„Hemija klikova“ ekološki način spajanja molekula vredan Nobelove nagrade za hemiju

Kerolin Betoci sa Univerziteta Stanford u SAD, Morten Meldal sa Univerziteta u Kopenhagenu u Danskoj i K. Beri Šarples iz Instituta za biomedicinske nauke u Kaliforniji, podeliće nagradu od 10 miliona švedskih kruna (921.000 evra) „za razvoj hemije klikova i bioortogonalne hemije“.

Hemija je stvorila savremeni svet – od lekova do sintetičkih materijala, od baterija do goriva, od ravnih ekrana do đubriva. Međutim, većina ovih hemijskih izuma izazivaju brojne ekološke i medicinske probleme. Dva očigledna primera su zagađenje plastikom i zdravstveni problemi povezani sa „večnim hemikalijama“.

Dakle, danas su hemičari akutno svesni potrebe da razmotre životnu sredinu i uticaj svojih pronalazaka na zdravlje. Ovo je navelo naučnike da pažljivo razmotre kako da uvode inovacije na ekološki prihvatljiv i održiv način, dok stvaraju nova jedinjenja i materijale za buduće izazove, objašnjava prof. dr Mark Lurč sa Univerziteta u Halu.

Izgradnja novih molekula je jako komplikovana. Često zahteva mnoštvo uzastopnih pojedinačnih hemijskih reakcija, od kojih je svaka naredna dodatno otežana sporednim reakcijama koje smanjuju čistoću uzorka. Ovo povećava broj i složenost svih daljih koraka reakcije, i ujedno proizvodi štetni otpad koji zahteva pažljivo i skupo odlaganje.

Kako se to desilo

Rešenje za ovaj problem osmislio je Beri Šarples na prelazu milenijuma. On je i skovao termin „hemija klikova“. To je koncept u kojem se molekuli jednostavno, brzo, pouzdano i više puta spajaju zajedno na isti način kao što sigurnosni pojas u kolima uvlačimo u istu kopču. Ideja je bila da se napravi hemijski ekvivalent američkog plakara, dok su ostali hemičari pravili nameštaj od nule.

Šarples je takođe odredio da reakcije klika treba da se izvode u vodi, umesto u štetnim rastvaračima koje hemičari obično koriste. Ovo je bio fantastičan koncept jer bi omogućio brzo, pouzdano i ekološki prihvatljivo stvaranje molekula za nove proizvode.

Ali izazov je bio pravljenje hemijskih „pojaseva“ i „kopči“. Prvi primer hemije klikova osmislio je Morten Meldal 2008. dok je radio na dobro proučenoj reakciji između dve hemikalije – azida i alkina. Oni se često koriste za spajanje drugih hemikalija, ali obično proizvode prljave sporedne reakcije. Ali kada je dodat bakar, reakcijom je dobijen jedan, neverovatno stabilan proizvod.

Ova hemijska reakcija je postala izuzetno popularna jer je omogućila hemičarima da brzo i lako promene funkcionalnost hemikalije ili materijala. Vlakno bi moglo imati hemijsku „kopču“ pričvršćenu tokom proizvodnje i kasnije bi se mogle dodavati druge funkcije. Reakcija je olakšala ulazak u antibakterijska sredstva, jedinjenja za zaštitu od ultraljubičastog zračenja ili supstance koje provode struju.

Godine 2004. Kerolin Bertoci je napravila korak dalje u hemiji klikova primenom principa na biološki problem. Uobičajena tehnika za proučavanje ponašanja molekula u ćeliji je pričvršćivanje fluorescentnog, svetlećeg markera koji je jasno vidljiv pod mikroskopom. Međutim, povezivanje markera za određeni deo ćelije je jako komplikovano.

Bertoci je shvatila da hemija klikova nudi rešenje. Nažalost, bakar, koji se koristi u Meldalovoj originalnoj metodi hemije klikova, toksičan je za živa bića, tako da se ne može direktno primeniti na ćelije. Umesto toga, smislila je tehniku koja funkcioniše bez upotrebe bakra.

Pričvrstila je azidnu „kopču“ na molekul šećera. Ona se apsorbuje u ćeliji, ugrađuje i ostaje na površini. Modifikovani alkalin (klip) povezan sa zelenim fluorescentnim molekulom se zatim dodaje u ćeliju gde „klikne“ na azidni šećer. Tada se ćelija može lako pratiti pod mikroskopom.

Zahvaljujući ovoj tehnici Bartocijeve otkriveno je kako tumorske ćelije izbegavaju naš imuni sistem i pomoglo je u razvoju metoda za praćenje ćelija raka. Takođe je pomogla da se radioterapija usmeri direktno na ćelije raka, smanjujući oštećenje okolnih zdravih ćelija.

Hemija klikova je elegantna i efikasna. To je omogućilo da se hemikalije spoje gotovo jednako glatko kao kada se dva bloka lego kockica sastave. Njena jednostavnost je dovela do brzog širenja primene u farmaceutskim proizvodima, sekvenciranju DNK i materijalima sa dodatnom funkcionalnošću (kao što su magnetni i električni). Nema sumnje da će se primena ove tehnike proširiti i biti primenjena na goruće probleme koji muče svet.