Создание молекул — многостадийный, трудоемкий и длительный процесс, в течение которого нужно контролировать множество параметров (среда, температура, ферменты и т.д), чтобы убедиться в точном соединении атомов между собой для получения идеального конечного продукта. Из-за многостадийности, присущей традиционному химическому синтезу, количество вещества на выходе сильно уменьшается. Также это занимает очень много времени, затрачиваемого как на сам синтез, так и на поиск подходящих реагентов.

В 1997 году Барри Шарплесс (фото 1) разработал концепцию клик-химии: это был набор реакций, которые протекали быстро и необратимо, без побочных продуктов, путем соединения небольших элементов между собой — и именно за это он был награжден в 2022 году Нобелевской премией. Набор этих реакций ограничен, но позволяет соединять между собой различные молекулы: есть взаимодействующие части-адаптеры, а к их концам можно присоединять те, которые мы и хотим в конечном итоге «сшить». На «Биомолекуле» уже выходила статья по теоретической базе клик-химии, к которой мы и отсылаем пытливого до деталей читателя: «Клик и готово! Укрощение строптивых биомолекул» [1]; ну а сейчас сосредоточимся на значимости этого открытия и роли сделавших его исследователей.

.. идея в том, что A+B дает C, и ничего больше. И работает это всегда и в любых условиях. Основная идея клик-химии в том, что если мы представим, что у нас есть два реагента, то реакция пройдет всегда и везде. Соответственно, получится необратимая связь — застежка, которая и позволит нам соединить два реакционноспособных блока, две молекулы во что-то одно.

В начале 2000-х Барри Шарплесс говорил, что если с помощью клик-химии и не будут созданы точные копии природных молекул, этот метод все же позволит быстро находить молекулы с такими же функциями. Кроме этого, комбинируя химические блоки между собой, будет возможно создавать практически бесконечное разнообразие соединений, что, в свою очередь, ускорит разработку и производство лекарств, оставляющих сейчас желать лучшего. Он приводит в пример длительную работу над антибиотиком под названием «Меропенем» — чтобы запустить производство в промышленном масштабе, потребовалось шесть лет исследований.

Клик-химия открывала невероятные перспективы для фармацевтики, но научный мир ожидали и другие «подарки». Почти двадцать лет назад Мортен Мельдаль разрабатывал методы поиска веществ, которые можно использовать в медицине. Он создал огромные молекулярные библиотеки, которые могли включать сотни тысяч различных веществ, а затем проверил их все, чтобы увидеть, может ли какое-либо из них блокировать патогенные процессы. В 2002 году Мортен Мельдаль и Барри Шарплесс независимо друг от друга представили миру реакцию азид-алкинового циклоприсоединения, катализируемую медью. Азиды и алкины реагируют только друг с другом, причем можно выбрать место в молекуле, на которое азид будет крепиться (рис. 2).

Мортен Мельдаль понял, что ионы меди катализировали реакцию азид-алкинового циклоприсоединения таким образом, что в итоге образовалось только одно вещество — триазол (рис. 2). Триазол исследователи давно пытались создать, соединяя алкины и азиды, но получали много побочного продукта, поэтому результат был поразительным. В 2002 году Мортен Мельдаль опубликовал статью [3], в которой показывал, что эту реакцию можно использовать для связывания и других молекул между собой.

Каролин Бертоцци первая применила клик-химию внутри живых организмов. Каролин рассказала в телефонном интервью, что работы Барри Шарплесса завораживали ее со студенческих времен, и она изучала их в аспирантуре наряду с трудами Мортена Мельдаля. В начале 1990-х Каролин Бертоцци собиралась картировать гликан, привлекающий иммунные клетки к лимфатическим узлам. Однако на тот момент не было доступных и эффективных инструментов, и ей нужно было найти такую химическую реакцию, которая бы не нарушила естественных химических превращений внутри клетки и прореагировала только с тем соединением, которое она искала. В итоге, она модифицировала реакцию Штаудингера: в клетку вводился модифицированный сахар с азидом на конце, взаимодействовал с гликаном, а их уже поджидал алкин с флуоресцентной меткой: щелк! — и искомый гликан светится. Так была решена проблема картирования гликанов. Она не использовала медь в качестве катализатора, потому что медь токсична для клеток, а вместо этого применяла кольцевой алкин — эта реакция опубликована в 2004 году [4]. А годом ранее она предложила термин «биоортогональные реакции» для описания химических реакций, которые способны протекать внутри живых систем, не мешая естественным биохимическим процессам.

Ее лаборатория в Стэнфорде занимается гликобиологией — относительно новой областью науки, в которой изучают строение, биологический синтез и биологическую роль гликанов. Каролин выступала на TED talks, поэтично описав во вступлении поверхность клетки:

Если бы вы смогли уменьшиться до размеров миниатюрного самолетика и пролететь вдоль поверхности ваших клеток, то сахар выглядел бы примерно как географический ландшафт. Сложные сахарá — это кусты и деревья, например, плакучие ивы, которые покачиваются на ветру и движутся волнами в порыве ветра. Когда я начала думать обо всех этих сложных сахарах, покрывающих наши клетки, это стало одной из интереснейших задач, с которыми я сталкивалась как биолог и как химик

Ее лаборатория также изучает гликобиологию в свя́зи с онкологическими заболеваниями, воспалением и бактериальными инфекциями, и использует полученные данные для разработки диагностических и терапевтических подходов. Исследования связи онкологий и гликанов предполагают, что гликаны могут препятствовать иммунным клеткам распознать опухоль, поэтому Каролин и ее коллеги присоединили к гликан-специфическим антителам ферменты, расщепляющие гликаны на поверхности опухолевых клеток, чтобы сделать их «видимыми» для иммунитета. Сейчас эта технология проходит клинические испытания. Каролин Бертоцци говорит, что ее целью всегда было найти своим исследованиям применение для улучшения здоровья человека.

Подробнее о гликобиологии читайте в соответствующем  спецпроекте «Биомолекулы», например, в статье «Жизнь без сахара — не сахар: третий алфавит в молекулярной биологии» [5].

Клик-химия, разработанная Барри Шарплессом, может найти применение в разработке материалов с заданными свойствами, в медицине для поиска лекарств, а также для разработки новых меток для магнитной томографии и для позитронно-эмиссионной томографии при поиске метастазов. А азид-алкиновое циклоприсоединение, катализируемое медью, позволяет сделать синтез проще и быстрее. К тому же клик-химия может быть использована прямо в живой клетке с применением биоортогональных реакций и, как показала Каролин Бертоцци, в терапии различных заболеваний.

Нобелевская премия отличается непредсказуемостью — и тем самым привлекает внимание, как у специалистов, так и среди широкой публики. В этом году премию дали тем, кому ее пророчили уже на протяжении многих лет, так что можно сказать, что ставка на фаворита сыграла, хотя некоторые уже отчаялись ждать. Почему же Нобелевская премия по химии Барри Шарплессу, причем вторая в его карьере (всего второй случай за всю историю), была так ожидаема? Дело в том, что в химической среде достаточно мало концепций, которые охватывают широкие массы. А Нобелевскую премию дали не просто за новый инструмент или метод, а именно за концепцию, то есть свежий взгляд.

„Клик-химия“ — это представление о том, что можно взять две молекулы, обладающие необходимыми свойствами, и по щелчку пальцев сшить между собой, чтобы при этом ключевые химические группы оставались неизменными, а сама реакция протекала без капризов; а также собрание экспериментальных методов, демонстрирующих всю мощь и красоту данного представления. Касательно значимости данной идеи и ее реализации можно рассуждать долго, учитывая, что по большому счету клик-реакции — это химический инструмент для решения нехимических (биологических или в области материалов) задач. На настоящий момент сфера применения этого инструмента огромна — он вошел в повседневную научную жизнь, как скотч или клей. Эта история показала, что в науке до сих пор возможны новые изящные решения, преображающие весь ландшафт и бросающие под ноги золотые самородки удивительных открытий.

На основе пресс-релиза Нобелевского комитета.

Литература

1. Клик и готово! Укрощение строптивых биомолекул;
2. Vsevolod V. Rostovtsev, Luke G. Green, Valery V. Fokin, K. Barry Sharpless. (2002). A Stepwise Huisgen Cycloaddition Process: Copper(I)-Catalyzed Regioselective “Ligation” of Azides and Terminal Alkynes. Angew. Chem. Int. Ed.. 41, 2596-2599;
3. Christian W. Tornøe, Caspar Christensen, Morten Meldal. (2002). Peptidotriazoles on Solid Phase:  [1,2,3]-Triazoles by Regiospecific Copper(I)-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloadditions of Terminal Alkynes to Azides. J. Org. Chem.. 67, 3057-3064;
4. Nicholas J. Agard, Jennifer A. Prescher, Carolyn R. Bertozzi. (2004). A Strain-Promoted [3 + 2] Azide−Alkyne Cycloaddition for Covalent Modification of Biomolecules in Living Systems. J. Am. Chem. Soc.. 126, 15046-15047;
5. Жизнь без сахара — не сахар: третий алфавит в молекулярной биологии.