მეთვრამეტე საუკუნეში, თანამედროვე ქიმიის დაბადებიდან მოყოლებული დღემდე, უამრავი ქიმიკოსი ბუნებას მისაბაძ მაგალითად იყენებს. საკუთრივ, სიცოცხლეა იმის დასტური, რომ ბუნებას რთული ქიმიური ნაერთების შექმნა ძალუძს. დიდებულმა მოლეკულურმა სტრუქტურებმა მცენარეებში, მიკროორგანიზმებში და ცხოველებში მკვლევრებში მსგავი, ხელოვნური მოლეკულების შექმნის ინტერესი გააღვივა. ბუნებრივი მოლეკულების იმიტაცია კი ფარმაცევტიკის განვითარების უმნიშვნელოვანესი წინაპირობაა, რადგან ბევრი წამალი ზუსტადაც ბუნებრივ შემადგენლობებს ბაძავს.

დღეს უკვე რთული მეთოდების გამოყენებით ქიმიკოსებს საკუთარ ლაბორატორიებში გასაოცარი მოლეკულების შექმნა შეუძლიათ. ერთი გამოწვევა ისაა, რომ რთული მოლეკულები რამდენიმე საფეხურით იქმნება და თითოეულ საფეხურს არასასურველი თანმდევი პროდუქტი მოჰყვება – ზოგჯერ ბევრი, ზოგჯერ ცოტა. პროცესის გაგრძელებამდე ყოველ ეტაპზე ამ თანმდევი პროდუქტების მოცილებაა საჭირო და პროცესში შეიძლება იმდენი ნივთიერება დაიკარგოს, რომ ბოლოს აღარაფერი დარჩეს. როგორც არ უნდა იყოს, ქიმიკოსები საკუთარ მიზანს თითქმის ყოველთვის აღწევენ, თუმცა საქმე ისაა, რომ ამისთვის ისინი კოლოსალურ დროს, ფულსა და ენერგიას ხარჯავენ. ქიმიაში 2022 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატებმა იპოვეს ახალი გზები, რათა უკვე არსებული ურთულესი პროცესები გაამარტივონ.

ქიმიამ ფუნქციონალიზმის ერაში შეაბიჯა

ყველაფერი იწყება ბარი შარპლესით — ადამიანით, რომელმაც ქიმიაში უკვე მეორე ნობელის პრემია მიიღო. გასული საუკუნის მიწურულს მან ქიმიის ფუნქციური ფორმისთვის შემოიღო ტერმინი კლიკ-ქიმია, რომელშიც სამშენებლო მოლეკულური ბლოკები ერთმანეთს სწრაფად და ეფექტურად უერთდება. ახალი დარგი მწვერვალს აღწევს, როდესაც საკუთრივ მან და მორტენ მელდალმა (ერთმანეთის დამოუკიდებლად) აღმოაჩინეს კლიკ-ქიმიის გვირგვინი: აზიდ-ალკინური ციტოშენაერთი(დანამატი), რომელშიც კატალიზატორის როლს სპილენძი ასრულებს (the copper catalysed azide-alkyne cycloaddition).

კაროლინ ბერტოზიმ კი განავითარა კლიკ რექაციები, რომლეთა გამოყენებაც ცოცხალ ორგანიზმებშია შესაძლებელი. მისი ბიოორტოგონალურ რექციებს — რომლებიც უჯრედში არსებულ ბუნებრივ ქიმიას არ ცვლიან — ფართოდ იყენებენ უჯრედის ფუნქციონირებაზე დასაკვირვებლად. ზოგი მკვლევარი ამ მეთოდებს სიმსივნის დიაგნოსტირებასა და მკურნალობაში იყენებს (ამას ოდნავ მოგვიანებით დავუბრუნდებით). ახლა კი მოდით, ჯერ განვიხილოთ ის ორი მიღწევა, რომლებმაც ავტორებს ნობელის პრემია მოუტანა.

შარპლესს სჯერა, რომ ქიმიკოსებს ახალი იდეალი სჭირდებათ

პირველი მიღწევის განხილვას 2001 წლიდან ვიწყებთ, როდესაც შარპლესმა თავისი პირველი ნობელის პრემია მიიღო. ჯერ კიდევ მაშინ ის სამეცნიერო ჟურნალებში ქიმიისადმი ახალ და მინიმალისტურ მიდგომას უჭერდა მხარს. მას სჯეროდა, რომ დადგა დრო, როდესაც ქიმიკოსები აღარ უნდა იმიტირებდნენ ბუნებრივ მოლეკულებს. ეს ხშირად მთავრდება იმით, რომ მეცნიერები იღებენ ძალიან რთულ მოლეკულურ სტრუქტურებს, რომელთა გამეორება ასევე ძალიან რთულია. ეს კი ფარმაკოლოგიის განვითარებას აფერხებს.

თუ ამა თუ იმ პრეპარატისთვის საჭირო ნივთიერებას აღმოაჩენენ ბუნებაში, ლაბორატორიულ პირობებში მისი ინ-ვიტრო ტესტირება შესაძლებელია, თუმცა როგორც კი საქმე ინდუსტრიულ წარმოებაზე (ანუ დიდი რაოდენობით) მიდგება, უარავი პრობლემა იჩენს თავს. შარპლესმა ამის საილუსტრაციოდ ძლიერი ანტიბიოტიკი, მეროპენემი გამოიყენა. ამ პრეპარატის მოლეკულის ინდუსტრიულ წარმოებას ექვსი წელი დასჭირდა.

მოლეკულისთვის ბიძგის მიცემა ძვირი ჯდება

ბარი შარპლეს მიხედვით, ქიმიკოსებისთვის ერთ-ერთი დიდი დაბრკოლება არის ნახშირბადის ატომებს შორის არსებული კავშირები, რომლებიც ერთობ მნიშვნელოვანია სიცოცხლის ქიმიისთვის. პრინციპში, ყველა ბიომოლეკულას აქვს ერთმანეთთან შეერთებული ნახშირბადის ატომების კარკასი, სტრუქტურა. სიცოცხლემ განავითარა მეთოდი, რათა მსგავსი სტრუქტურები შექმნას, მაგრამ ქიმიკოსებს ხელოვნურად ამის გაკეთება უჭირთ. მიზეზი ისაა, რომ სხვადასხვა მოლეკულის ნახშირბადის ატომებს აკლიათ "ქიმიური ნებისყოფა", რათა კავშირები დაამყარონ, ამიტომ აუცილებელია მათი ხელოვნურად აქტივაცია. ეს უკანასკნელი კი ხშირად ძალიან ძვირი ჯდება და უამრავ არასასურველ გვერდით რეაქციას წარმოქმნის.

იმის ნაცვლად, რომ ნახშირბადის ზარმაც ატომს უბიძგო, რომ რექციაში შევიდეს სხვებთან, ბარი შარპლესმა ურჩია საკუთარ კოლეგებს, რომ დაეწყოთ მცირე მოლეკულებით, რომელთაც დასრულებული ნახშირბადის კარკასი აქვთ. შემდეგ შესაძლებელია, რომ ეს მოლეკულები ერთმანეთს აზოტის ან ჟანგბადის ატომებით დავაკავშიროთ, რადგან ამ უკანასკნელთა მართვა შედარებით მარტივია. თუ ქიმიკოსები საწყისად აიღებენ მარტივ რეაქციებს, მაშინ ისინი თავიდან აირიდებენ გვერდით რეაქციებსა და ხარჯიან დანაკარგებს.

კლიკ-რეაქცია, რომელმაც ქიმია შეცვალა

ბარი შარპლესმა მოლეკულების აშენების თავის ამ მეთოდს კლიკ-ქიმია დაარქვა და აღნიშნა — რომც ვერ მოხერხდეს ბუნებრივი მოლეკულის ზუსტი ასლის მონახვა, ყოველთვის იქნება შესაძლებლობა, შექმნა ალტერნატიული, რომელიც ბუნებრივს ჩაანაცვლებს. მარტივი ქიმიური ბლოკების ერთმანეთთან მიერთება შესაძლებელს ხდის, თითქმის უსასრულო ვარიაციის მოლეკულები შექმნა.

2001 წლის საკუთარ ნაშრომში მან ჩამოაყალიბა რამდენიმე კრიტერიუმი, რომელთა დაკმაყოფილებაც აუცილებელია, რათა რეაქციას კლიკ-ქიმია ეწოდოს. ერთ-ერთი მოთხოვნა ისაა, რომ რეაქცია უნდა მიმდინარეობდეს ჟანგბადის მონაწილეობით წყალში, რომელიც იაფი და ეკოლოგიურად სუფთა გამხსნელია.

მან ასევე შემოგვთავაზა რამდენიმე არსებული მაგალითი, რომელიც ყველა მოთხოვნას აკმაყოფილებს. თუმცა მაშინ ჯერ არავინ იცოდა საოცარი რეაქციის შესახებ, რომელიც დღეს კლიკ-ქიმიის სინონიმად გამოიყენება: აზიდ-ალკინური ციტოშენაერთი(დანამატი), რომელშიც კატალიზატორის როლს სპილენძი ასრულებს.

კლიკ რეაქცია, რომელმაც ქიმია შეცვალა

აზიდები და ალკინები სპილენძის იონების დამატებისას სხვადასხვანაირად რეაგირებენ. დღეს ამ მეთოდს ფართოდ იყენებენ, რათა მოლეკულები ერთმანეთთან მარტივი გზით დააკავშირონ.

მოულოდნელი ნივთიერება მელდალის ჯაჭვურ რეაქციაში

ყველაზე დიდი სამეცნიერო გარღვევები ხდება მაშინ, როდესაც მეცნიერები ამას ყველაზე ნაკლებად ელოდებიან და ზუსტად ასე მოხდა მორტენ მელდალის შემთხვევაშიც. საუკუნის დასაწყისში ის ავითარებდა მეთოდებს, რათა პოტენციური ფარმაკოლოგიური ნივთიერებები აღმოეჩინა. მან მოლეკულების უზარმაზარი ბიბლიოთეკა შექმნა, რომელიც ასობით ათასობით სხვადასხვა ნივთიერებას მოიცავს და შემდეგ ისინი გამოსცადა, რათა ენახა, რამდენადაა შესაძლებელი პათოგენური პროცესის ბლოკირება.

ამის გაკეთებისას ის და მისი კოლეგები აპრობირებულ წესებს მიჰყვებოდნენ. მათი მიზანი იყო ალკინის რეაქცია აცილის ჰალიდთან. რეაქცია, როგორც წესი, მარტივად მიმდინარეობს, თუ მას დაუმატებთ სპილენძის რამდენიმე იონსა და შეიძლება პალადიუმიც. მაგრამ როდესაც მელდალმა გააანალიზა, თუ რა მოხდა ჯაჭვურ რეაქციაში, ის მოულოდნელ რაღაცას წააწყდა. აღმოჩნდა, რომ ალკინი აცილის ჰალიდის არასწორ ბოლოსთან შევიდა რეაქციაში. ამ დაბოლოებაზე კი იყო ქიმიური ჯგუფი აზიდი. ალკინმა აზიდთან ერთად შექმნა რგოლის ფორმის სტრუქტურა — ტრიაზოლი.

ეს რეაქცია განსაკუთრებული იყო

ხალხმა, რომელიც მცირედით მაინც ერკვევა ქიმიაში, იცის, რომ ტრიაზოლს დიდი გამოყენება აქვს; ის მდგრადია და ბევრ ფარმაკოლოგიურ პრეპარატში, აზოსაღებავსა და აგრარულ ქიმიკატებში გვხვდება. გამოდინარე იქიდან, რომ ტრიაზოლი საკმაოდ სასურველი ქიმიური სამშენებლო ბლოკია, მეცნიერები ადრეც ცდილობდნენ ალკინისა და აზიდის მეშვეობით მის მიღებას, თუმცა ამას ყოველთვის არასასურველი თანმდევი პროდუქტები მოჰყვებოდა. მორტენ მელდალმა გაიაზრა, რომ სპილენძის იონებმა რეაქცია ისე წარმართეს, რომ თანმდევი პროდუქტები არ გამოიყო. აცილის ჰალიდიც კი, რომელიც წესით ალკინს უნდა მიერთებოდა, მეტნაკლებად უცვლელი დარჩა რეაქციაში. ზუსტად ამიტომ გახდა მელდალისთვის გასაგები, რომ აზიდსა და ალკინს შორის რეაქცია არის განსაკუთრებული.

მან პირველად საკუთარი აღმოჩენა 2001 წელს, სან დიეგოს სიმპოზიუმზე წარადგინა. მომდევნო წელს კი მან სამეცნიერო ჟურნალში გამოქვეყნა ნაშრომი, სადაც აჩვენა, რომ შესაძლებელია ამ რეაქციის გამოყენება, რათა სხვადასხვა მოლეკული დაკავშირდეს ერთმანეთთან.

მოლეკულები ერთმანეთს სწრაფად და ეფექტურად უკავშირდებიან

იმავე წელს მელდალისგან დამოუკიდებლად შარპლესმაც გამოაქვეყნა ნაშრომი, რომელშიც აჩვენა სპილენძის კატალიზატორის როლი აზიდისა და ალიკის რეაქციაში. მან ის იდეალურ კლიკ-რეაქციად დაახასიათა, რომელსაც დიდი პოტენციალი აქვს. ორივეს პროგნოზი გამართლდა — თუ დღეს ქიმიკოსებს ორი მოლეკულის ერთანეთთან დაკავშირება სურთ, ერთში აზიდს ჩართავენ, მეორეში ალკინს და შემდეგ სპილენძის იონებით ერთმანეთთან აკავშირებენ.

ამ სიმარტივემ სრულიად ახალი მატერიების შექმნა გახადა შესაძლებელი

კლიკ-რეაქციებით უკვე ახალი მატერიების შექმნაც არის შესაძლებელი. თუ მწარმოებელი კლიკ-რექციის თვისებების მქონე აზიდს დაამატებს პოლიეთილენში ან ბოჭკოში, ის თვისობრივად სხვა მასალს მიიღებს; სასურველ ნივთიერებას შეგიძლია მიამაგრო, დააკავშირო ისეთი სუბსტანციები, რომლებიც ატარებენ დენს, იკავებენ მზის სხივებს, არიან ანტიბაქტერიულები ან აქვთ სხვა საინტერესო მახასიათებლები.

ძალიან ბევრი მაგალითია, რომელშიც კლიკ-ქიმია შეიძლება, გამოვიყენოთ, თუმცა ერთი რამ, რაც შარპლესმა ვერ იწინასწარმეტყველა, იყო მისი გამოყენება ცოცხალ ორგანიზმებში. ახლა ვისაუბრებთ მეორე დიდ მიღწევაზე, რომელმაც ნობელის პრემია 2022 მოიგო.

ბერტოზიმ ბუნდოვანი ნახშირწყლის შესწავლა დაიწყო

აღმოჩენის ისტორია 1990-იანებში იწყება, როდესაც ბიოქიმია და მოლეკულური ბიოლოგია პროგრესის პიკში იყო. მოლეკულური ბიოლოგიის უახლესი მეთოდების გამოყენებით მკვლევრები მთელი მსოფლიოდან ცდილობდნენ გენებისა და ცილების გაშიფვრას, რათა უკეთ გაეგოთ, როგორ მუშაობს უჯრედი. იმ პერიოდში თითქმის ყოველდრიურად იქმნებოდა ახალი ცოდნა სფეროში, რომელიც ერთ დროს terra incognita-ად იყო.

თუმცა მაშინ მოლეკულების ერთ ჯგუფს — გლიკანებს — ნაკლები ყურადღება მიაქციეს. ეს არის კომპლექსური ნახშირწყლები, რომლებიც სხვადასხვა ტიპის შაქრისგან შედგება და ხშირად ცილებისა და უჯრედების ზედაპირზე მდებარეობს. ისინი სასიცოცხლო პროცესებში (მაგალითად, ავადობისას) მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ. გლიკანები მართლაც საინტერესოა, თუმცა მაშინ არსებული მეთოდებით მისი შესწავლა პრობლემური იყო. მხოლოდ რამდენიმე მეცნიერს გამოსდიოდა ეს და მათ შორის იყო კაროლინ ბერტოზი.

ბერტოზის საოცარი იდეა ჰქონდა...

1990-იანების დასაწყისში ბერტოზიმ დაიწყო იმ გლიკანის შესწავლა, რომელიც ლიმფურ კვანძებში იზიდავს იმუნურ უჯრედებს. ეფექტური მეთოდების არარსებობის გამო მას 4 წელი დასჭირდა იმის გასაგებად, თუ როგორ მუშაობს გლიკანი. ამ რთულ პროცესში მას საოცარი იდეა მოუვიდა თავში. ერთ-ერთ სემინარზე ის უსმენდა გერმანელ მეცნიერს, რომელიც ხსნიდა, როგორ მოახერხა მან უჯრედის მიერ სიალური მჟავის არაბუნებრივი ვარიანტის მიღება. ეს მჟავა ერთ-ერთი შაქარია, რომლისგანაც გლიკანები შედგება. შემდეგ ბერტოზი დაინტერესდა, შეუძლია თუ არა მას უჯრედს ისეთი სიალური მჟავა აწარმოებინოს, რომლისთვის თვალის დევნებაც იქნება შესაძლებელი (მასზე ქიმიური მარკერის მიბმით). თუ ის მოახერხებს შემდეგ ამ სიალური მჟავის ჩაშენებას გლიკანებში, მაშინ მასზე ფლუორესცენციური მოლეკულის მიმაგრებით შეძლებს იმის დანახვას, თუ სად იმალება გლიკანები უჯრედში.

ეს არ იყო მარტივი საქმე. ბერტოზის ისეთი მოლეკულა უნდა მოეძიებინა, რომელიც რეაქციაში არაფერს შეცვლიდა, მაგრამ იქნებოდა მიბმული ნაერთს და გაანათებდა. ასეთი აღმოჩნდა ზუსტად ფლუორესცენციური მოლეკულა.

დაე, დაფარულმა გლიკანებმა გამოავლინონ საკუთარი თავი

1997 წელს კაროლინ ბერტოზიმ დაამტკიცა, რომ მისი იდეა მუშაობს. შემდეგი გარღვევა მოხდა 2000 წელს, როდესაც მან კიდევ ერთი ქიმიური მარკერი — აზიდი აღმოაჩინა. ზუსტად ამ ანიონის სტრუქტურიდან გამომდინარე გახდა შესაძლებელი მისი ინტეგრირება ცოცხალ ორგანიზმებში. ამგვარად, მან ბიოქიმიაში ბევრი რამ შეცვალა — ახლა უკვე შესაძლებელი გახდა ცოცხალ ორგანიზმებში უჯრედებზე დაკვირვება. ბერტოზიმ ისიც იცოდა, რომ მის აზიდს სპილენძის იონების დახმარებით ალკინთან მიერთებაც შეეძლო. თუმცა პრობლემა იყო ის, რომ სპილენძის იონები ჯანმრთელობისთვის მავნეა, ამიტომ მან გააგრძელა კვლევა და აღმოაჩინა, რომ თუ ალკინს რგოლისებურ ფორმას მისცემდა, მას იმდენი ენერგია ექნებოდა, რომ კატალიზატორის დახმარების გარეშე შეძლებდა აზიდთან რეაქციაში შესვლას. მან ეს აღმოჩენა 2004 წელს სამეცნიერო ნაშრომის სახით გამოქვეყნა.

ამის შემდეგ ბერტოზი კონკრეტულად იმ გლიკანებზე კონცენტრირდა, რომლებიც სიმსივნურ უჯრედებზე მდებარეობს. მან აღმოაჩინა, რომ ზოგიერთი გლიკანი სიმსივნურ უჯრედებს იმუნური პასუხისგან იცავს და ხელს უწყობს ორგანიზმში მათ გავრცელებას. მისმა გუნდმა გადაწყვიტა, დაებლოკა ამ გლიკანების ეს ფუნქცია და ამ მიზნით სპეციალური ანტისხეული მიუერთეს ფერმენტს, რომელსაც ეს გლიკანები უნდა გაენადგურებინა. ამჟამად ეს პრეპარატი კლინიკურ ცდებს გადის.

ელეგანტური, ჭკვიანური, ახალი და, რაც მთავარია, გამოყენებადი

ჩვენ ჯერ ზუსტად არ ვიცით, როგორი შედეგით დასრულდება კლინიკური ცდები, თუმცა ერთი რამ ცხადია — კლიკ-ქიმიამ და ბიოორტოგონალურმა რეაქციებმა ქიმია სულ სხვა საფეხურზე აიყვანა. ელეგანტური, ჭკვიანური, ახალი და გამოყენებადი — ზუსტად ასეთია წლევანდელი სამი ნობელიანტის აღმოჩენები. მათ ურთულესი პროცესები გაამარტივეს, რითაც კაცობრიობას კოლოსალური დრო და ენერგია დაუზოგეს. როგორც ამბობენ, ყველაფერი გენიალური მარტივია.