Královská švédská akademie věd oznámila, že letos získali Nobelovu cenu za chemii Benjamin List a David W.C. MacMillan za výzkum takzvané organokatalýzy – nástroje pro přesnou stavbu molekul.
Nobelovu cenu za chemii dostali vědci za nástroj pro vznik lepších léčiv a ekologičtějších látek
Chemici mohou vytvářet nové molekuly spojováním malých stavebních kamenů, ale je pro ně velmi obtížné ovládat neviditelné látky tak, aby se spojovaly požadovaným způsobem. Benjamin List a David MacMillan získali Nobelovu cenu za chemii za rok 2021 za vývoj nového a důmyslného nástroje pro stavbu molekul: organokatalýzy. Její využití zahrnuje výzkum nových léčiv a pomohla také učinit chemii ekologičtější.
Chemie, která změnila svět
Na schopnosti chemiků vytvářet nové a funkční molekuly závisí mnoho průmyslových odvětví a oblastí výzkumu. Může jít o látky, které zachycují světlo v solárních článcích nebo uchovávají energii v bateriích, až po molekuly, z nichž lze vyrobit lehké běžecké boty nebo které brání rozvoji nemocí v těle.
Lidská schopnost vytvářet nejrůznější látky je sice ohromující, ale ve srovnání s přírodou mizivá. Miliardy let evoluce totiž vytvořily nesmírně přesné nástroje pro stavbu molekulárních komplexů, které dávají životu jeho tvary, barvy a funkce. Těmito nástroji jsou enzymy. Když chemici zpočátku tato chemická mistrovská díla izolovali, jen na ně obdivně hleděli. „Kladiva a dláta“ v jejich vlastních sadách nástrojů pro stavbu molekul byla ve srovnání s elegancí a účinností enzymů tupá a nespolehlivá - výsledky práce chemiků proto byly při kopírování přírodních vzorů plné chyb.
Daniel Stach o letošních Nobelových cenách za chemii (zdroj: ČT24)
Každý nový nástroj, kterým chemici vylepšili ty původní, zvýšil přesnost jejich molekulárních konstrukcí. Chemie pomalu postupovala od, s nadsázkou, tesání kamenných kostek k něčemu, co se více podobá jemnému řemeslu. Řada těchto zlepšení jejich autorům už v minulých letech vynesla Nobelovu cenou.
Jenže objev oceněný roku 2021 posunul molekulární konstrukce na zcela novou úroveň. Nejenže učinil chemii ekologičtější, ale také výrazně usnadnil výrobu takzvaných asymetrických molekul.
V chemii často nastává situace, kdy mohou vzniknout dvě molekuly, které jsou - stejně jako lidské ruce - navzájem svým zrcadlovým obrazem. Chemikům často stačí jeden z těchto zrcadlových obrazů, zejména při výrobě léčiv, ale bylo obtížné najít účinné metody, jak toho dosáhnout. Koncept, který vypracovali Benjamin List a David MacMillan - asymetrická organokatalýza - je jednoduchý a podle kolegů geniální.
Katalyzátory urychlují chemické reakce
Klíčem k pochopení jejich objevu je pojem katalýza. Když v devatenáctém století začali chemici zkoumat způsoby, jakými spolu různé chemické látky reagují, přišli na několik zajímavých věcí. Například když dali stříbro do kádinky s peroxidem vodíku, začal se peroxid vodíku najednou rozkládat na vodu a kyslík. Samotné stříbro, které tento proces nastartovalo, ale reakce vůbec neovlivnila. Podobných příkladů později chemici objevili víc.
Pavel Kočovský z Přírodovědné fakulty Univerzity Karlovy o udělení Nobelovy ceny za chemii (zdroj: ČT24)
V roce 1835 v tom začal uznávaný švédský chemik Jacob Berzelius spatřovat zákonitost. Ve výroční zprávě Královské švédské akademie věd popisující nejnovější pokroky ve fyzice a chemii psal o nové „síle“, která dokáže „vytvářet chemickou aktivitu“. Uvedl několik příkladů, kdy pouhá přítomnost látky spustila chemickou reakci, a konstatoval, že tento jev se zdá být podstatně častější, než se dříve myslelo. Domníval se, že látka má katalytickou sílu, a samotný jev nazval katalýzou.
Katalýza dala lidstvu plasty, parfémy i dobroty
Chemici od té doby objevili množství katalyzátorů, které dokážou rozkládat molekuly nebo je naopak spojovat. Díky nim nyní mohou vytvářet tisíce různých látek, které lidstvo používá v každodenním životě - ať už léky, plasty, parfémy nebo chutě do potravin. Odhaduje se, že až 35 % celkového světového HDP nějakým způsobem zahrnuje chemickou katalýzu.
V zásadě všechny katalyzátory objevené před rokem 2000 patřily do jedné ze dvou skupin: byly to buď kovy, nebo enzymy. Kovy jsou často vynikajícími katalyzátory, protože mají zvláštní schopnost dočasně přijímat elektrony nebo je poskytovat jiným molekulám během chemického procesu. To pomáhá uvolnit vazby mezi atomy v molekule, takže vazby, které jsou jinak pevné, mohou být přerušeny a mohou vzniknout nové.
Vedoucí výzkumník Jan Veselý a chemik Pavel Kočovský z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy o Nobelových cenách za chemii (zdroj: ČT24)
Jedním z problémů některých kovových katalyzátorů je ale to, že jsou velmi citlivé na kyslík a vodu, takže aby mohly fungovat, potřebují prostředí bez kyslíku a vlhkosti. Toho je ve velkých průmyslových odvětvích obtížné dosáhnout. Mnoho kovových katalyzátorů jsou navíc těžké kovy, které mohou být škodlivé pro životní prostředí.
Krok do neznáma
Benjamin List zkoumal aminokyselinu, která se jmenuje prolin. Svými experimenty prokázal, že jde o velmi účinný katalyzátor - nejen to, že prolin je účinný katalyzátor, ale také to, že může spustit výše popsanou asymetrickou katalýzu.
List hned pochopil, jak obrovský potenciál to může mít. Ve srovnání s kovy i enzymy je prolin pro chemiky „svatým grálem“ - jde o velmi jednoduchou, levnou, a tedy ekologickou molekulu. Když List v únoru 2000 svůj objev publikoval, označil asymetrickou katalýzu s organickými molekulami za něco úplně nového, co má obrovské množství využití.
Ve stejnou dobu na pracoval na stejném objevu jeho vrstevník David MacMillan. Ten se zpočátku pokoušel vylepšit asymetrickou katalýzu pomocí kovů - MacMillan si ale všiml, že katalyzátory sice vznikají, ale v průmyslu se pak používají jen zřídka. Použití citlivých kovů je v praxi zkrátka příliš obtížné a drahé. Místo toho začal navrhovat jednoduché organické molekuly, které by byly podobně účinnými katalyzátory jako kovy, ale měly by nižší cenu a nebyly by tak náchylné k problémům.
Nový způsob právě MacMillan pojmenoval jako organokatalýza. Benjamin List a David MacMillan tedy nezávisle na sobě objevili zcela nový koncept katalýzy. Od roku 2000 lze vývoj v této oblasti přirovnat téměř ke zlaté horečce, v níž si oba vědci stále udržují vedoucí postavení. Navrhli množství levných a stabilních organokatalyzátorů, které lze použít k řízení obrovského množství chemických reakcí.
Nejenže se organokatalyzátory často skládají z jednoduchých molekul, ale v některých případech - stejně jako přírodní enzymy - mohou pracovat velice rychle. Dříve bylo v chemických výrobních procesech nutné izolovat a čistit každý meziprodukt. Organokatalyzátory ale umí spustit takzvanou kaskádovou reakci, která nejen celý proces umí urychlit, ale také při výrobě snižuje množství odpadu.
Cesta k lékům
Typickým příkladem toho, jak organoanalýza pomohla, je výroba strychninu. Tato látka je sice známá především jako jed z detektivek, ale používá se i jako lék. Jenže její výroba je nesmírně složitá: vyžadovala 29 různých chemických reakcí a strychnin tvořil jenom 0,0009 % výchozího materiálu - zbytek byl odpad, který se vyhodil. Od roku 2011 se ale strychnin vyrábí pomocí organokatalýzy a kaskádové reakce: je k tomu potřeba jen 12 kroků a výrobní proces je 7000krát účinnější než v minulosti.
Organokatalýza má významný vliv na farmaceutický výzkum, který často vyžaduje asymetrickou katalýzu. Dokud chemici neuměli provádět asymetrickou katalýzu, obsahovala řada léčiv oba zrcadlové obrazy molekuly; jeden z nich byl aktivní, zatímco druhý mohl mít někdy nežádoucí účinky. Katastrofálním příkladem byl skandál s thalidomidem v 60. letech 20. století, kdy jeden zrcadlový obraz léčiva thalidomid způsobil vážné deformace u tisíců vyvíjejících se lidských embryí.
Pomocí organokatalýzy teď mohou vědci relativně jednoduše vyrábět velké objemy různých asymetrických molekul. Mohou tak například uměle vyrábět potenciálně léčivé látky, které lze jinak izolovat jen v malých množstvích ze vzácných rostlin nebo hlubokomořských organismů.
Ve farmaceutických firmách se tato metoda používá také k zefektivnění výroby už existujících léčiv. Příkladem je paroxetin, který se používá k léčbě úzkosti a deprese, a antivirová látka oseltamivir (známá v léku Tamiflu), která se používá k léčbě chřipky.
- Německý chemik, působí v ústavu Maxe Plancka pro výzkum uhlí v německém městě Mülheim an der Ruhr a je také významným vědcem v ústavu pro tvorbu a výzkum chemických reakcí na Hokkaidské univerzitě v Japonsku.
- Jeho výzkum se soustředí vývoj nových forem katalýzy, mimo jiné v oblasti organokatalýzy, na bioorganickou chemii a na syntézu přírodních produktů.
- Narodil se 11. ledna 1968 ve Frankfurtu nad Mohanem, v roce 1993 vystudoval chemii na berlínské Svobodné univerzitě, v roce 1997 získal doktorát na Frankfurtské univerzitě.
- Postdoktorandské studium absolvoval ve Scrippsově výzkumném ústavu v kalifornské La Jolla, kde poté pracoval až do roku 2003 jako asistující profesor. Potom se vrátil do Německa do ústavu Maxe Plancka pro výzkum uhlí, kde byl v letech 2003 až 2005 vedoucím výzkumné skupiny a od roku 2005 je zde ředitelem a řádným profesorem.
- - V roce 2004 byl jmenován čestným profesorem univerzity v Kolíně nad Rýnem. Je autorem mnoha odborných článků a publikací, například titulů Asymetrická organokatalýza, Organokatalýza a dalších. Za jeho práci v oblasti organokatalýzy mu byla v roce 2016 udělena cena Gottfrieda Wilhelma Leibnize, za své vědecké úsilí získal i řadu dalších ocenění
- Vědecký tým pod vedením tohoto britského rodáka působícího ve Spojených státech se zaměřuje na oblast organické syntézy a katalýzy, zejména na vývoj obecných strategií, které lze implementovat v širokém spektru chemických procesů. Důraz klade především na syntézu složek převládajících v léčivech, agrochemikáliích a přírodních produktech.
- Jeho výzkum v oblasti organokatalýzy učinil z tohoto oboru jednu z celosvětově nejvíce publikovaných oblastí katalytické chemie. MacMillan přispěl k vývoji nové třídy organokatalyckých procesů, jako jsou iminiová katalýza, somo katalýza a fotoredoxová katalýza.
- letech 2010 až 2014 byl šéfredaktorem vědeckého časopisu Chemical Science, který vydává britská Královská chemická společnost. V letech 2010 byl šéfem katedry chemie na Princetonské univerzitě.
- Narodil se v roce 1968 ve skotském Bellshillu. Vystudoval chemii na univerzitě v Glasgow, v roce 1996 získal doktorský titul na americké Kalifornské univerzitě v Irvine. Poté absolvoval postdoktorandské studium na Harvardově univerzitě. Svoji výzkumnou kariéru zahájil na chemické fakultě Kalifornské univerzity v Berkeley v roce 1998. Od roku 2006 působí na Princetonské univerzitě.
- Držitel řady prestižních vědeckých ocenění je členem britské Královské společnosti, americké Národní akademie věd či americké Akademie umění a věd.
Chemie a další Nobelovy ceny
Loni toto ocenění dostaly biochemičky Emmanuelle Charpentierová a Jennifer Doudnaová za vývoj takzvaných molekulárních nůžek, s jejichž pomocí mohou vědci s vysokou přesností změnit genetickou informaci živočichů, rostlin a mikroorganismů.
V pondělí byla ohlášena Nobelova cena za lékařství, v úterý za fyziku. Ocenění, které je dotované deseti miliony švédských korun (zhruba 25 milionů korun), bude ve čtvrtek oznámeno ještě za literaturu, v pátek za mír a na závěr příští pondělí také za ekonomii. Ceny se slavnostně předávají 10. prosince, na výročí úmrtí jejich zakladatele a vynálezce dynamitu Alfreda Nobela.