Królewska Szwedzka Akademia Nauk wyróżniła tegoroczną nagrodą Nobla w dziedzinie chemii Amerykankę Carolyn R. Bertozzi, Duńczyka Mortena Meldala i K. Barry'ego Sharplessa z USA za rozwój chemii "click" i chemii bioortogonalnej. W przypadku Sharplessa to druga nagroda Nobla w dziedzinie chemii, poprzednią otrzymał w 2001 roku. Jak podkreśla w swym komunikacie Akademia, Sharpless i Meldal zbudowali podstawy funkcjonalnej chemii "click", umożliwiającej składanie części cząsteczek w szybki i wydajny sposób, Bertozzi rozwinęła twórczo te metodę i zastosowała ją w organizmach żywych. Ich osiągnięcia sprawiły, że trudne procesy można przeprowadzić łatwiej. Między innymi skuteczniej można szukać leków przeciwnowotworowych. I owszem skojarzenie z klockami lego jest uzasadnione nie tylko ze względu na to, że jeden z laureatów jest Duńczykiem.
Chemicy od dawna pracowali nad uproszczeniem reakcji prowadzących do powstania bardzo skomplikowanych cząsteczek. Szczególne zapotrzebowanie na tego typu cząsteczki płynie ze strony przemysłu farmaceutycznego, ponieważ metody stosowane do tej pory są zwykle bardzo czasochłonne i w związku z tym kosztowne. Metody opracowane przez tegorocznych laureatów przyczyniają się do istotnego uproszczenia dotychczas dość skomplikowanych procedur. Cząsteczki tworzone z pomocą chemii funkcjonalnej powstają w prosty sposób.
Początkowa idea pochodzi od Barry'ego Sharplessa, który jeszcze przed tym, jak za inne prace otrzymał nagrodę Nobla w 2001 roku, sformułował ideę prostych i niezawodnych reakcji "click", z pomocą których cząsteczki powstają szybko i bez niepożądanych produktów ubocznych. Wkrótce potem Sharpless i Meldal, niezależnie od siebie, zaproponowali reakcję CuAAC, która jest obecnie najbardziej rozpowszechnioną reakcją w chemii "click". Ta tzw. cykloaddycja azydków i alkinów katalizowana miedzią (CuAAC) zapewnia proste warunki i wysoką wydajność, dzięki czemu jest powszechnie wykorzystywana do syntezy związków biologicznie aktywnych, na przykład w przemyśle farmaceutycznym czy poszukiwania nowych materiałów o pożądanych właściwościach.
Carolyn Bertozzi przeniosła chemię "click" na nowy poziom, wykorzystała w organizmach żywych na przykład do mapowania cząsteczek glikanów na powierzchniach komórek. Udało jej sie zaproponować reakcje bioortogonalne, które nie tylko działają w organizmach żywych, ale nie zakłócają ich funkcjonowania. Te reakcje są teraz powszechnie stosowane do badań aktywności komórek i przebiegu procesów biologicznych, pomagają w tworzeniu leków i pozwalają zwiekszać ich skuteczność, na przykład w terapii chorób nowotworowych.
W swoim komentarzu do tegorocznej nagrody w dziedzinie chemii Królewska Szwedzka Akademia Nauk przypomina, że od początków nowoczesnej chemii w XVIII wieku badacze brali wzór z natury i jej zdolności do tworzenia skomplikowanych struktur. Ich ambicją było wytwarzanie w warunkach laboratoryjnych substancji spotykanych w przyrodzie, w mikroorganizmach, roślinach i zwierzętach. Stopniowo pozwalało to rozwijać na przykład leki, z których wiele było i jest inspirowanych naturalnymi substancjami. Problem w tym, że wiele nowych substancji powstawało w wyniku skomplikowanych, złożonych procesów, które zostawiały przy okazji wiele niepożądanych efektów ubocznych. Sharpless zaproponował, by chemicy przestali imitować naturę, zamiast tworzyć identyczne kopie naturalnych cząsteczek zaczęli szukać związków, które mogą mieć podobne funkcje. I nauczyli się łączyć te związki z pomocą grup chemicznych, które naturalnie mają się ku sobie. Ta idea się sprawdziła, a po 20 latach okazała się na tyle skuteczna, że zasłużyła na wyróżnienie nagrodą Nobla.
Jak to działa? Problemem dla chemików, na który zwrócił uwagę Sharpless, są wiązania między kluczowymi dla chemii życia atomami węgla. Natura znalazła sposób, by je tworzyć, w laboratorium było to trudniejsze. W praktyce trzeba było podejmować działania, które prowadziły do nadmiernej liczby niepotrzebnych reakcji i utraty cennego materiału. Sharpless zaproponował, by zamiast na siłę zmuszać niechętne atomy węgla do tworzenia wiązań, wiązać prostsze cząsteczki w bardziej złożone z pomocą rodzaju mostków zawierających atomy azotu lub tlenu. Łatwiej je można w ten sposób kontrolować. Z czasem okazało się, że reakcją najlepiej spełniającą konieczne warunki, była opracowana najpierw w laboratorium Mortena Meldala, a potem niezależnie przez Sharplessa reakcja CuAAC, czyli cykloaddycja azydków i alkinów katalizowana miedzią. Azydki i alkiny to związki organiczne, pierwsze zawierają grupę N3, drugie mają jedno wiązanie potrójne między atomami węgla (−C≡C−). Chemicy, jeśli chcą połączyć dwie cząsteczki, mogą teraz dodać do jednej z nich azydek, do drugiej alkin i z pomocą jonów miedzi je łatwo połączyć. Reakcja szybko zyskała popularność, zarówno w laboratoriach naukowych, jak i w przemyśle. Z jej pomocą można było tworzyć materiały dopasowane do konkretnych potrzeb, na przykład przewodzące prąd, odporne na promieniowanie ultrafioletowe albo antybakteryjne. Przydała się także bardzo w tworzeniu nowych farmaceutyków.
Tu w opowieści o chemii "click" przychodzi czas na Carolyn Bertozzi. Twórcom metody początkowo nie przychodziło do głowy, że można ją zastosować w organizmach żywych, ona pokazała, że to ma sens. W latach 90. XX wieku zajmowała się glikanami, węglowodanami składającymi się z łańcuchów różnych cukrów wiążącymi się często z białkami na powierzchni komórek. Wiadomo było, że glikany mają bardzo istotne znaczenie, niezwykle trudno jednak było je badać. Bertozzi po latach pracy opracowała metodę oznaczenia ich cząsteczkami o fluorescencyjnych właściwościach. W przyłączeniu tych cząsteczek pośredniczyły obojętne dla organizmu azydki. To zapewniało reakcji tzw. bioortogonalność, brak wpływu na organizm. Bertuzzi zainteresowała się doniesieniami o pracach Meldala i Sharplessa problem w tym, że w proponowanej przez nich reakcji kluczowa rolę odgrywały toksyczne dla organizmów żywych jony miedzi. Badaczka doszukała się jednak w literaturze z lat 60. wzmianki o tym, że azydki i alkiny mogą szybko reagować, jeśli te drugie mają pierścieniową strukturę. Przetestowała to w komórkach i pracę na ten temat opublikowała w 2004 roku. Od tego czasu jej metoda zaczęła być szerzej stosowana, a ona sama wykorzystała ją do odkrycia, że glikany chronią komórki nowotworowe przed naszym układem immunologicznym. Lek, który ma temu przeciwdziałać, kierowany do osób w zaawansowanej chorobie nowotworowej, jest w tej chwili w fazie testów klinicznych.
Te reakcje są teraz powszechnie stosowane do badań aktywności komórek i przebiegu procesów biologicznych, pomagają w tworzeniu leków i pozwalają zwiększać ich skuteczność, na przykład w terapii chorób nowotworowych. Przedstawiciele Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk pytani, dlaczego nagroda za te odkrycia została przyznana właśnie teraz, przyznawali, że rozwijająca się od 20 lat dziedzina wkroczyła w okres dojrzałości, widać coraz więcej, coraz poważniejszych zastosowań. To sprawiło, że warto jej twórców właśnie teraz docenić...