Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан удостоены Нобелевской премии по химии 2021 года за разработку нового точного инструмента для молекулярного конструирования: органокатализа. Этот инструмент оказал большое влияние на фармацевтические исследования и сделал химию более экологичной.
Многие области исследований и отраслей зависят от способности химиков конструировать молекулы, которые могут образовывать эластичные и прочные материалы, накапливать энергию в батареях или замедлять прогрессирование заболеваний. Эта работа требует катализаторов, которые представляют собой вещества, контролирующие и ускоряющие химические реакции, не становясь частью конечного продукта. Например, катализаторы в автомобилях превращают токсичные вещества в выхлопных газах в безвредные молекулы.
Ученые долгое время считали, что существует всего два типа катализаторов: металлы и ферменты. Независимо друг от друга Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан разработали третий тип – асимметричный органокатализ, основанный на малых органических молекулах.
«Дэвид Макмиллан работал с металлическими катализаторами, которые легко разрушались влагой, – говорится в решении Нобелевского комитета. – Он задавался вопросом, удастся ли ему разработать более прочный тип катализатора, используя простые органические молекулы. Один из них отлично проявил себя при асимметричном катализе... Беньямин Лист задался вопросом, действительно ли для получения катализатора требуется целый фермент Он проверил, может ли аминокислота пролин катализировать химическую реакцию. Это сработало блестяще».
Оба лауреата-2021 достаточно молоды: они родились в 1968 году. Дэвид Макмиллан родился в Шотландии и получил степень бакалавра химии в Университете Глазго. В 1990 году он уехал из Великобритании в Америку, где поступил в докторантуру в Калифорнийском университете в Ирвине. Получив докторскую степень, Макмиллан стал работать в Гарвардском университете. Впоследствии по личным причинам он перебрался в Принстонский университет – в сентябре 2006 года.
Исследовательская группа Макмиллана добилась многих успехов в области асимметричного органокатализа и применила эти новые методы для синтеза ряда сложных натуральных продуктов.
Уроженец Франкфурта-на-Майне Беньямин Лист получил химическое образование в Свободном университете Берлина в 1993 году. В 2003 году он впервые стал руководителем рабочей группы в Институте исследований угля им. Макса Планка. Основное внимание в его работах уделяется органокатализу.
Ученый стал обладателем ряда премий и наград. Среди прочего, в 2003 году Общество немецких химиков наградило его Мемориальной премией Карла Дуйсберга. В 2012 году он получил премию Отто Байера в размере 75 тысяч евро, а в 2013 году – Рурскую премию в области искусства и науки. За 2016 год ему была присуждена премия Готфрида Вильгельма Лейбница.
В преддверии оглашения решения Королевской Шведской академии наук эксперты по традиции пытались спрогнозировать, кто же может стать в этом году лауреатом Нобелевской премии по химии.
Издание Inside Science выделило, к примеру, три направления, достойные в этом году получения Нобелевки по химии. В числе потенциальных лауреатов были названы, в частности, ученые Шанкар Баласубраманиан и Дэвид Кленерман из Кембриджского университета – за их работы в области секвенирования геномов.
ДНК живых организмов содержит массу информации о том, как эти организмы эволюционировали, о функциях генов в них и о том, есть ли у них генетические заболевания. Но степень, в которой исследователи могут использовать эту информацию, зависит от того, смогут ли они получить к ней эффективный доступ. Еще лет двадцать назад секвенирование одного генома человека занимало десять лет и стоило миллиард долларов. Инновации же, разработанные при участии Шанкара Баласубраманиана и Дэвида Кленермана позволили завершить такой процесс за один день примерно за 1000 долларов. Этот ускоренный процесс делает возможными новые применения этой технологии, включая диагностику и лечение рака и других заболеваний, а также секвенирование РНК COVID-19 для отслеживания распространения вариантов по всему миру.
Разработка двумя химиками технологии для быстрого одновременного анализа миллиардов фрагментов ДНК уже принесла им «Премию тысячелетия» в области технологий за 2020 год. Трое из девяти прошлых лауреатов этой награды позже стали обладателями и Нобелевских премий.
Еще одним достойным внимания Нобелевского комитета кандидатом издание Inside Science назвало Кэролайн Бертоцци из Стэнфордского университета. Женщина-химик получила известность благодаря изобретению способов химического изменения молекул в живых организмах или клетках без их повреждения. Бертоцци назвала эти реакции «биоортогональной химией», или химией, которая не взаимодействует с биологией. Эти реакции могут помочь исследователям идентифицировать «мишени» для лекарств и маркировать клетки для визуализации.
До биоортогональной химии ученые очень мало знали о молекулах сахара, покрывающих наши клетки. Бертоцци использовала биоортогональную химию для изучения этих сахаров, и теперь ученые знают, что сахарные покрытия формируют белки, направляют лейкоциты, помогают клеточной передаче сигналов и выполняют другие жизненно важные задачи. Они также определяют группу крови.
Особый тип сахара, называемый сиаловой кислотой, оказывает большее влияние на раковые клетки, чем на нормальные, и долгое время ученые не знали почему. Бертоцци обнаружила, что эти сахара скрывают раковые клетки от иммунных. Иммунные клетки обнаруживают и уничтожают раковые, но когда они сталкиваются с клеткой, покрытой сиаловой кислотой, они получают сообщение: «Это не те клетки, которые вы ищете». Исследовательская группа Бертоцци нашла способ удалить сиаловую кислоту, что позволяет иммунной системе идентифицировать раковые клетки. Работа исследовательницы также привела к созданию способов тестирования на туберкулез, присоединения лекарств к антителам для борьбы с опухолями, а также диагностики и лечения других заболеваний.
По мнению Inside Science, хорошие шансы на получение «химического» Нобеля в этом году оказались у биохимика Барри Холливелла из Национального университета Сингапура. Нашему телу необходим баланс свободных радикалов (кислородсодержащих молекул, которые легко реагируют с другими молекулами) и антиоксидантов, которые реагируют с ними. Полвека назад научный консенсус заключался в том, что свободные радикалы – это плохо, а антиоксиданты полезны. Холливеллу приписывают инициативу по лучшему пониманию свободных радикалов и антиоксидантов, показывая, что и сами эти молекулы, и их отношения с организмами более сложны.
Люди естественным образом производят свободные радикалы и антиоксиданты, но они также попадают в организм из внешних источников. Свободные радикалы попадают в наш организм, когда мы вдыхаем загрязненный воздух и сигаретный дым или поглощаем солнечный свет. А антиоксиданты содержатся во фруктах, овощах и орехах. Свободные радикалы необходимы для выживания, выполняя ряд функций – от уничтожения патогенов и опухолей до контроля кровотока и нервной активности. Но, поскольку свободные радикалы имеют неспаренный электрон, они также крадут электроны из клеток нашего тела, вызывая повреждения, которые, как считается, приводят к широкому спектру заболеваний. Антиоксиданты могут отдавать электроны свободным радикалам, нейтрализуя их, чтобы они больше не вступали в реакцию с клетками.
Исследование Холливелла помогло точно определить, какой именно вред наносят свободные радикалы и как они, а также антиоксиданты связаны с заболеваниями мозга, включая болезнь Альцгеймера и деменцию. Биохимик также изучил, какие антиоксиданты наиболее важны в рационе человека, почему антиоксидантные добавки оказываются в значительной степени неэффективными, а также изучал разработку новых антиоксидантов.
Имя Барри Холливелла звучало и в других прогнозах – например, анализ Clarivate's Web of Science назвал его в числе трех фаворитов «Нобеля» 2021 года наряду с пионером вычислительной химии Уильямом Йоргенсен и и Мицуо Савамото, разработчиком технологии живой радикальной полимеризации, катализируемой металлами.
А согласно проведенному журналом ChemistryViews своих читателей опросу на предмет их прогнозов, наибольшее количество предложений было высказано в пользу упомянутого и изданием Inside Science Шанкара Баласубраманиана (за его работу по нуклеиновым кислотам), а также Омара М. Яги, известного своими работами по металлоорганическим каркасам и ковалентным органическим каркасам.
Самым первым в истории лауреатом «химической» награды имени Нобеля стал голландец Якоб Хендрик Вант-Гофф. С тех пор, с 1901 по 2020 год, Нобелевская награда по химии присуждалась 112 раз. Среди лауреатов имеется и единственный человек, сумевший получить Нобелевскую награду по химии дважды, – Фредерик Сангер, удостоившийся премии в 1958 и 1980 гг. Впрочем, в числе награжденных химиков есть и другие «дважды нобелевцы»: американский химик и активист Линус Паулинг (он получил в 1954 году премию по химии, а в 1962-м – и премию мира), а также Мари Кюри, получившая также премию по физике.
Престижная премия по химии сопровождается вручением золотой медали и денежной награды в размере 10 миллионов крон (более 1,1 миллиона долларов США), полученным по завещанию, оставленному более века назад Альфредом Нобелем. В уставе Нобелевского фонда сказано: «Сумма премии может быть разделена поровну между двумя работами, каждая из которых считается удостоенной премии. Если награждаемая работа создана двумя или тремя людьми, премия присуждается им совместно. Ни в коем случае сумма приза не может быть разделена между более чем тремя людьми».
Примерно в половине случаев Нобелевскую премию по химии вручали одному-единственному лауреату (63 раза). И примерно одинаковое количество раз награду присуждали двоим и троим ученым (соответственно в 25 и 24 случаях).
Согласно статистике, большинство среди нобелевских лауреатов по химии составляют ученые из США, на втором месте – ученые из Германии, на третьем – из Великобритании.
Средний возраст лауреатов премии по химии составляет 58 лет. Самым молодым награжденным остается 35-летний Фредерик Жолио, получивший вместе со своей супругой Ирен Жолио-Кюри премию в 1935 году. А самым пожилым лауреатом в 2019 году стал 97-летний американский ученый Джон Гуденаф.
Как и в случае с «Нобелем» по физике, премия по химии остается преимущественно мужской наградой. Женскую часть удостоенных премии химиков составляют Мари Кюри, ее дочь Ирен Жолио-Кюри, Дороти Кроуфут Ходжкин, Ада Йонат и награжденная в 2018 году Фрэнсис Арнольд. В прошлом году обладательницами Нобеля по химии стали две женщины – французская исследовательница в области микробиологии, генетики и биохимии Эммануэль Шарпантье и американская ученая-биохимик Д Дженнифер Дудна – за развитие метода редактирования генома. Кстати, согласно проведенному в этом году среди читателей издания ChemistryViews опросу, большинство экспертов сочли, что в 2021 году шансы женщин-ученых стать лауреатками премии по химии составили 24,5 процента.
Читайте также: Нобелевскую премию по физике дали за работу, сделанную советским ученым