Клик-химия и биоортогональная химия. За развитие этих двух технологий нобелевский комитет присудил премию этого года Каролин Бертоцци, Мортену Мельдалю и Барри Шарплессу. В этой статье разбираемся, какую новую отрасль открыли ученые, как работает химический конструктор и почему клик-химию считают одной из технологий, которая создаст наше будущее.
Что нам стоит молекулу построить
Строго говоря, клик-химия, которую придумал и назвал Барри Шарплесс, — это не технология, а концепция, подсмотренная у живой природы. В последней все сложные химические вещества создаются соединением простых. Например огромная молекула ДНК, содержащая в себе гигабайты информации, складывается всего из четырех азотистых оснований. Чаще всего подобный подход сравнивают с конструктором. У нас есть набор разноцветных деталей разной формы, из которых мы можем по инструкции сложить, например, домик, слоника и самолет. Каждый раз, приступая к сборке, мы отчетливо понимаем, что мы хотим собрать, какой набор элементов нам понадобится, задействуем все детальки и не получаем ничего лишнего.
Как должна осуществляться реакция, подходящая под концепцию клик-химии? Во-первых, она должна проходить в естественных условиях. Во-вторых, быть высокоэффективной. Это значит, что максимальный объем исходных реагентов должен участвовать в реакции, а на выходе нужно иметь минимальное количество побочных продуктов. А если побочные продукты и образуются, то они должны быть экологичными и безопасными. В-третьих, в результате реакций должны всегда получаться одни и те же продукты.
Разумеется, четких критериев, какая реакция подходит под требования клик-химии, нет. Наиболее часто в контексте этого направления упоминают азид-алкиновое циклоприсоединение (она может проходить в присутствии катализатора, меди или рутения, или под напряжением). Вообще эта реакция известна еще с конца XIX века, но только после открытия катализа одновалентной медью (независимо друг от друга группами ученых под руководством Барри Шарплесса и Мортена Мельдаля) она стала основой клик-химии. Говоря упрощенно, подобные реакции позволяют встраивать в одну молекулу кусок другой молекулы и получить третью молекулу.
Однако присутствие меди или рутения в качестве катализаторов не позволяло проводить ее внутри живой клетки. Следующий этап развития клик-химия получила в биоортогональных реакциях, открытых Каролин Бертоцци.
Внутри клетки
Многие сложные вещества в живых клетках состоят из одних и тех же атомов. Поэтому зачастую бывает сложно создать такое соединение, которое взаимодействовало бы только с целевой молекулой, не затрагивая остальные биохимические процессы. Кроме того, многие вещества слишком дорого или сложно синтезировать искусственно, гораздо проще создавать их прямо внутри живой клетки.
Тут и приходят на помощь биортогональные реакции. Они должны протекать только между избранными функциональными группами, при этом продукты реакции должны быть инертными и не нарушать естественные биохимические процессы. Разумеется, реакция должна протекать при условиях, нормальных для организма и не использовать токсичных соединений. Наконец, немаловажна и скорость, ведь метаболизм не дремлет: если реакция не успеет, то вещества будут расщеплены или выведены из организма.
Описанная выше классическая для клик-химии реакция азид-алкинового циклоприсоединения не может быть использована в живой клетки из-за токсичности меди. Заслуга Каролин Бертоцци в том, что она открыла способ проведения такой реакции без участия меди, равно как и другие механизмы биоортогональных реакций.
Будущее химии
Почему же клик-химию считают очень перспективной концепцией? Есть несколько важных направлений, в которых она может неоценимо помочь.
Сейчас химики, занятые в фармацевтической промышленности, проводят реакции и получаются новые вещества с предполагаемыми свойствами. Затем они исследуют полученные основные и побочные продукты, чтобы выяснить, какими они получились на самом деле. Поэтому процесс получения новых лекарств очень сложный и дорогой: зачастую полученные в результате реакции продукты совсем не те, которые предполагались. А если и те, то они могут обладать совсем другими свойствами. В итоге работа химиков становится похожа на бесконечное блуждание в лабиринте в надежде в конце концов найти искомое. Клик-химия позволяет получить ровно то, что требуется, а значит, в разы сократить время и стоимость получения нового лекарства.
Важное достоинство биоортогональной химии в том, что продукты реакции не взаимодействуют с другими биохимическими соединениями в организме. Это свойство очень важно, например, при лечении рака. Метка (специфический участок молекулы, внедренный в другую молекулу) позволит ему связываться с маркерами, специфичными для раковой опухоли. Таким образом лекарства будущего не будут убивать все клетки, как делает современная химио- или радиотерапия, а целенаправленно воздействовать на злокачественные. Кстати, подобный препарат, разработанный командой Бертоцци, сейчас проходит испытания.
Наконец, помеченные молекулы позволят биохимикам лучше понять метаболические процессы в организме. Следя за миграцией метки в организме ученые смогут описать происходящие в нем реакции. Так что клик-химия серьезно облегчит работу ученым, а человечеству принесет более дешевые и эффективные лекарства с минимумом побочных эффектов.