинні білки по-різному зв'язуються з «правими» і «лівими» ізомерами (їх називають D- і L-) однієї і тієї ж речовини. У деяких випадках це призводить до того, що ліки просто стає марними. У випадку з талідомідом воно перетворилося на отруту (інші приклади такого роду можна знайти в нашому тесті «Вбивця із задзеркалля»).
Через п'ять років після виходу на ринок талідомід опинився під забороною в більшості країн - а вчені залишилися розбиратися з наслідками. Одні зайнялися докладним вивченням його властивостей (і згодом знайшли спосіб застосувати його проти раку і лепри), інші оновили стандарти клінічних випробувань: тепер кожен препарат розробники зобов'язані перевірити на ссавців, причому на представниках декількох загонів, перш ніж давати його людям.
А хіміки взялися придумати, як зробити так, щоб цього більше не повторилося. "Колись раніше, кілька десятиліть тому, лікарські препарати можна було в такій енантіомірно нечистій формі застосовувати - згадує в розмові з Валентин Ананіков, завідувач лабораторією металокомплексних і нанорозмірних каталізаторів Інституту органічної хімії РАН, - але це давно закінчилося. Після історії з талідомідом і ще пари не таких гучних історій всі лікарські препарати повинні бути хірально чистими ". Іншими словами, потрібно будь-якою ціною домагатися того, щоб при синтезі речовини виходив тільки потрібний ізомер, а не його дзеркальний двійник.
Нагляд за формою
У живій природі контролем за хіральною чистотою зазвичай займаються ферменти - оскільки саме вони відповідають за перетворення біологічних молекул. Для того, щоб прискорити, тобто каталізувати ці перетворення, ферментам служить активний центр - це кишеня складної форми, в яку заходять учасники реакції. Збираючи їх разом, фермент підштовхує речовини до того, щоб ті вступили у взаємодію, - в тісноті ймовірність цього набагато вища, ніж якби вони просто плавали поруч в розчині. А в результаті цієї тісної взаємодії утворюється завжди один і той же енантіомер.
Але використовувати ферменти для синтезу ліків дуже непросто. По-перше, вони звикли жити всередині клітини і не завжди погоджуються працювати, наприклад, при високих температурах, які бувають потрібні для синтезу органічних речовин у промисловому «котлі». По-друге, їх самих досить складно роздобути - для цього доводиться будувати інкубатори, заселяти їх генетично модифікованими клітинами і чекати, поки вони наростять потрібну кількість ферменту.
Ще більше часу може зайняти пошук ферменту під конкретну реакцію. У природі ніякого талідоміду не існує, як не існує і багатьох інших потрібних людям ліків - а значить, може не знайтися і ферменту, який зміг би їх синтезувати. Доводиться або шукати схожі реакції в клітинному обміні речовин, або змушувати ферменти еволюціонувати і сподіватися, що вони зроблять це в потрібному нам напрямку (за метод спрямованої еволюції Нобелівську премію з хімії вручили в 2018 році, про це наш текст «Гра в бога»).
Тому фармкомпаніям замість примхливих ферментів каталізаторами, як правило, служать атоми металів. Вони можуть об'єднуватися в комплекси з органічними молекулами, вміють віддавати і приймати електрони, чим активують учасників реакції і спонукають їх вступити у взаємодію, щоб відновити електронний баланс. Але атоми металів занадто малі і занадто симетричні, щоб розгорнути молекулу потрібною стороною, - а значить, не здатні проконтролювати хіральність продукту. На виході виходить суміш енантіомерів, які потрібно розділяти, що теж досить складно і витратно.
Цю проблему вирішили лауреати Нобелівської премії з хімії, яку вручили 20 років тому: Вільям Ноулз, Редзі Нойорі і Баррі Шарплесс. Вони навчилися робити каталізатори з асиметричних органічних молекул, з'єднаних з атомом металу: таким чином на виході утворювався потрібний енантіомер. Їх розробки швидко знайшли застосування у фармацевтичній промисловості, завдяки їм вдалося налагодити виробництво леводопи - ліки від паркінсонізму, в основі якого лежить L-амінокислота фенілаланін.
Але застосування цієї технології не обходиться без витрат для виробника: після того, як реакція закінчилася і утворився продукт, суміш потрібно очистити. "Дуже багато складних лікарських препаратів робиться з каталізом на паладії, - говорить Ананіков, - це важкий метал, його домішки залишаються [в препараті]. Природно, ніхто не хоче купувати таблетки з паладієм, це добром не скінчиться, тому треба чистити. А це дуже дорого і важко ".
Розбираючи фермент
За пару років до того, як Ноулз, Нойорі і Шарплесс отримали своє запрошення на церемонію вручення Нобелівської премії, молодий біохімік Беньямін Ліст вирішив з'ясувати, яким саме інструментом користуються ферменти для контролю хіральності - раптом вийде у них його запозичити? Основне завдання будь-якого асиметричного каталізатора - перенести інформацію про хіральність на цільову молекулу. На перший погляд, каталітична здатність ферментів повинна повністю визначатися тим, як влаштовані їх активні центри.
Свої спостереження вчений почав з ферменту альдолази і реакції, яку вона каталізує: «пришиває» до ацетону ароматичний альдегід. В якості проміжної стадії при цьому утворюється єнамін, в якому атом азоту знаходиться поруч з подвійний вуглець-вуглецевим зв'язком, а сусідній з ним атом вуглецю - хіральний. Лист вже знав, як влаштований активний центр альдолази, і знав, що за утворення єнаміну відповідає амінокислота L-пролин. Залишилося зрозуміти, чи буде її однією достатньо для каталізу.
"Звичайно, там були складнощі, - говорить Денис Чусов, старший науковий співробітник Інституту елементоорганічних з'єднань РАН. - Тому що амінокислоти не дуже хочуть розчинятися в органічних розчинниках. А у воді такі реакції проводити дуже складно: там найтонші ефекти, які вода, звичайно, розіб'є. Але коли вийшло, він, звичайно, відразу зрозумів, що у нього в руках і яке це відкриття ".
В іншому розчиннику, діметилсульфоксиді, Лісту дійсно вдалося використовувати хірально чистий L-пролин як каталізатор - і зробити з нехиральних альдегіду і кетону хірально чистий альдоль.
Вийшло, що величезна молекула ферменту і складна геометрія активного центру зовсім не обов'язкові, щоб отримати хірально чистий продукт. Для цього достатньо однієї маленької хірально чистої молекули, яка утворює проміжний комплекс і робить каталіз асиметричним.
Хіралізуючи каталізатор
У той же самий час Девід Макміллан йшов до схожої ідеї зовсім з іншого боку. Він намагався запозичити принцип роботи не у ферментів, а у маленьких молекул, відомих каталізаторів, які на проміжній стадії утворюють тимчасові комплекси з одним з реагентів.
Один з таких каталізаторів, який часто використовують і в промисловості, - це кислота Льюїса (наприклад, AlCl3). Ні про яку хіральність стосовно хлориду алюмінію говорити не можна. Тому Макміллан задався метою знайти для кислоти Льюїса органічний хіральний аналог.
В якості модельної реакції Макміллан його колеги взяли реакцію Ділса - Альдера - приєднання до дієна з'єднання з подвійним зв'язком. В якості реагентів Макміллан взяв циклопентадієн і лід-ненасичений альдегід.
В результаті такої реакції утворюється біціклічне з'єднання, в якому до сусідніх атомів вуглецю навпроти подвійного зв'язку приєднані альдегідна група і радикал з протилежного хвоста альдегіду. Залежно від того, як ці групи розгорнуті відносно містка біцикла, може вийти два різних енантіомери.
Як каталізатор Макміллан вирішив використовувати циклічний вторинний амін. Такий каталізатор чіпляється до альдегіду - виходить іміній, іон, в якому позитивно заряджений атом азоту з'єднаний подвійним зв'язком з одним із сусідніх атомів вуглецю. Ключова ідея роботи Макміллана - в тому, що на проміжному етапі такої реакції утворюється хіральний комплекс, що призводить до асиметрії реакції.
Фактично Макміллан прийшов до того ж висновку, що і Ліст: якщо в каталітичній реакції утворюється проміжний комплекс з хірально чистим каталізатором, то з нехиральних реагентів можна отримати хірально чистий продукт. Але прийшов до цієї ідеї, вводячи хіральність у відомий механізм каталізу.
Майже одночасно
Макміллан відправив свою статтю в журнал у січні 2000 року. У ній вперше з'являється слово «органокаталіз» - вчений тим самим підкреслював, що не так важливо, яку саме молекулу він зробив каталізатором. На його думку, набагато важливішим був сам принцип - що хіральна органічна молекула може передавати хіральність «у спадок» продуктам реакції, яку каталізує.
У цьому окрема цінність «нобелівських» статей Ліста і Макміллана. Вченим не завжди вдається сформулювати відразу, чому феномен, відкритий ними експериментально, взагалі так працює. Наприклад, з Нобелівською премією 2005 року за реакцію метатези все було не так. "Реакцію знайшли в 50-х роках ще, - згадує Чусов, - а механізм запропонували тільки в 70-х. Тобто люди використовували реакцію, заводи побудували вже, застосовували, але як це працює - абсолютно незрозуміло було. А тут - коли [Ліст і Макміллан] знайшли цю реакцію, вони задумалися, як це працює. І запропонували дуже просте пояснення - дійсно, коли дивишся, то розумієш, що так воно і повинно бути ".
У введенні до своєї статті Макміллан передбачив, що реакцій, до яких можна застосувати виявлений ним принцип, має бути багато - а значить, буде багато і органічних каталізаторів. І тим самим передбачив статтю Листа, яку навіть опублікували раніше, ніж стаття самого Макміллана вийшла друком.
За наступні 20 років органічних каталізаторів дійсно стало більше. Багато фармкомпаній вже зареєстрували патенти на використання цього методу для створення різних ліків: від підвищеного тиску і депресії, запалення і вірусного гепатиту. Органічний каталіз міг би зробити виробництво набагато вигіднішим і швидшим: наприклад, синтез популярних ліків від грипу він прискорив у цілих 30 разів. Правда, поки складно сказати, наскільки компанії дійсно користуються цим методом. "Вчені, які займаються формально фундаментальною наукою, можливо прикладною - вони не знають, що використовує промисловість, - розповідає Чусов. - Тому що промисловість прагне не розкривати деталі. Але спілкуючись з людьми, які очолювали R&D фармацевтичних гігантів, я можу сказати, що в першу чергу вони перевіряють розробку Листа, з тієї причини, що це дешево, дуже безпечно, і це можна мішками використовувати ".
Не припинили своїх досліджень і Макміллан з Лістом. Наприклад, Макміллан поєднав асиметричний органокаталіз з окислювально-відновлювальним фотокаталізом. У результаті вийшла система, схожа на фотосинтез у рослин - вона перетворює сонячне світло на хімічну енергію. А Ліст пристосував для каталізу інші амінокислоти, хоча пролін досі залишається його улюбленцем: «До речі, солодкуватий на смак, - поділився сьогодні вранці вчений, говорячи про це з журналістами, - як моє тодішнє відкриття».
Про свою Нобелівську премію отці органокаталізу теж дізналися майже одночасно, щоправда, по-різному. Макміллан розповів журналістам, що отримав від «когось із Стокгольма» повідомлення, в якому його ім'я було написано з помилкою. Він подумав, що це пранк від когось із його колишніх колабораторів, і ліг назад спати. Трохи пізніше з ним зв'язався Ліст, щоб поділитися радісними новинами - але Макміллан знову не повірив. Він посперечався з Лістом на тисячу доларів, що німця розіграв той же самий пранкер, і знову спробував заснути. Прокинувся він вже від телефону, що розривається від привітань - і дізнався, що тисячу доларів доведеться віддавати.
Лист, до речі, теж сьогодні став боржником - правда, на суму поменше. "Коли я до нього їхав, - згадує Чусов, який співпрацював з Лістом кілька років - я вже розумів, що він накоїв науці і що Нобелівська премія йому забезпечена. А він не дуже вірив. Ми з ним уклали парі, що в найближчі 20 років йому дадуть премію. [Не знаю], чи згадає він, - сміється вчений, - але взагалі сперечалися ми на 100 євро! "
Виправлення
У початковій версії тексту в другій цитаті Дениса Чусова згадувалося, що Нобелівські лауреати 2001 року відкрили свою реакцію в 50-х роках, але не пояснили її механізм. Насправді, мова йде про лауреатів Нобелівської премії з хімії 2005 року. Редакція приносить свої вибачення.