A 2022-es kémiai Nobel-díjat három kutató, Carolyn Bertozzi, Morten Meldal és Barry Sharpless kapta, az angolul “click chemistry”-nek nevezett módszer kialakításában végzett munkájáért. Miért fontos ez nekünk, hogyan írhatók le hétköznapi nyelvre az eredmények és hogyan jöttek rá a kutatók ezekre a felfedezésekre – ha megnézzük ezt a munkát, tanulságos sztori bontakozik ki belőle.

A három kutató nevéhez, helyesebben a vezetésükkel dolgozó csapatokhoz természetesen jól köthető egy-egy olyan tudományos közlemény, amellyel végső soron a Nobelt kiérdemelték, de szögezzük le gyorsan, hogy ezekről a publikációkról a megjelenésük időpontjában aligha lehetett tudni, hogy mennyire fontosak lesznek.

Kezdjük például Sharpless-szel, aki két kollégájával együtt már 2001-ben, egy mindössze 18 oldalas tanulmányban tulajdonképpen javaslatot tett arra, hogy a kémiai kutatást helyezze a tudományos élet új alapokra. Húsz év elteltével ma már könnyű látni, hogy ez a javaslat kiváló érzékre vall, akkoriban azonban ez még egyáltalán nem volt evidens.

Sharpless csapata egyszerűen fogalmazva azt javasolta a szerves vegyészeknek, hogy a laborokban ezentúl ne akarják lemásolni vagy utánozni a természetet. A természetnek ugyanis több millió éves evolúciós előnye van velük szemben, és hozzájuk képest végtelen erőforrása volt arra, hogy különböző, legtöbbször elképesztően bonyolult módon végbemenő reakciók kialakuljanak benne. Ha ezt megpróbáljuk utánozni, idővel csak egyre nagyobb káoszhoz jutunk – mondták Sharpless-ék.

Barry Sharpless. Fotó: Wikipedia

Ehelyett lényegében az ellenkezőjét javasolták, azt, hogy a természet alkotta, általában szénláncokra épülő bonyolult molekulákat próbáljuk meg egyszerűbb építőelemekre szedni, és találjunk ki olyan reakciókat, olyan körülményeket, amelyekkel ezeket gyorsan és hatékonyan egymáshoz lehet illeszteni. Ez volt az általános kiindulási alapelv, de persze ennél már 2001-ben is rögtön továbbmentek: tanulmányukban elnevezték az új megközelítést click chemistry-nek, megmondták, hogy egészen pontosan milyen (kémiai) feltételek teljesülése esetén tekinthető egy reakció kellően gyorsnak, egyszerűnek, és hatékonynak, továbbá azt is felsorolták, hogy szerintük mely korábbi reakciókból kiindulva kellene kikísérletezni az egyszerűsítést.

Ezek között volt egy bizonyos reakció is, amelyet akkor már több mint 100 éve ismertek, tovább is fejlesztették, de használata elég körülményes, nehézkes volt. A részletekbe nem mennénk bele, de a történet megértéséhez egyszerűre fogva le kell írnunk, hogy a reakcióban egy azid és egy alkin típusú molekula reagál egymással, és egy triazol nevű, sok szempontból fontos molekulatípus keletkezik.

Sharpless-ék a körülményekből sejtették, hogy ennek a fontos reakciónak a lejátszódása egyszerűsíthető lenne, de nem tudták kitalálni, hogyan. Erre egy kutatótársuk, Valerij Fokin jött rá, véletlenül.

Fokin olyan szerves kémikus, aki akkoriban már jó ideje fémekkel is foglalkozott, a PhD témáját vitte tovább Kaliforniában. 2001 végén egy egészen más célú kísérletet állított össze, azt akarta vizsgálni, hogy egy bizonyos, azidot is tartalmazó szerves kémiai reakcióban a különböző fémek, a réz, a cink, a vas, a nikkel vagy az ezüst mennyire használhatóak katalizátornak (a katalizátor elősegíti a reakció lejátszódását, de a reakció után visszamarad).

Fokin igazi Heuréka pillanatot élt át aznap, kiderült ugyanis, hogy a réz az azidos reakciót úgy katalizálta, hogy az minden olyan igényt kielégített, amit Sharpless-ék korábban feltételül szabtak.

A kísérlet nem érte el az eredeti célját, de Fokin tudta, hogy annál sokkal nagyobb eredményre jutott: az első híressé váló klikk-kémiás reakciót sikerült véletlenül felfedeznie.

Az eljáráshoz nem kellenek speciális körülmények, nem kellenek speciális és drága anyagok, nem keletkeznek veszélyes anyagok sem, ellenben a reakció gyors, és a kívánt termék nagy arányban keletkezik. Annyira leegyszerűsödött egy korábban bonyolult és veszélyes művelet, hogy Fokin egy hét múlva már egy sima rézdróttal végezte el, és a szükséges savas körülményeket a sarki boltban vett C-vitamin hozzáadásával oldotta meg.

Sőt, a rézzel katalizált azid-alkin reakciót később már úgy jellemezték, hogy csodálatosan igénytelen, egyszerűen nem lehet lelőni, tényleg nagyon nehéz elrontani még annak is, aki kevésbé ért hozzá. Márpedig a klikk-kémiának pont ez is fő célkitűzése, hogy megnyissa a lehetőségeket más tudományágak előtt.

Ezzel egyidőben a dán Morten Meldal és csapata Koppenhágában a Sharpless-Fokin párostól teljesen függetlenül felfedezte ugyanezt. Egy nap ugyanis Meldal egyik PhD kutatója, Christian Tornoe azzal lépett be hozzá, hogy nem sikerült az egyik kísérlete. Ő is a réz katalizátor szerepét próbálgatta egy teljesen eltérő szerves reakcióban, ám abban “segédnek” volt némi azid is. Az eredmény nem az volt, amit Tornoe várt, a kísérlet nem sikerült, de amikor szomorúan megmutatta Meldalnak, hogy mi történt, és a csapat megvizsgálta az eredményeket, hamar rájöttek, hogy felfedeztek egy új, sokkal egyszerűbb eljárást, ami az ő munkájukat segítheti.

Morten Meldalt ünneplik a Koppenhágai Egyetemen. Fotó: AFP/Europress

Néhány hónap alatt használható módszertanná fejlesztették az új tudásukat, és ezzel a korábbinál lényegesen egyszerűbben tudtak egymáshoz kapcsolni molekulákat. Bár ekkor még nem nagyon tudták, de sikerült a klikk-kémia másik fontos alapját lerakniuk: a nagy és bonyolult molekulákat egyszerű részegységekből felépíteni nagyon egyszerűvé tett reakciókkal.

Sharpness és Meldal nem tudott egymás eredményeiről, de hamarosan híresek lettek. Amikor ugyanis világszerte más kutatók is kipróbálták az új eljárást, leesett az álluk attól, hogy mennyire egyszerű és hatékony. Miután a következő években mindenki elkezdte használni, és gyakorlatilag mindenkinek be is jött az eljárás, a szakmai közösségen belül már óriási eredménynek kezdték tartani. A Chemistry Worldnek például egy vegyész azt mondta, ők rövid időn belül 1200 féle azid vegyülettel kipróbálták a reakciót, és megdöbbentő módon szinte mindegyikkel szuperhatékonyan működött.

Mivel az eredmények a könnyű használhatóságnak köszönhetően megnyitották a kémiát más tudományok előtt is, a mikrobiológusok rögtön azon kezdtek gondolkodni, hogy a klikk módszert egy sejten belül is használni lehessen. Sokáig azonban úgy tűnt, hogy nem tudnak megoldani egy lényeges problémát: a réz toxikus anyag ebben a környezetben.

A biológia alapvetően más körülményekkel dolgozik, mint a kémiai labor, míg utóbbi mesterségesen olyan körülményeket teremt, ahol ideálisan letisztultak a feltételek, az élő szervezetekben erre nincs lehetőség, a kémia oldaláról nézve egy sejt olyan összetett közeg, amelyben mindig történik valami, és minden befolyásol mindent.

Amikor Sharpness és Meldal felfedezései szárnyra kapott, Carolyn Bertozzi éppen azon dolgozott, hogy a sejtek felszínéhez csatlakozó cukor szerkezetű molekulákat azonosítsa – ezek fontos szerepet játszanak az immunrendszer működésében. Találtak is egy módszert erre, de az a legtöbb esetben nem volt elég gyors, egyszerű és hatékony, így élő szervezet körülményei között kevésbé volt jól alkalmazható.

Carolyn Bertozzi. Fotó: AFP/Europress

Bertozziék többek között azid vegyületeket is használtak, és tudták, hogy a Sharpness-Meldal féle klikk-kémia jó megoldást jelentene, de a réz jelenlétével először nem tudtak mit kezdeni. Bertozzi azonban 2003 nyarán egy konferencián véletlenül hallott arról az előadások között, hogy egy reakciót a gyűrűs molekulákban lévő feszültséggel is lehet katalizálni, és amikor hazafelé utazott, úgy döntött, megpróbálja ezzel kiváltani a rezet.

Az eljárás egy 1961-es leírásban volt, németül. Bertozzi munkatársa, aki megkapta a feladatot, nem tudott németül, de annyit már a fordítás előtt is levett a tanulmányt nézve, hogy az ábrák ígéretesek, a vegyületek nevei is jók, de a folyamat robbanékony. Ráadásul az a gyűrűs vegyület, amelynek feszültsége energiát ad a kísérletezéshez, olyan büdös volt, hogy nem lehetett megmaradni mellette a laborban. 2004-re azonban Bertozzi csapatának sikerült elérnie, hogy a klikk-reakciót réz nélkül, egy gyűrűs vegyület feszültségében rejlő energia felszabadításával le lehessen futtatni egy sejt környezetében vagy belsejében.

Amikor az erről szóló tanulmányukat közölték, még egyáltalán nem tudták, hogy Nobelt ér majd a munkájuk. Az eredményeik ugyanis akkor még nem tették lehetővé a fő célt, a kívánt reakciók felgyorsítását. Ezt az eredményt már sok más kutató kísérletei hozták meg. A következő években a klikk-alapú eljárásokat ezer- majd tízezerszeres mértékben sikerült gyorsabbá tenni, és ezzel a gyakorlatban használhatóvá váltak élő szervezetekben is. A Nobelt tehát végső soron az hozta meg számukra, hogy innovatív módon tett alapvetéseik jók voltak és megágyaztak egy egészen új gyakorlati megközelítésnek.

G7 támogató leszek! Egyszeri támogatás / Előfizetés

Pénz Tech kémia kémiai Nobel-díj Nobel Olvasson tovább a kategóriában