Химия щелчка: почему создатели конструкторов из молекул стали нобелевскими лауреатами

Нобелевской премии по химии 2022 года удостоены Барри Шарплесс и Каролин Бертоцци из США, а также Мортен Мельдаль из Дании. Каждый из них получит треть призовой суммы «за разработку клик-химии и биоортогональной химии». Клик-химия нацелена на поиск реакций, легко осуществимых в промышленных масштабах. Это направление в химической науке основано Шарплессом. Мельдаль открыл реакцию, которая стала «рабочей лошадкой» клик-химии. Бертоцци разработала химические процессы, которые можно запускать прямо в живых клетках, не боясь их повредить (это и называется биоортогональной химией). 

Для Шарплесса это уже вторая Нобелевская премия по химии (первую он получил в 2001 году за другие работы).

Соревнование с природой

Идеи новых лекарств ученые часто подсматривают у живой природы. Первый известный антибиотик пенициллин выделили из плесени, а сегодня перспективные вещества обнаруживают, скажем, в слюне медведей. Жаль только, что живые организмы вырабатывают столько вещества, сколько нужно им самим, а не фармацевтическому рынку. Едва ли кому-то придет в голову разводить медведей ради антибиотика в слюне. Поэтому следующий шаг — научиться синтезировать нужное соединение в лаборатории, и это сложно само по себе. Но нужно еще создать масштабируемую технологию, а это еще труднее.

Живая клетка в совершенстве осуществляет затейливые многоэтапные реакции. Химики, у которых нет в активе миллиардов лет эволюции, пытаются подражать ей своими доморощенными методами. Зачастую получается долго, неэффективно и, как следствие, дорого. Например, в цепочке реакций образуется масса побочных продуктов, на которые расходуются реагенты и которые приходится удалять. И если в лаборатории с этим еще можно мириться, то на фармацевтической фабрике едва ли.

В своей основополагающей статье 2001 года Шарплесс приводит в пример антибиотик меропенем. Химики научились получать его в пробирке, но на создание промышленной технологии ушло еще шесть лет напряженных исследований.

Будущий лауреат провозгласил новый подход, который он навал клик-химией (от английского click — «щелчок»). Возможно, мэтр хотел сказать, что производить новые вещества надо легко и быстро, как щелкнуть пальцами.

Клик-химия требует от исследователя сразу же искать реакции, дающие много основного продукта и мало побочных. Если уж побочные продукты есть, они должны быть безвредными и легко удаляемыми. Также реакция должна идти в легко воспроизводимых условиях: ей не должен мешать содержащийся в атмосфере кислород, а в качестве растворителя лучше всего использовать воду. Есть и еще несколько критериев «клик-реакции».

Однако статья Шарплесса не была банальным манифестом за все хорошее против всего плохого. Ученый указал конкретную причину неэффективности реакций и подсказал, как от нее избавиться.

Химический синтез заключается в том, что молекулы встречаются друг с другом и объединяются, образуя новые, более сложные молекулы. При этом практически все органические молекулы имеют каркас из атомов углерода, к которому по бокам присоединены атомы других элементов. До «клик-революции» химики пытались срастить, объединить в одно целое углеродные каркасы реагирующих молекул. Именно так идут биохимические реакции в клетке, но проделать такой фокус искусственно довольно сложно. Это и приводит к долгим, дорогим и неэффективным технологиям.

Шарплесс предложил другой путь. Молекулы нужно соединять мостиками из атомов азота или кислорода, которые куда охотнее вступают в реакцию. Чтобы составить поезд, не нужно сваривать вагоны друг с другом — достаточно легких сцепок. В этой аналогии корпус вагона — это углеродный каркас молекулы, а кислородно-азотные мостики — сцепки. Правда, молекулы реагентов не обязаны быть одинаковыми и выстраиваться друг за другом в линию, как вагоны поезда. Клик-синтез скорее сравним с собиранием конструктора, все детали которого оснащены стандартными креплениями. Так что «щелчок» можно понимать и как щелчок быстрого и легкого в обращении крепления вроде пряжки ремня безопасности.

Как пристегнуть молекулы

Независимо друг от друга и практически одновременно и Шарплесс, и Мельдаль снабдили клик-химию удобной и почти универсальной «пряжкой». Это реакция с зубодробительным названием «азид-алкиновое циклоприсоединение, катализируемое медью». Произносить это неудобно даже самим химикам, поэтому обычно они ограничиваются аббревиатурой CuAAC.

В качестве пряжки и наконечника ремня выступают атомы азидной и алкиновой групп. Они легко и прочно соединяются друг с другом при температуре, близкой к комнатной, и практически без побочных продуктов. Все, что нужно, — присутствие небольшого количества меди, которая в реакции даже не расходуется. При этом азидные и алкиновые группы можно встроить в самые разные вещества, тем самым превратив их в элементы конструктора для клик-химиков.

Сегодня этот подход вовсю используется для синтеза новых лекарств, материалов и других продуктов, как и мечтали его создатели. Но едва ли Шарплесс или Мельдаль предполагали, что близкий аналог реакции CuAAC будет осуществляться прямо в живых клетках и станет незаменимым инструментом биологов.

Ключи от клетки

В свою очередь, Каролин Бертоцци в начале 1990-х не думала о клик-химии, да и слова такого еще не существовало. Будучи биохимиком, она искала инструменты для исследования гликанов. Это сложные углеводы в составе клеточных мембран. Они играют важную роль, например, в работе иммунной системы.

Бертоцци стремилась присоединить к молекулам гликанов маркер — вещество, способное светиться (флуоресцентное). Это буквально высветило бы расположение гликанов в клетке. Задача состояла в том, чтобы этот маркер не связался ни с каким другим веществом в бурлящем химическом котле живой клетки. Исследовательница даже придумала специальный термин: реакция должна быть биоортогональной. В буквальном значении — «перпендикулярной жизни», то есть не влияющей на нее.

Эта работа растянулась почти на десятилетие. Наконец в 2000 году Бертоцци нашла оптимальный вариант. К молекулам гликанов присоединялись азидные группы, а уже к ним цеплялся флуоресцентный маркер. Коллеги-биохимики быстро взяли новую технологию на вооружение.

Тем временем на горизонте появилась клик-химия с ее азид-алкиновой реакцией. Бертоцци сразу оценила потенциал этого подхода. Но CuAAC не годилась для применения в живой клетке из-за токсичности меди. Тогда исследовательница отыскала описанный еще в 1960-х годах вариант реакции, более сложный в применении, но не требующий ядовитого металла. В 2004 году Бертоцци продемонстрировала, что эту реакцию можно осуществлять прямо в клетке.

Бертоцци продолжала исследования гликанов с помощью биоортогональных реакций. Она обнаружила, что злокачественные опухоли вырабатывают особые гликаны, мешающие иммунной системе выявлять и уничтожать раковые клетки. Благодаря этому открытию было создано лекарство нового типа, расщепляющее зловредные гликаны. Сейчас оно проходит клинические испытания. 

Это только один из примеров применения биоортогональной химии. Биологи многие десятилетия стараются сделать свои методы как можно более деликатными (неинвазивными), чтобы изучать живые организмы, а не их мертвые останки. Основанная Бертоцци область науки может оказать им в этом неоценимую услугу.