Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии 2022 года по химии. Премию получат датчанин Мортен Мельдаль (Morten P. Meldal) и ученый из США Барри Шарплесс (K. Barry Sharpless) за создание методов клик-химии, с ними разделит премию американка Каролин Бертоцци (Carolyn R. Bertozzi), открывшая направление, которое получило название «биоортогональная химия». Примечательно, что Барри Шарплесс в 2001 году уже получил Нобелевскую премию за создание хиральных катализаторов окислительно-восстановительных реакций, таким образом он пятый в истории человек, ставшим нобелевским лауреатом дважды.
Возникшая лишь менее тридцати лет назад клик-химия имеет заслуженную репутацию перспективного направления, и исследования в этой области уже принесли ряд ценных результатов. В 2014 году создатели клик-химии рассматривались в качестве претендентов на Нобелевскую премию. Причем это были не только нынешние лауреаты, но и другие ученые. В прогнозах упоминались профессор биохимии Технологического института Джорджии М. Г. Финн (M. G. — полное имя ученого выглядит именно так) и профессор Исследовательского института Скриппса и заведующий лабораторией химического синтеза и катализа МФТИ Валерий Фокин.
Термин «клик-химия» был предложен Шарплессом в 1997 году, а основные принципы этого направления были сформулированы в 2001 году Шарплессом, Финном и Гарольдом Колбом. Они провозгласили необходимость создания таких реакций органической химии, которые обладали бы целым рядом свойств. Реакция не должна требовать специфических условий (температура, давление и пр.), должна идти в среде из доступного нетоксичного растворителя (желательно в воде), выделяющийся продукт не должен вступать в побочные реакции, этого продукта должно получаться много и он должен легко отделяться от исходной смеси, побочные продукты нежелательны. И ко всему этому реакция должна идти быстро, почти мгновенно, как бы «по щелчку» (отсюда и название «клик-химия»). В живой природе таких химических реакций много, а вот добиться их в лаборатории — нелегкая задача.
Барри Шарплесс понимал, что камнем преткновения в синтезе сложных органических веществ становятся связи между атомами углерода, образующие «каркас» многих молекул. Такие связи образуются в живых организмах, но их очень трудно получить в лаборатории или в производстве. Причина в том, что атомам углерода из разных молекул часто не хватает химического стимула для образования связей друг с другом, поэтому их необходимо искусственно активировать. Активация часто приводит к многочисленным нежелательным побочным реакциям и дорогостоящим потерям материала. Шарплесс призвал своих коллег, вместо того чтобы пытаться заставить сопротивляющиеся атомы углерода реагировать друг с другом, использовать небольшие молекулы, которые уже имеют полный углеродный каркас, и соединять эти молекулы с помощью мостиков из атомов азота или кислорода, что оказалось более легкой задачей. Шарплесс объявил, что, даже если клик-химия не сможет дать точные копии природных молекул, можно будет найти молекулы, выполняющие те же функции. Комбинирование простых химических строительных блоков позволит создавать почти бесконечное разнообразие молекул, поэтому Шарплесс был убежден, что клик-химия сможет создавать фармацевтические препараты, которые будут столь же подходящими для цели, как и природные вещества, при этом их можно будет легко производить в промышленных масштабах.
Мортен Мельдаль в Дании и независимо от него Барри Шарплесс и Валерий Фокин в США обратили внимание на одну реакцию — азидов и алкинов с образованием циклического соединения с тремя атомами азота. Реакция была известна химикам еще с конца XIX века, но требованиям Шарплесса и его коллег она никак не соответствовала: протекала больше суток при температуре выше 100 °С и давала низкий выход конечного продукта. Но ученые открыли катализатор — ион меди Cu(I). В результате реакция в экспериментах Шарплесса и Фокина стала проходить в водной среде почти мгновенно. Реакция, известная теперь как «катализируемое медью азид-алкиновое циклоприсоединение», стала одной из первых «клик-реакций».
Шарплесс предположил, что химики могут использовать эту реакцию, чтобы легко связать различные молекулы. Его предвидение об огромном потенциале катализируемого медью азид-алкинового циклоприсоединения вполне оправдалось. Если химики хотят связать две разные молекулы, они теперь могут относительно легко ввести азид в одну молекулу и алкин в другую. Затем они соединяют эти молекулы с помощью ионов меди. Возникающее циклическое соединение можно сравнить с застежкой, которая («клик!») скрепляет две молекулы.
Клик-реакции облегчают производство новых материалов с заданными свойствами. Если производитель добавляет к пластику или волокну азид, несложно модифицировать материал в ходе производства. Можно вводить в него вещества, которые проводят электричество, улавливают солнечный свет, обладают антибактериальными свойствами, защищают от ультрафиолетового излучения или обладают другими желаемыми свойствами.
Следующий этап развития клик-химии связан с именем Каролин Бертоцци, под руководством которой были обнаружены химические реакции, протекающие в живой клетке, но при этом не создающие помех для естественных биохимических процессов. Бертоцци придумала термин «биоортогональная химия», чтобы подчеркнуть, что естественная и искусственная реакция протекают ортогонально, то есть независимо друг от друга. Конкретной задачей, над которой работала Бертоцци, было исследование гликанов — молекул из группы полисахаридов, располагающихся на клеточной мембране и играющих важную роль в некоторых биологических процессах, например, в активации иммунного ответа или в проникновении в клетку вирусов.
Существовавшие на тот момент методы не могли эффективно выделять гликаны в клетке. Бертоцци стала искать реакцию, которая должна была бы «метить» гликаны, например, присоединяя к ним метку — молекулу, обладающую свойством флуоресценции, чтобы потом можно было обнаруживать гликаны с помощью флуоресцентного микроскопа. По замыслу Бертоцци, метка не должна была реагировать ни с каким другим веществом в клетке, кроме того гликана, на который она нацелена. В 2000 году она достигла первого успеха, модифицировав известную реакцию Штаудингера и использовав ее, чтобы соединить флуоресцентную молекулу с азидом, который она ввела в гликаны.
Вскоре стало известно о катализируемом медью азид-алкиновом циклоприсоединении. Каролин Бертоцци понимала, что такая реакция хорошо подходит для присоединения меток к гликанам, снабженным азидной группой. Но применить этот метод Бертоцци не могла, так как медь ядовита для живых организмов, а целью исследовательницы было изучение гликанов в живых клетках. Изучая литературу, она обнаружила, что еще в 1961 году было показано, что азиды и алкины могут реагировать без помощи меди, если молекула алкина будет иметь кольцевую форму (циклооктин). В 2004 году Бертоцци описала клик-реакцию алкин-азидного циклоприсоединения без использования катализатора, а затем продемонстрировала, что ее можно использовать для отслеживания гликанов.
В последующие годы она и многие другие исследователи применяли такие реакции для изучения того, как биомолекулы взаимодействуют в клетках. В частности, в работах Бертоцци при помощи биоортогональных клик-реакций изучались гликаны на поверхности опухолевых клеток. Она обнаружила, что некоторые гликаны, по-видимому, защищают опухоли от иммунной системы организма, поскольку они заставляют иммунные клетки отключаться. Чтобы заблокировать этот защитный механизм, Бертоцци и ее коллеги создали биологический препарат нового типа. Они присоединили гликан-специфические антитела к ферментам, расщепляющим гликаны на поверхности опухолевых клеток. Этот препарат сейчас проходит клинические испытания на людях с поздними стадиями рака.
Многие исследователи также начали разрабатывать интерактивные антитела, нацеленные на ряд опухолей. Когда антитела прикрепляются к опухоли, в организм вводится вторая молекула, которая связывается с антителом. Это может быть, например, радиоизотоп, который можно использовать для отслеживания опухолей с помощью позитронно-эмисионного томографа или же для направления смертельной дозы радиации на раковые клетки.
