Giải Nobel cho ba nhà hóa học đã tạo ra các phân tử 'cú nhấp'
Tổng thư ký của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển Hans Ellegren ở giữa, Jonas Aqvist, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, bên trái, và Olof Ramstrom, thành viên Ủy ban Nobel Hóa học công bố những người đoạt giải Nobel Hóa học năm 2022 trong một họp báo tại Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển ở Stockholm, Thụy Điển, Thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022. Những người đoạt giải Nobel hóa học 2022 là Caroline R. Bertozzi của Hoa Kỳ, Morten Meldal của Đan Mạch và K. Barry Sharpless của Hoa Kỳ. Ảnh: Christine Olsson / TT News Agency qua AP
Ba nhà khoa học đã cùng được trao giải Nobel hóa học năm nay vào thứ Tư vì đã phát triển một phương pháp "bắt các phân tử lại với nhau" có thể được sử dụng để khám phá tế bào, lập bản đồ DNA và thiết kế các loại thuốc có thể nhắm mục tiêu chính xác hơn các bệnh như ung thư.
Người Mỹ Carolyn R. Bertozzi và K. Barry Sharpless, và nhà khoa học Đan Mạch Morten Meldal đã được trích dẫn cho công trình nghiên cứu hóa học nhấp chuột hoạt động "giống như Lego phân tử."
Johan Aqvist, thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, người đã công bố những người chiến thắng tại Viện Karolinska ở Stockholm, cho biết: “Tất cả chỉ là về việc gắn kết các phân tử lại với nhau.
Sharpless, 81 tuổi, từng đoạt giải Nobel năm 2001 và hiện là người thứ năm hai lần nhận giải, lần đầu tiên đề xuất ý tưởng kết nối các phân tử bằng cách sử dụng "khóa" hóa học vào khoảng đầu thiên niên kỷ, Aqvist nói.
Ông nói: “Vấn đề là phải tìm ra những khóa hóa chất tốt. "Họ phải phản ứng với nhau một cách dễ dàng và cụ thể."
Meldal, 68 tuổi, có trụ sở tại Đại học Copenhagen và Sharpless, người liên kết với Scripps Research ở California, đã độc lập tìm thấy những ứng viên đầu tiên như vậy có thể dễ dàng bắt cặp với nhau nhưng không phải với các phân tử khác, dẫn đến ứng dụng trong sản xuất thuốc và polyme.
Bertozzi, 55 tuổi, làm việc tại Đại học Stanford đã "đưa hóa học nhấp chuột lên một tầm cao mới", hội đồng giải Nobel cho biết, bằng cách tìm ra cách làm cho quá trình hoạt động bên trong cơ thể sống mà không làm gián đoạn chúng.
Giáo sư Carolyn Bertozzi của Stanford gửi email chúc mừng ngay sau khi biết tin bà được trao giải Nobel hóa học vào thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022, tại Palo Alto, California. Giải Nobel hóa học năm nay đã được trao cho người Mỹ Bertozzi và K. Barry Sharpless , và nhà khoa học Đan Mạch Morten Meldal vì đã phát triển một cách "gắn các phân tử lại với nhau" có thể được sử dụng để thiết kế các loại thuốc tốt hơn. Ảnh: AP Photo / Noah Berger
Mục tiêu là "thực hiện hóa học bên trong bệnh nhân con người để đảm bảo rằng thuốc đi đến đúng nơi và tránh xa nơi sai", cô nói tại một cuộc họp báo sau thông báo.
Cô nói, giải thưởng là một cú sốc. "Tôi vẫn không hoàn toàn tích cực rằng nó có thật, nhưng nó đang trở nên thật hơn theo từng phút."
Sau đó, nói với Associated Press by Zoom, Bertozzi cho biết một trong những người đầu tiên cô gọi sau khi bị đánh thức bởi cuộc gọi vào khoảng 2 giờ sáng là cha cô, William Bertozzi, một nhà vật lý đã nghỉ hưu và là một con cú đêm, người vẫn thức xem TV.
“Bố, hãy vặn nhỏ TV xuống, con có chuyện muốn nói với bố.” Cô nói với anh. Sau khi cô đảm bảo với anh rằng không có gì sai, anh đã đoán được tin tức. "Anh đã giành được nó, phải không?"
Một trong ba cô con gái, Bertozzi nói rằng cô ấy "may mắn vì tôi lớn lên với những bậc cha mẹ rất ủng hộ, gần như truyền bá phúc âm, về việc để con gái của họ tham gia vào các ngành khoa học."
Bức ảnh không ghi ngày tháng do Viện Công nghệ Georgia cung cấp cho thấy K. Barry Sharpless. Ba nhà khoa học đã cùng được trao giải Nobel hóa học năm nay vào thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022 vì đã phát triển một cách "gắn các phân tử lại với nhau" có thể được sử dụng để thiết kế các loại thuốc tốt hơn, bao gồm cả những loại thuốc nhắm vào các bệnh như ung thư chính xác hơn. Người Mỹ Sharpless và Carolyn R. Bertozzi và nhà khoa học Đan Mạch Morten Meldal đã được trích dẫn cho công trình nghiên cứu của họ về hóa học nhấp chuột và phản ứng sinh học, được sử dụng để sản xuất thuốc điều trị ung thư, lập bản đồ DNA và tạo ra các vật liệu phù hợp với một mục đích cụ thể. Ảnh: Viện Công nghệ Georgia qua AP
Bertozzi, người được trả bởi Viện Y tế Howard Hughes, nơi cũng hỗ trợ Phòng Khoa học và Sức khỏe của Associated Press, cho biết cô rất biết ơn vì năng lượng và sự nhiệt tình mà một người đoạt giải Nobel sẽ đưa vào lĩnh vực này.
Meldal cho biết ông đã nhận được cuộc gọi từ hội đồng Nobel khoảng nửa giờ trước khi thông báo công khai. "Họ ... bảo tôi không được nói với ai", anh nói với AP và nói thêm rằng anh chỉ ngồi trong văn phòng của mình, hơi run.
Meldal khởi nghiệp là một kỹ sư, "nhưng tôi muốn hiểu thế giới nên tôi nghĩ hóa học sẽ cho tôi giải pháp."
Jon Lorsch, giám đốc Viện Khoa học Y khoa Tổng quát Quốc gia Hoa Kỳ, hỗ trợ công trình của Bertozzi và Sharpless, đã mô tả hóa học nhấp chuột là "giống như Lego phân tử — bạn có một nhóm trên một phân tử cụ thể
Jon Lorsch, giám đốc Viện Khoa học Y khoa Tổng quát Quốc gia Hoa Kỳ, hỗ trợ công trình của Bertozzi và Sharpless, đã mô tả hóa học nhấp chuột là "giống như Lego phân tử — bạn có một nhóm trên một phân tử cụ thể gắn vào một nhóm trên một phân tử khác, "giống như Lego nhấp vào nhau.
Giáo sư Carolyn Bertozzi của Stanford thảo luận về nghiên cứu của cô ấy ngay sau khi biết rằng cô ấy đã được trao giải Nobel hóa học vào thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022, tại Palo Alto, California. Giải Nobel hóa học năm nay đã được trao cho người Mỹ Bertozzi và K. Barry Sharpless , và nhà khoa học Đan Mạch Morten Meldal vì đã phát triển một cách "gắn các phân tử lại với nhau" có thể được sử dụng để thiết kế các loại thuốc tốt hơn. Ảnh: AP Photo / Noah Berger
Ông nói: “Điều đó làm cho nó có thể gắn các phân tử theo những cách rất cụ thể đã được xác định trước,” và cung cấp cho các nhà khoa học một công cụ rất chính xác để tạo ra các phân tử mới phức tạp để sử dụng trong thuốc, vật liệu tổng hợp và các mục đích sử dụng khác.
Tuy nhiên, lần lặp lại đầu tiên của hóa học nhấp chuột không thể được sử dụng với các tế bào sống. Lorsch cho biết: “Hóa học kích ban đầu sử dụng đồng làm chất xúc tác để liên kết các phân tử. "Nhưng rắc rối là đồng độc hại đối với hầu hết các hệ thống sống ở nồng độ cao hơn."
Bertozzi sau đó đã nghĩ ra một cách để bắt đầu các phản ứng mà không có đồng hoặc các dung môi độc hại khác - mở rộng ứng dụng cho các mô của con người và động vật.
Angela Wilson, chủ tịch Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ cho biết: “Có thể hoạt động mà không cần dung môi nguy hiểm, đã mở ra nhiều cánh cửa mới — nó cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các loại phản ứng mới thực sự diễn ra trong cơ thể con người,” Angela Wilson, chủ tịch Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ cho biết.
Điều đó đã cho phép các nhà khoa học gắn thuốc nhuộm vào tế bào ung thư để theo dõi chuyển động của chúng và phân tích chúng khác với mô khỏe mạnh như thế nào.
Wilson tin rằng những tiến bộ của những người đoạt giải Nobel năm nay "sẽ cho phép y học cá thể hóa nhiều hơn trong tương lai vì chúng ta thực sự có thể theo dõi mọi thứ tốt hơn nhiều trong cơ thể con người."
Sharpless ghi nhận niềm đam mê tìm kiếm những điều không thể và không chấp nhận giới hạn đã giúp anh vấp ngã khi khám phá ra những điều của mình.
“Tôi thực sự may mắn khi có trí nhớ nhiếp ảnh và yêu thích bảng tuần hoàn,” anh ấy nói trong một cuộc họp báo ảo tại nhà riêng ở ngoại ô La Jolla của San Diego. "Giải thưởng không phải là thứ tôi đang làm khoa học. ... Tôi phải làm điều đó. Đó là một sự bắt buộc,"
M.G. Finn, một nhà hóa học hiện đang làm việc tại Georgia Tech, người đã hợp tác với Sharpless trong công trình đoạt giải Nobel của mình, cho biết việc sử dụng hóa chất nhấp chuột trong sinh học và phát triển thuốc vẫn còn ở "giai đoạn sơ khai", với nhiều khám phá thú vị sắp tới.
K. Barry Sharpless chỉ vào một vật mẫu được sử dụng trong công việc của mình, khi ông đứng trên ban công bên ngoài văn phòng tại nhà của mình ở La Jolla, California vào ngày 10 tháng 10 năm 2001. Giải Nobel hóa học năm nay đã được trao cho nhiều phần bằng nhau Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal và K. Barry Không hề nhạy bén vì đã phát triển cách “bắt các phân tử lại với nhau”. Nguồn: AP Photo / Denis Poroy
Meldal đồng ý.
Ông nói trong một cuộc họp báo ở Copenhagen là "rất nhiều cơ hội ... khi bạn nhận được giải thưởng này để tranh luận cho những người trẻ của chúng ta lấy hóa học làm một môn học". "Hóa học là giải pháp cho nhiều thách thức của chúng tôi."
Giải thưởng năm ngoái được trao cho các nhà khoa học Benjamin List và David W.C. MacMillan vì đã tìm ra một cách sạch hơn về mặt môi trường để tạo ra các phân tử mà hội đồng Nobel cho rằng "đã mang lại lợi ích to lớn cho loài người."
Một tuần công bố giải Nobel bắt đầu vào thứ Hai với nhà khoa học Thụy Điển Svante Paabo nhận giải thưởng trong y học vì đã mở khóa bí mật của DNA Neanderthal, cung cấp những hiểu biết quan trọng về hệ thống miễn dịch của chúng ta.
Ba nhà khoa học đã giành được giải thưởng vật lý hôm thứ ba. Alain Aspect người Pháp, John F. Clauser người Mỹ và Anton Zeilinger người Áo đã chỉ ra rằng các hạt nhỏ bé có thể giữ mối liên hệ với nhau ngay cả khi bị tách rời, một hiện tượng có thể được sử dụng cho máy tính chuyên dụng và mã hóa thông tin.
Jonas Aqvist, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, có mặt trong cuộc họp báo công bố những người đoạt giải Nobel Hóa học năm 2022, tại Học viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển ở Stockholm, Thụy Điển, Thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022. The những người đoạt giải Nobel hóa học năm 2022 là Caroline R. Bertozzi của Hoa Kỳ, Morten Meldal của Đan Mạch và K. Barry Sharpless của Hoa Kỳ. Ảnh: Christine Olsson / TT News Agency qua AP
Bức ảnh không ghi ngày tháng do Viện Công nghệ Georgia cung cấp cho thấy K. Barry Sharpless, ở giữa. Ba nhà khoa học đã cùng được trao giải Nobel hóa học năm nay vào thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022 vì đã phát triển một cách "gắn các phân tử lại với nhau" có thể được sử dụng để thiết kế các loại thuốc tốt hơn, bao gồm cả những loại thuốc nhắm vào các bệnh như ung thư chính xác hơn. Người Mỹ Sharpless và Carolyn R. Bertozzi và nhà khoa học người Đan Mạch
Morten Meldal đã được trích dẫn cho công trình của họ về hóa học nhấp chuột và phản ứng sinh học, được sử dụng để sản xuất thuốc điều trị ung thư, lập bản đồ DNA và tạo ra các vật liệu phù hợp với một mục đích cụ thể. Ảnh: Viện Công nghệ Georgia qua AP
Giáo sư Olof Ramstrom, thành viên của Ủy ban Nobel Hóa học, phát biểu trong cuộc họp báo công bố những người đoạt giải Nobel Hóa học năm 2022, tại Học viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển ở Stockholm, Thụy Điển, Thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022. The những người đoạt giải Nobel hóa học năm 2022 là Caroline R. Bertozzi của Hoa Kỳ, Morten Meldal của Đan Mạch và K. Barry Sharpless của Hoa Kỳ. Tín dụng: Christine Olsson / TT News Agency qua AP
Giáo sư Olof Ramstrom, thành viên của Ủy ban Nobel Hóa học, phát biểu trong cuộc họp báo công bố những người đoạt giải Nobel Hóa học năm 2022, tại Học viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển ở Stockholm, Thụy Điển, Thứ Tư, ngày 5 tháng 10 năm 2022. The những người đoạt giải Nobel hóa học năm 2022 là Caroline R. Bertozzi của Hoa Kỳ, Morten Meldal của Đan Mạch và K. Barry Sharpless của Hoa Kỳ. Ảnh: Christine Olsson / TT News Agency qua AP
Các giải thưởng tiếp tục với văn học vào thứ Năm. Giải Nobel Hòa bình năm 2022 sẽ được công bố vào thứ Sáu và giải kinh tế học vào thứ Hai.
Giải thưởng mang theo tiền mặt trị giá 10 triệu kronor Thụy Điển (gần 900.000 đô la) và sẽ được trao vào ngày 10 tháng 12. Số tiền này đến từ một di chúc do người tạo ra giải thưởng, nhà phát minh người Thụy Điển Alfred Nobel, để lại vào năm 1895.
Thông cáo báo chí của Ủy ban Nobel:
Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao giải Nobel Hóa học 2022 cho
Carolyn R. Bertozzi
Đại học Stanford, CA, Hoa Kỳ
Morten Meldal
Đại học Copenhagen, Đan Mạch
K. Barry Sharpless
Nghiên cứu Scripps, La Jolla, CA, Hoa Kỳ
"cho sự phát triển của hóa học nhấp chuột và hóa học sinh học"
Nó chỉ nói nhấp chuột — và các phân tử được kết hợp với nhau
Giải Nobel Hóa học 2022 là về việc làm cho các quá trình khó trở nên dễ dàng hơn. Barry Sharpless và Morten Meldal đã đặt nền móng cho một dạng hóa học chức năng — hóa học nhấp chuột — trong đó các khối cấu tạo phân tử kết hợp với nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả. Carolyn Bertozzi đã đưa hóa học nhấp chuột lên một chiều hướng mới và bắt đầu sử dụng nó trong các cơ thể sống.
Các nhà hóa học từ lâu đã bị thúc đẩy bởi mong muốn chế tạo các phân tử ngày càng phức tạp. Trong nghiên cứu dược phẩm, điều này thường liên quan đến việc tái tạo nhân tạo các phân tử tự nhiên có đặc tính y học. Điều này đã dẫn đến nhiều cấu trúc phân tử đáng ngưỡng mộ, nhưng chúng thường tốn thời gian và rất tốn kém để sản xuất.
Johan Åqvist, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, cho biết: "Giải thưởng Hóa học năm nay đề cập đến những vấn đề không quá phức tạp, thay vào đó là giải quyết những vấn đề dễ dàng và đơn giản.
Barry Sharpless - người hiện đang được trao giải Nobel Hóa học thứ hai - bắt đầu quả bóng lăn. Vào khoảng năm 2000, ông đã đưa ra khái niệm về hóa học nhấp nháy, là một dạng hóa học đơn giản và đáng tin cậy, nơi các phản ứng xảy ra nhanh chóng và tránh được các sản phẩm phụ không mong muốn.
Ngay sau đó, Morten Meldal và Barry Sharpless — độc lập với nhau — đã trình bày thứ mà bây giờ là viên ngọc quý của hóa học kích thích: sự xúc tác chu trình azide-alkyne của đồng. Đây là một phản ứng hóa học thanh lịch và hiệu quả hiện đang được sử dụng rộng rãi. Trong số nhiều ứng dụng khác, nó được sử dụng trong việc phát triển dược phẩm, để lập bản đồ DNA và tạo ra các vật liệu phù hợp hơn với mục đích.
Carolyn Bertozzi đã đưa hóa học nhấp chuột lên một tầm cao mới. Để lập bản đồ các phân tử sinh học quan trọng nhưng khó nắm bắt trên bề mặt tế bào — glycan — cô đã phát triển các phản ứng nhấp chuột hoạt động bên trong các cơ thể sống. Các phản ứng sinh học của cô ấy diễn ra mà không làm gián đoạn quá trình hóa học bình thường của tế bào.
Những phản ứng này hiện được sử dụng trên toàn cầu để khám phá tế bào và theo dõi các quá trình sinh học. Bằng cách sử dụng các phản ứng sinh học, các nhà nghiên cứu đã cải thiện khả năng nhắm mục tiêu của dược phẩm ung thư, hiện đang được thử nghiệm trong các thử nghiệm lâm sàng.
Hóa học nhấp chuột và phản ứng sinh học đã đưa hóa học vào kỷ nguyên của chủ nghĩa chức năng. Điều này đang mang lại lợi ích lớn nhất cho loài người.
Hóa học chức năng của họ hoạt động kỳ diệu
Đôi khi câu trả lời đơn giản là tốt nhất. Barry Sharpless và Morten Meldal được trao giải Nobel Hóa học 2022 vì họ đã đưa hóa học vào kỷ nguyên của chủ nghĩa chức năng và tạo tiền đề cho
các dation của hóa học nhấp nháy. Họ chia sẻ giải thưởng với Carolyn Bertozzi, người đã đưa hóa học nhấp chuột lên một chiều hướng mới và bắt đầu sử dụng nó để lập bản đồ các tế bào. Các phản ứng sinh học của cô ấy hiện đang góp phần vào nhiều phương pháp điều trị ung thư có mục tiêu hơn, trong số nhiều ứng dụng khác.
Kể từ sự ra đời của hóa học hiện đại vào thế kỷ thứ mười tám, nhiều nhà hóa học đã sử dụng tự nhiên như hình mẫu của họ. Bản thân sự sống là bằng chứng cuối cùng về khả năng tối cao của tự nhiên trong việc tạo ra sự phức tạp hóa học. Các cấu trúc phân tử tuyệt vời được tìm thấy trong thực vật, vi sinh vật và động vật đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu cố gắng tạo ra các phân tử giống nhau một cách nhân tạo. Bắt chước các phân tử tự nhiên cũng thường là một phần quan trọng trong quá trình phát triển dược phẩm, bởi vì nhiều người trong số họ đã được lấy cảm hứng từ các chất tự nhiên.
Hàng thế kỷ kiến thức tích lũy về hóa học đã chứng minh giá trị của nó. Sử dụng những công cụ tinh vi mà họ đã phát triển, các nhà hóa học giờ đây có thể tạo ra những phân tử đáng kinh ngạc nhất trong phòng thí nghiệm của họ. Tuy nhiên, một vấn đề khó khăn là các phân tử phức tạp phải được xây dựng theo nhiều bước, với mỗi bước tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn - đôi khi nhiều hơn và đôi khi ít hơn. Các sản phẩm phụ này phải được loại bỏ trước khi quy trình có thể tiếp tục và đối với các công trình xây dựng đòi hỏi sự mất mát nguyên liệu có thể lớn đến mức hầu như không còn lại gì. Các nhà hóa học thường đạt được những mục tiêu đầy thách thức của họ, nhưng lộ trình đó có thể vừa tốn thời gian vừa tốn kém. Giải Nobel Hóa học 2022 là về việc tìm ra các lý tưởng hóa học mới và để tính đơn giản và chức năng được ưu tiên.
Hóa học đã bước vào kỷ nguyên của chủ nghĩa chức năng
Barry Sharpless, người hiện đang được trao giải Nobel Hóa học lần thứ hai, là người bắt đầu quả cầu tuyết lăn. Vào khoảng đầu thế kỷ này, ông đã đặt ra khái niệm hóa học nhấp chuột cho một dạng hóa học chức năng, nơi các khối cấu tạo phân tử gắn lại với nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả. Quả cầu tuyết trở thành tuyết lở khi Morten Meldal và Barry Sharpless - độc lập với nhau - phát hiện ra thứ đã trở thành viên ngọc quý của hóa học kích thích: sự xúc tác chu trình azide-alkyne của đồng.
Carolyn Bertozzi đã phát triển các phản ứng nhấp chuột có thể được sử dụng bên trong các cơ thể sống. Các phản ứng sinh học của cô ấy - xảy ra mà không làm ảnh hưởng đến hóa học bình thường của tế bào - được sử dụng trên toàn cầu để lập bản đồ hoạt động của tế bào. Một số nhà nghiên cứu hiện đang tìm hiểu làm thế nào những phản ứng này có thể được sử dụng để chẩn đoán và điều trị ung thư. Bây giờ chúng ta hãy theo dõi chủ đề đầu tiên trong hai chủ đề dẫn đến giải Nobel Hóa học 2022.
Sharpless tin rằng các nhà hóa học cần những lý tưởng mới
Chúng tôi bắt đầu làm sáng tỏ chủ đề này vào năm 2001, cùng năm mà Barry Sharpless nhận giải Nobel Hóa học đầu tiên của mình. Tuy nhiên, điều đó vẫn chưa xảy ra khi ông, trên một tạp chí khoa học, lập luận cho một cách tiếp cận mới và tối giản trong hóa học. Ông tin rằng đã đến lúc các nhà hóa học ngừng bắt chước các phân tử tự nhiên. Điều này thường dẫn đến các cấu trúc phân tử rất khó để làm chủ, đây là một trở ngại cho sự phát triển của các loại dược phẩm mới.
Nếu một dược phẩm tiềm năng được tìm thấy trong tự nhiên, thường có thể sản xuất một lượng nhỏ dược chất để thử nghiệm trong ống nghiệm và thử nghiệm lâm sàng. Tuy nhiên, nếu sản xuất công nghiệp ở giai đoạn sau thì cần phải có mức hiệu quả sản xuất cao hơn nhiều. Sharpless đã sử dụng một loại kháng sinh cực mạnh, meropenem, làm ví dụ. Sáu năm nghiên cứu phát triển hóa học là cần thiết để tìm ra cách sản xuất phân tử trên quy mô lớn.
Các phân tử quấn quít đắt tiền
Theo Barry Sharpless, một trở ngại đối với các nhà hóa học là các liên kết giữa các nguyên tử cacbon rất quan trọng đối với hóa học của sự sống. Về nguyên tắc, tất cả các phân tử sinh học đều có một bộ khung gồm các nguyên tử cacbon liên kết. Cuộc sống đã phát triển các phương pháp để tạo ra chúng, nhưng nó đã được chứng minh là khó khăn đối với các nhà hóa học. Nguyên nhân là do các nguyên tử cacbon từ các phân tử khác nhau thường thiếu ổ hóa học để tạo liên kết với nhau nên chúng cần được kích hoạt nhân tạo. Sự hoạt hóa này thường dẫn đến nhiều phản ứng phụ không mong muốn và làm hao hụt nguyên liệu.
Thay vì cố gắng quấn các nguyên tử cacbon miễn cưỡng phản ứng với nhau, Barry Sharpless khuyến khích các đồng nghiệp của mình bắt đầu với các phân tử nhỏ hơn đã có một khung cacbon hoàn chỉnh. Sau đó, những phân tử đơn giản này có thể được liên kết với nhau bằng cách sử dụng cầu nối của các nguyên tử nitơ hoặc nguyên tử oxy, dễ kiểm soát hơn. Nếu các nhà hóa học chọn những phản ứng đơn giản - nơi có động lực nội tại mạnh mẽ để các phân tử liên kết với nhau - thì họ sẽ tránh được nhiều phản ứng phụ, với một lượng vật chất bị hao hụt tối thiểu.
Nhấp vào hóa học — hóa học xanh chức năng với tiềm năng to lớn
Barry Sharpless gọi phương pháp mạnh mẽ này để xây dựng các phân tử là hóa học nhấp chuột, nói rằng ngay cả khi hóa học nhấp chuột không thể cung cấp bản sao chính xác của các phân tử tự nhiên, vẫn có thể tìm thấy các phân tử đáp ứng các chức năng tương tự. Kết hợp hóa chất đơn giản
các khối xây dựng có thể tạo ra nhiều loại phân tử gần như vô tận, vì vậy ông tin rằng hóa học nhấp chuột có thể tạo ra các loại dược phẩm phù hợp với mục đích như những dược phẩm được tìm thấy trong tự nhiên và có thể được sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Trong ấn phẩm của mình từ năm 2001, Sharpless đã liệt kê một số tiêu chí cần được đáp ứng cho một phản ứng hóa học được gọi là hóa học nhấp chuột. Một trong số đó là phản ứng có thể xảy ra khi có oxy và trong nước, là dung môi rẻ và thân thiện với môi trường.
Ông cũng đưa ra các ví dụ về một số phản ứng hiện có mà ông tin rằng đã hoàn thành những lý tưởng mới mà ông đã đặt ra. Tuy nhiên, vẫn chưa ai biết về phản ứng tuyệt vời mà giờ đây đã trở thành gần như đồng nghĩa với hóa học nhấp nháy - sự xúc tác chu trình azide-alkyne của đồng. Điều này sắp được phát hiện trong một phòng thí nghiệm ở Đan Mạch.
Phản ứng nhấp chuột đã thay đổi hóa học
Azide và alkyne phản ứng rất hiệu quả khi các ion đồng được thêm vào. Phản ứng này hiện được sử dụng trên toàn cầu để liên kết các phân tử với nhau một cách đơn giản.
Một chất bất ngờ trong bình phản ứng của Meldal
Rất nhiều tiến bộ khoa học mang tính quyết định xảy ra khi các nhà nghiên cứu ít mong đợi nhất, và đây là trường hợp của Morten Meldal. Trong những năm đầu của thế kỷ này, ông đang phát triển các phương pháp tìm kiếm các dược chất tiềm năng. Ông đã xây dựng các thư viện phân tử khổng lồ, có thể bao gồm hàng trăm nghìn chất khác nhau, và sau đó sàng lọc tất cả để xem liệu có bất kỳ chất nào trong số chúng có thể ngăn chặn các quá trình gây bệnh hay không.
Trong khi làm việc này, một ngày nọ, ông và các đồng nghiệp của mình đã tiến hành một phản ứng thuần túy theo thông lệ. Bạn không cần phải nhớ điều này, nhưng mục đích của họ là phản ứng một alkyne với một acyl halogenua. Phản ứng thường diễn ra suôn sẻ, miễn là các nhà hóa học thêm một số ion đồng và có lẽ một nhúm palladium làm chất xúc tác. Nhưng khi Meldal phân tích những gì đã xảy ra trong bình phản ứng, anh ta phát hiện ra điều bất ngờ. Hóa ra là ankyne đã phản ứng với đầu cuối của phân tử acyl halogenua sai. Ở đầu đối diện là một nhóm hóa học được gọi là azide (minh họa ở trên). Cùng với alkyne, azide tạo ra cấu trúc hình vòng, triazole.
Phản ứng này là một cái gì đó đặc biệt
Những người hiểu một số hóa học có thể biết rằng triazol là những cấu trúc hóa học hữu ích; chúng ổn định và được tìm thấy trong một số dược phẩm, thuốc nhuộm và hóa chất nông nghiệp, cùng những thứ khác. Bởi vì triazol là các khối xây dựng hóa học mong muốn, các nhà nghiên cứu trước đây đã cố gắng tạo ra chúng từ alkynes và azide, nhưng điều này dẫn đến các sản phẩm phụ không mong muốn. Morten Meldal nhận ra rằng các ion đồng đã điều khiển phản ứng để về nguyên tắc, chỉ có một chất được hình thành. Ngay cả acyl halogenua — mà lẽ ra thực sự phải liên kết với alkyne — ít nhiều vẫn không bị ảnh hưởng trong bình. Do đó, rõ ràng đối với Meldal rằng phản ứng giữa azide và alkyne là một cái gì đó đặc biệt.
Lần đầu tiên ông trình bày khám phá của mình tại một hội nghị chuyên đề ở San Diego, vào tháng 6 năm 2001. Năm sau, 2002, ông xuất bản một bài báo trên tạp chí khoa học, cho thấy rằng phản ứng có thể được sử dụng để liên kết nhiều phân tử khác nhau.
Các phân tử kết hợp với nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả
Cùng năm đó — độc lập với Morten Meldal — Barry Sharpless cũng xuất bản một bài báo về phản ứng xúc tác đồng giữa azit và alkyne, cho thấy rằng phản ứng này hoạt động trong nước và đáng tin cậy. Ông mô tả nó là một phản ứng nhấp chuột "lý tưởng". Các azide giống như một lò xo chịu tải, ở đó lực được giải phóng bởi ion đồng. Quá trình này diễn ra mạnh mẽ và Sharpless đã đề xuất rằng các nhà hóa học có thể sử dụng phản ứng này để dễ dàng liên kết các phân tử khác nhau. Ông mô tả tiềm năng của nó là rất lớn. Nhìn lại, chúng ta có thể thấy rằng ông đã đúng. Nếu các nhà hóa học muốn liên kết hai phân tử khác nhau, họ có thể tương đối dễ dàng, đưa một azit vào phân tử này và ankyne trong phân tử kia. Sau đó, chúng bắt các phân tử lại với nhau với sự trợ giúp của một số ion đồng.
Phản ứng nhấp chuột có thể được sử dụng để tạo vật liệu mới
Sự đơn giản này đã khiến phản ứng này trở nên cực kỳ phổ biến, cả tại các phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển công nghiệp. Trong số những thứ khác, phản ứng nhấp chuột tạo điều kiện cho việc sản xuất vật liệu mới phù hợp với mục đích. Nếu nhà sản xuất thêm azide có thể nhấp vào nhựa hoặc sợi, việc thay đổi vật liệu ở giai đoạn sau là rất đơn giản; có thể kích các chất dẫn điện, thu ánh sáng mặt trời, kháng khuẩn, bảo vệ khỏi bức xạ tia cực tím hoặc có các đặc tính mong muốn khác. Chất làm mềm cũng có thể được bấm vào nhựa, do đó chúng không bị rò rỉ ra ngoài sau này. Trong nghiên cứu dược phẩm, hóa học nhấp nháy được sử dụng để sản xuất và tối ưu hóa các chất có khả năng trở thành dược phẩm.
Có rất nhiều ví dụ về những gì hóa học nhấp chuột có thể đạt được. Tuy nhiên, một điều mà Barry Sharpless không dự đoán được là nó sẽ được sử dụng trong các sinh vật sống. Bây giờ chúng ta sẽ làm sáng tỏ
chủ đề thứ hai trong giải Nobel Hóa học 2022.
Bertozzi bắt đầu điều tra về carbohydrate khó nắm bắt
Chủ đề này bắt đầu vào những năm 1990, khi hóa sinh và sinh học phân tử đang trải qua những tiến bộ bùng nổ. Sử dụng các phương pháp mới trong sinh học phân tử, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã lập bản đồ gen và protein trong nỗ lực tìm hiểu cách thức hoạt động của tế bào. Có một tinh thần tiên phong và, mỗi ngày, kiến thức mới được tạo ra về các khu vực đã từng là terra incognita.
Tuy nhiên, một nhóm phân tử hầu như không được chú ý: glycans. Đây là những carbohydrate phức tạp được tạo ra từ nhiều loại đường khác nhau và thường nằm trên bề mặt của protein và tế bào. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học, chẳng hạn như khi virus lây nhiễm vào tế bào hoặc khi hệ thống miễn dịch được kích hoạt. Do đó, glycan là những phân tử thú vị, nhưng vấn đề là các công cụ mới của sinh học phân tử không thể được sử dụng để nghiên cứu chúng. Do đó, bất kỳ ai muốn hiểu cách hoạt động của glycan đều phải đối mặt với một thách thức to lớn. Chỉ có một số nhà nghiên cứu được chuẩn bị để cố gắng leo lên ngọn núi đó — và một trong số họ là Carolyn Bertozzi.
Bertozzi có một ý tưởng tuyệt vời…
Vào đầu những năm 1990, Carolyn Bertozzi bắt đầu lập bản đồ một glycan thu hút các tế bào miễn dịch đến các hạch bạch huyết. Việc thiếu các công cụ hiệu quả có nghĩa là phải mất bốn năm để nắm bắt cách hoạt động của glycan. Quá trình đầy thử thách này khiến cô ấy mơ về một điều gì đó tốt đẹp hơn — và cô ấy đã có một ý tưởng. Trong một buổi hội thảo, cô đã nghe một nhà khoa học người Đức giải thích cách ông đã thành công trong việc khiến các tế bào tạo ra một biến thể không tự nhiên của axit sialic, một trong những loại đường hình thành nên glycans. Do đó, Bertozzi bắt đầu tự hỏi liệu cô có thể sử dụng một phương pháp tương tự để thu nhận các tế bào sản xuất axit sialic với một loại xử lý hóa học hay không. Nếu các tế bào có thể kết hợp axit sialic đã sửa đổi trong các glycan khác nhau, cô ấy sẽ có thể sử dụng tay cầm hóa học để lập bản đồ chúng. Ví dụ, cô ấy có thể gắn một phân tử huỳnh quang vào tay cầm. Sau đó, ánh sáng phát ra sẽ tiết lộ nơi ẩn chứa glycans trong tế bào.
Đây là bước khởi đầu của công việc phát triển tập trung và lâu dài. Bertozzi bắt đầu tìm kiếm trong các tài liệu khoa học về tay cầm hóa học và phản ứng hóa học mà cô ấy có thể sử dụng. Đây không phải là nhiệm vụ dễ dàng, vì tay cầm không được phản ứng với bất kỳ chất nào khác trong tế bào. Nó phải không nhạy cảm với tất cả mọi thứ ngoại trừ các phân tử mà cô ấy sẽ liên kết với tay cầm. Cô đã thiết lập một thuật ngữ cho điều này: phản ứng giữa tay cầm và phân tử huỳnh quang phải là phản ứng sinh học.
… Và làm cho các glycans ẩn tự tiết lộ
Để biến một câu chuyện dài trở nên ngắn gọn, vào năm 1997, Carolyn Bertozzi đã thành công trong việc chứng minh rằng ý tưởng của cô ấy thực sự hiệu quả. Bước đột phá tiếp theo xảy ra vào năm 2000, khi cô tìm ra cách xử lý hóa học tối ưu: azide. Cô đã sửa đổi một phản ứng đã biết - phản ứng Staudinger - một cách tài tình, và sử dụng nó để kết nối một phân tử huỳnh quang với azide mà cô đưa vào glycans của tế bào. Bởi vì azide không ảnh hưởng đến tế bào, thậm chí nó có thể được đưa vào cơ thể sống.
Với điều này, cô ấy đã được tặng một món quà quan trọng cho ngành hóa sinh. Với một chút sáng tạo hóa học, phản ứng Staudinger biến đổi của cô có thể được sử dụng để lập bản đồ các tế bào theo nhiều cách khác nhau, nhưng Bertozzi vẫn không hài lòng. Cô ấy đã nhận ra rằng cách xử lý hóa chất mà cô ấy sử dụng - azide - có nhiều thứ hơn để cung cấp.
Thổi bùng sức sống mới trong phản ứng cũ
Vào thời điểm này, các nhà hóa học đã lan truyền rộng rãi về hóa học nhấp chuột mới của Morten Meldal và Barry Sharpless, vì vậy Carolyn Bertozzi đã biết rõ rằng tay cầm của cô - azide - có thể nhanh chóng nhấp vào một alkyne miễn là có sẵn các ion đồng. Vấn đề là đồng độc hại đối với sinh vật. Vì vậy, một lần nữa bà bắt đầu đào sâu nghiên cứu tài liệu, và phát hiện ra rằng vào năm 1961, người ta đã chứng minh rằng các azit và alkyne có thể phản ứng theo cách gần như nổ - mà không cần sự trợ giúp của đồng - nếu alkyne bị ép thành hình chiếc nhẫn cấu tạo hóa học. Sự căng thẳng tạo ra rất nhiều năng lượng để phản ứng chạy trơn tru.
Phản ứng hoạt động tốt khi cô thử nghiệm nó trong tế bào. Năm 2004, bà đã công bố phản ứng nhấp chuột không chứa đồng, được gọi là phản ứng tuần hoàn alkyne-azide thúc đẩy biến dạng — và sau đó chứng minh rằng nó có thể được sử dụng để theo dõi glycan (xem hình minh họa ở trên).
Phản ứng nhấp chuột tạo điểm nhấn cho ô
Cột mốc này cũng là sự khởi đầu của một điều gì đó lớn hơn nhiều. Carolyn Bertozzi đã tiếp tục tinh chỉnh phản ứng nhấp chuột của mình để nó hoạt động tốt hơn nữa trong môi trường tế bào. Song song với việc này, cô và nhiều nhà nghiên cứu khác cũng đã sử dụng những phản ứng này để khám phá cách các phân tử sinh học tương tác trong tế bào và nghiên cứu các quá trình bệnh tật.
Một khu vực mà Bertozzi tập trung vào là glycans trên bề mặt của các tế bào khối u. Các nghiên cứu của cô đã dẫn đến cái nhìn sâu sắc rằng một số glycans dường như bảo vệ các khối u khỏi hệ thống miễn dịch của cơ thể, vì chúng làm cho các tế bào miễn dịch ngừng hoạt động. Để chặn cơ chế bảo vệ này, Bertozzi và cô ấy đã hợp tác với các đồng nghiệp
đã tạo ra một loại dược phẩm sinh học mới. Họ đã tham gia một kháng thể đặc hiệu glycan để chống lại các enzym phá vỡ glycan trên bề mặt của các tế bào khối u. Loại dược phẩm này hiện đang được thử nghiệm lâm sàng trên những người mắc bệnh ung thư giai đoạn cuối.
Nhiều nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu phát triển các kháng thể có thể nhấp được nhắm vào một loạt các khối u. Sau khi các kháng thể gắn vào khối u, một phân tử thứ hai kích hoạt kháng thể sẽ được tiêm vào. Ví dụ, đây có thể là một đồng vị phóng xạ có thể được sử dụng để theo dõi các khối u bằng máy quét PET hoặc có thể nhắm một liều bức xạ gây chết người vào các tế bào ung thư.
Thanh lịch, thông minh và mới lạ, nhưng hơn hết là hữu ích
Chúng tôi vẫn chưa biết liệu những liệu pháp mới này có hiệu quả hay không - nhưng có một điều rõ ràng: nghiên cứu vừa mới chạm đến tiềm năng to lớn của hóa học kích thích và hóa học sinh học. Khi Barry Sharpless có Bài giảng Nobel đầu tiên của mình ở Stockholm vào năm 2001, ông đã nói về tuổi thơ của mình, nơi được tô màu bởi các giá trị giản dị của Quakers và đã ảnh hưởng đến lý tưởng của ông. Anh ấy nói:
"Thanh lịch" và "thông minh" là sự lựa chọn của hóa học khi tôi bắt đầu nghiên cứu, cũng như "tiểu thuyết" bây giờ được khen ngợi nhiều. Có lẽ các Quakers chịu trách nhiệm cho tôi đánh giá "hữu ích" nhất.
Tất cả bốn lời khen ngợi này là cần thiết để thực hiện công lý hóa học mà ông, Carolyn Bertozzi và Morten Meldal đã đặt nền móng. Ngoài sự tao nhã, thông minh, mới lạ và hữu ích, nó còn mang lại lợi ích lớn nhất cho loài người.
