مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021 لباحثين: بنجامين ليست (بنجامين ليست) وديفيد دبليو سي ماكميلان (ديفيد دبليو سي ماكميلان) عن "تطوير التحفيز العضوي غير المتماثل". (سيتم تحديث الأخبار)
جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021
مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021 لباحثين: بنجامين ليست (بنجامين ليست) وديفيد دبليو سي ماكميلان (ديفيد دبليو سي ماكميلان) عن "تطوير التحفيز العضوي غير المتماثل".
قام الحائزان على جائزة نوبل لهذا العام بتطوير أداة جديدة ومبتكرة لبناء الجزيئات: التحفيز العضوي. يشير هذا المجال إلى الأبحاث المتعلقة بالأدوية الجديدة والكيمياء الخضراء. لفترة طويلة، اعتقد الباحثون أن هناك نوعين فقط من المحفزات: المعادن والإنزيمات. وبشكل مستقل عن بعضهما البعض، طور الفائزان لهذا العام نوعًا ثالثًا - التحفيز العضوي غير المتماثل - يعتمد على جزيئات عضوية صغيرة.
تساءل بنجامين ليست (بنيامين ليست) عما إذا كان الإنزيم بأكمله ضروريًا بالفعل لتلقي التحفيز. أوه اختبر ما إذا كان الحمض الأميني المسمى البرولين يمكنه تحفيز التفاعل الكيميائي. لقد تمكنت من القيام بذلك.
عمل David WC MacMillan باستخدام محفزات معدنية تتحلل بسهولة بالرطوبة. وتساءل عما إذا كان بإمكانه تطوير نوع أكثر استقرارًا من المحفزات باستخدام جزيئات عضوية بسيطة. أثبت أحدهم أنه محفز غير متماثل ممتاز.
أدى الاكتشاف - التحفيز العضوي غير المتماثل - والذي مُنحت عنه جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021، إلى تطوير التخليق العضوي إلى مستوى جديد تمامًا. فهو لم يجعل الكيمياء أكثر مراعاة للبيئة فحسب، بل جعل تركيب الجزيئات غير المتماثلة أسهل بكثير. على سبيل المثال، فإن جزيئين الليمونين غير المتماثلين (R enantiomer وS enantiomer) لهما رائحة مختلفة قليلاً: أحدهما برائحة الليمون والآخر بطعم البرتقال. أصبح تركيبها بمساعدة محفز معدني عضوي غير متماثل أسهل اليوم.
الأدوات التي طورها الفائزان صنع ثورة في بناء الجزيئات
يمكن للكيميائيين إنشاء جزيئات جديدة من خلال ربط وحدات بناء كيميائية صغيرة معًا، لكن التحكم في المواد غير المرئية بحيث تترابط بالطريقة التي نحتاجها هي مهمة صعبة وصعبة. قائمة بنيامين (قائمة بنيامين) وديفيد ماكميلان فاز (ديفيد دبليو سي ماكميلان) بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021 لتطويرهم أداة جديدة بارعة لبناء الجزيئات: التحفيز العضوي. يشير هذا المجال إلى الأبحاث المتعلقة بالأدوية الجديدة والكيمياء الخضراء.
تعتمد العديد من الصناعات ومجالات البحث على قدرة الكيميائيين على بناء جزيئات جديدة ووظيفية. يمكن أن تشمل هذه كل شيء بدءًا من المواد التي تلتقط أشعة الشمس في الخلايا الشمسية أو تخزن الطاقة في البطاريات، إلى الجزيئات القادرة على صنع أحذية جري خفيفة الوزن أو تلك التي تمنع تطور المرض في جسم الإنسان.
ولكن إذا قارنا قدرة الطبيعة على بناء الإبداعات الكيميائية بقدرة الإنسان، فإننا كنا جميعا في العصر الحجري. لقد أنشأ التطور أدوات مصممة خصيصًا، الانزيمات، لبناء الأنظمة الجزيئية المعقدة التي توفر الحياة ببنيتها وألوانها ووظائفها. في البداية، عندما عزل الكيميائيون هذه التحف الكيميائية، كانوا ببساطة يشعرون بالرهبة منها.
أدوات جديدة للكيمياء الدقيقة
كل أداة جديدة أضافها الكيميائيون إلى صندوق أدواتهم زادت من دقة إبداعاتهم الجزيئية. ببطء ولكن بثبات، تقدم الكيميائيون من التحريك في الحجر إلى شيء أقرب إلى الفنون الجميلة. وقد قدم هذا التقدم فائدة عظيمة للبشرية، وبعض هذه الأدوات فازت لمطوريها بجائزة نوبل في الكيمياء.
توجد العديد من الجزيئات في نسختين، إحداهما صورة طبق الأصل للأخرى. غالبًا ما يكون لهذين الإصدارين تأثير مختلف تمامًا على أجسامنا. على سبيل المثال، إحدى نسخ جزيء الليمونين لها رائحة ليمون، في حين أن نسختها المرآة لها رائحة برتقالية.
أدى الاكتشاف الذي فازوا عنه بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021 إلى تطوير البناء الجزيئي إلى مستوى جديد تمامًا. هذا التطور لم يجعل الكيمياء أكثر "خضراء" (صديقة للبيئة) فحسب، بل غيّر طريقة الإبداع جزيئات غير متماثلة إلى واحدة أبسط. أثناء تركيب المواد الكيميائية، يحدث أحيانًا موقف حيث يمكن تشكيل جزيئين، تمامًا مثل أيدينا، هما صورة مرآة لبعضهما البعض. عادة، يهتم الكيميائيون فقط بأحد هذين الإصدارين، خاصة عند صنع الأدوية، ولكن حتى وقت الاكتشافات كان من الصعب إيجاد طرق فعالة لذلك. الفكرة التي طورها بنجامين ليست وديفيد ماكميلان، التحفيز العضوي غير المتماثل، بسيطة ومبتكرة.
تعمل المحفزات على تسريع التفاعلات الكيميائية
في القرن التاسع عشر، عندما بدأ الكيميائيون في فحص الطرق التي تتفاعل بها المواد المختلفة مع بعضها البعض، توصلوا إلى بعض الاكتشافات الغريبة بشكل خاص. على سبيل المثال، إذا تم خلطها بغبار الفضة مع بيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، فقد لاحظوا أن بيروكسيد الهيدروجين يتحلل ليشكل الماء (H2O) والأكسجين الجزيئي (O2). لكن المال الذي أثار رد الفعل، لا يبدو أنه يتأثر به على الإطلاق. وبالمثل، كانت المواد المأخوذة من البذور النابتة قادرة على تحطيم النشا (عديد السكاريد) إلى جزيئات الجلوكوز (أحادي السكاريد).
وفي عام 1835، بدأ الكيميائي السويدي جاكوب بيرسيليوس يلاحظ وجود نمط منتظم في هذا المجال. وكتب في أحد مقالاته: "حول قوة قادرة على إحداث نشاط كيميائي". وسرد عدة أمثلة حيث يؤدي مجرد وجود مادة إلى حدوث تفاعل كيميائي، مشيرًا إلى أن هذه الظاهرة تبدو أكثر شيوعًا مما كان يعتقد سابقًا. كان يعتقد أن مثل هذه المواد لديها القوة الحفزية وتسمى الظاهرة نفسها الحفز.
تعمل المحفزات على إنتاج المواد البلاستيكية والعطور والأطعمة المتبلة
لقد مرت العصور والأعمار منذ زمن برزيليوس. اكتشف الكيميائيون منذ ذلك الحين مجموعة واسعة من المحفزات القادرة على تفكيك الجزيئات أو ضمها معًا. وبفضلهم أصبحنا الآن قادرين على صنع آلاف المواد المختلفة التي نستخدمها في حياتنا اليومية، مثل الأدوية والبلاستيك والعطور والتوابل. وتشير التقديرات إلى أن ما يقرب من خمسة وثلاثين في المائة من الناتج القومي الإجمالي في العالم، بطريقة أو بأخرى، يرتبط بالمحفزات الكيميائية.
في الأساس، جميع المحفزات المكتشفة قبل عام 2000 تنتمي إلى إحدى المجموعتين: كانت معادن أو إنزيمات. عادة ما تكون المعادن محفزات ممتازة لأنها تتمتع بقدرة فريدة على تجميع الإلكترونات بشكل مؤقت أو نقلها إلى جزيئات أخرى أثناء التفاعل الكيميائي. وتساعد هذه الظاهرة على إضعاف الروابط الكيميائية بين الذرات الموجودة في الجزيء، بحيث يمكن الآن فك الروابط التي كانت مشدودة، في حين تتكون روابط جديدة مكانها.
ومع ذلك، فإن إحدى المشاكل الشائعة في بعض المحفزات المعدنية هي أنها حساسة للغاية للأكسجين والماء، لذلك يتطلب استخدامها بيئة خالية من الأكسجين والرطوبة. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد العديد من المحفزات المعدنية على معادن ثقيلة تشكل مواد خطرة على الإنسان والبيئة.
محفزات الحياة تعمل بدقة مذهلة
النوع الثاني من المحفز يتكون من بروتينات تعرف بالإنزيمات. تحتوي جميع الكائنات الحية على آلاف الإنزيمات المختلفة التي تقود التفاعلات الكيميائية اللازمة للحياة. تتخصص العديد من الإنزيمات في التحفيز غير المتماثل، ومن حيث المبدأ، تقوم دائمًا بإنشاء نسخة واحدة فقط من النسختين المحتملتين للصور المرآة. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تعمل في وقت واحد - عندما ينهي أحد الإنزيمات نشاطه في تفاعل معين، يبدأ إنزيم آخر نشاطه الخاص. وبهذه الطريقة، فهم قادرون على المساعدة في تركيب الجزيئات المعقدة بدقة لا تصدق، جزيئات مثل الكوليسترول أو الكلوروفيل أو السم المعروف باسم الإستركنين، وهو أحد أكثر الجزيئات تعقيدًا المعروفة في عالم العلوم.
وبما أن الإنزيمات تعتبر من المحفزات الفعالة، فقد حاول الباحثون في تسعينيات القرن الماضي تطوير إنزيمات جديدة لتسريع التفاعلات الكيميائية المهمة للإنسانية. إحدى المجموعات البحثية العاملة في هذا المجال كانت مجموعة بقيادة كارلوس ف. بارباس الثالث في معهد سكريبس للأبحاث في جنوب كاليفورنيا. كان بنجامين ليست في ذلك الوقت طالب دكتوراه في مجموعة بارباس البحثية عندما ولدت فكرته العبقرية هناك، والتي أدت إلى أحد الاكتشافات وراء جائزة نوبل في الكيمياء هذا العام.
بنيامين ليست يفكر خارج الصندوق
عملت بنيامين ليست مع الأجسام المضادة الحفزية. عادة، ترتبط الأجسام المضادة بالفيروسات أو البكتيريا الأجنبية في أجسامنا، لكن الباحثين في سكريبس أعادوا هندستها حتى تتمكن من تحفيز التفاعلات الكيميائية بدلاً من ذلك.
أثناء عمله على الأجسام المضادة التحفيزية، بدأ بنجامين ليست يتساءل عن كيفية عمل الإنزيمات حقًا. عادة ما تكون هذه جزيئات كبيرة تتكون من مئات الأحماض الأمينية. بالإضافة إلى هذه الأحماض الأمينية، تحتوي العديد من الإنزيمات أيضًا على معادن تساعد في تحفيز العمليات الكيميائية. ومع ذلك، وهذا هو جوهر الأمر، فإن العديد من الإنزيمات تحفز التفاعلات الكيميائية دون مساعدة المعادن. وبدلاً من ذلك، يتم تحفيز التفاعلات بواسطة واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية داخل الإنزيم. كان سؤال بنيامين ليست الفريد هو: هل يجب أن تكون الأحماض الأمينية جزءًا من إنزيم لتحفيز التفاعل الكيميائي؟ أو هل يمكن لحمض أميني واحد فقط، أو جزيئات بسيطة أخرى مماثلة، أن تقوم بنفس الوظيفة؟
نتيجة اختراق
عرف ليزت من الأبحاث التي أجريت في السبعينيات أنه تم استخدام حمض أميني يسمى البرولين كمحفز - ولكن هذا الاكتشاف كان منذ أكثر من 25 عامًا. من المؤكد أنه إذا تم استخدام البرولين بالفعل كمحفز فعال، لكان هناك من سيواصل التحقيق في الأمر حتى الآن، أليس كذلك؟
لفترة من الوقت فكر بنيامين ليزت بشكل أو بآخر؛ وقدر أن السبب وراء عدم استمرار أحد في التحقيق في هذه الظاهرة هو أن الحفز لم يعمل بشكل صحيح. وبدون أي توقعات حقيقية، بدأ باختبار ما إذا كان البرولين يمكنه تحفيز تفاعل الألدول، والذي يتم خلاله ربط ذرات الكربون من جزيئين مختلفين معًا. لقد كانت محاولة بسيطة نجحت على الفور بشكل مدهش.
- تتكون الإنزيمات من مئات الأحماض الأمينية، ولكن عادةً ما يشارك جزء صغير منها فقط في التفاعل الكيميائي. بدأ بنيامين ليست يتساءل عما إذا كان الإنزيم ضروريًا بالفعل في مجمله من أجل تحقيق النشاط التحفيزي.
- تساءل بنيامين ليست عما إذا كان الحمض الأميني المسمى البرولين - على الرغم من بساطته - يمكن أن يحفز التفاعل الكيميائي. لقد عملت بشكل رائع. يحتوي البرولين على ذرة نيتروجين قادرة على توفير الإلكترونات والتعامل معها أثناء التفاعلات الكيميائية.
كجزء من تجاربه، لم يثبت بنجامين ليست فقط أن البرولين هو محفز فعال، ولكن أن هذا الحمض الأميني يمكن أن يبدأ عملية تحفيز غير متماثلة. ومن بين الصورتين المتطابقتين المحتملتين، تم إنشاء إحداهما بكمية أكبر من الأخرى. على عكس الباحثين الذين سبق لهم فحص البرولين كعامل محفز، فهم بنجامين ليست القدرة الهائلة التي يمكن أن يتمتع بها هذا الحمض. بالمقارنة مع المعادن والإنزيمات، يعتبر البرولين أداة أحلام الكيميائيين. إنها مادة بسيطة للغاية ورخيصة وصديقة للبيئة. عندما نشر ليست اكتشافه في عام 2000، وصف ليست التحفيز غير المتماثل بمساعدة الجزيئات العضوية كفكرة جديدة تحمل العديد من الفرص: "إن تصميم وفحص هذه المحفزات هو أحد أهدافنا المستقبلية". ومع ذلك، فهو لم يكن وحده في هذا المجال. وفي مختبره شمالًا في كاليفورنيا، عمل ديفيد ماكميلان أيضًا لهذا الغرض.
ديفيد ماكميلان - يهمل راحة المعادن الحساسة
قبل عامين، انتقل ديفيد ماكميلان من جامعة هارفارد إلى بيركلي. في هوارد، عمل على تحسين الحفز غير المتماثل بمساعدة المعادن. لقد كان هذا مجالًا جذب الكثير من اهتمام الباحثين، لكن ديفيد ماكميلان لاحظ أن المحفزات التي تم تطويرها بالفعل نادرًا ما تُستخدم في الصناعة. وخلص إلى أن المعادن الحساسة كانت ببساطة معقدة للغاية ومكلفة الاستخدام. إن تحقيق الظروف الخالية من الأكسجين والرطوبة المطلوبة للعديد من المحفزات المعدنية أمر بسيط للغاية في المختبر، ولكن تنفيذ العمليات الصناعية في مثل هذه الظروف أمر معقد للغاية. وكان استنتاجه هو أنه إذا كانت الأدوات الكيميائية التي طورها فعالة، فعليه إعادة التفكير. لذلك، عندما انتقل إلى بيركلي ترك المعادن خلفه.
ثم قام بتطوير نوع أبسط من المحفز
بدلًا من ذلك، بدأ ديفيد ماكميلان في تصميم جزيئات عضوية بسيطة يمكنها - تمامًا مثل المعادن - التبرع بالإلكترونات أو قبولها مؤقتًا. وفي هذه المرحلة، يُطلب منه تحديد ما هي الجزيئات العضوية - باختصار، هذه هي الجزيئات التي تخلق جميع الكائنات الحية. وهي تشتمل على هيكل ثابت من ذرات الكربون التي ترتبط بها مجموعات كيميائية نشطة تحتوي عادة على ذرات الأكسجين أو النيتروجين أو الكبريت أو الفوسفور.
وبالتالي، تتكون الجزيئات العضوية من عناصر بسيطة ومشتركة، ومع ذلك، اعتمادًا على كيفية ارتباطها، يمكن أن يكون لها خصائص معقدة. أدت معرفة ديفيد ماكميلان بالكيمياء إلى استنتاج مفاده أنه لكي يتمكن الجزيء العضوي من تحفيز التفاعل المطلوب، يجب أن يكون قادرًا على تكوين أيون الإمينيوم. يتضمن هذا الأيون بداخله ذرة نيتروجين لها ميل متأصل للإلكترونات.
اختار عدة جزيئات عضوية ذات الخصائص المطلوبة، ثم اختبر قدرتها على تحفيز تفاعل ديلز-ألدر الذي يستخدمه الكيميائيون لتكوين حلقات من ذرات الكربون. وكما كان يأمل ويؤمن، جاءت ردود الفعل مذهلة. كما عملت بعض الجزيئات العضوية بشكل جيد مع المحفزات غير المتماثلة. ومن بين الصورتين المتطابقتين، شكلت إحداهما أكثر من تسعين بالمائة من المنتج النهائي.
ديفيد ماكميلان يغرق مصطلح الحفز العضوي (التحفيز العضوي)
عندما كان ديفيد ماكميلان مستعدًا لنشر النتائج التي توصل إليها، أدرك أن نوع الحفز الذي اكتشفه للتو يحتاج إلى اسم. والحقيقة هي أن الباحثين نجحوا في الماضي في تحفيز التفاعلات الكيميائية بمساعدة جزيئات عضوية صغيرة، ولكن هذه كانت أمثلة معزولة، ولم يفهم أي من الباحثين أن هذه طريقة عامة. أراد ديفيد ماكميلان العثور على مصطلح يمكن أن يصف الطريقة بطريقة تجعل الباحثين الآخرين يفهمون أنه لا يزال هناك العديد من المحفزات التي يمكن العثور عليها. وكان اختياره هو الحفز العضوي. في يناير 2000، قبل نشر اكتشاف بنجامين ليست مباشرة، قدم ديفيد ماكميلان مقالته للنشر في مجلة علمية. كانت المقدمة كما يلي: "بموجب هذا، نقدم استراتيجية جديدة للتحفيز العضوي والتي نتوقع أن تكون مناسبة لمجموعة من التحويلات غير المتماثلة".
ازدهر استخدام الحفز العضوي وازدهر
لا علاقة لبعضهما البعض، اكتشف بنيامين ليست وديفيد ماكميلان فكرة جديدة تماما للحفز. منذ عام 2000، والتطورات في هذا المجال تشبه في الواقع التطورات التي كانت في عصر حمى الذهب، عندما كان هذان الباحثان على رأس السهم. لقد صمموا ثروة من المحفزات العضوية الرخيصة والمستقرة التي يمكن استخدامها لتحفيز مجموعة كبيرة ومتنوعة من التفاعلات الكيميائية.
لا تتكون المحفزات العضوية في كثير من الأحيان من جزيئات بسيطة فحسب، بل في بعض الحالات - تمامًا مثل الإنزيمات الطبيعية - يمكن أن تعمل تمامًا كما هو الحال في الحزام الناقل الصناعي. في الماضي، كجزء من عمليات الإنتاج الكيميائي، كان من الضروري عزل وتنقية كل منتج من المنتجات الوسيطة لتجنب الحصول على العديد من المنتجات الثانوية. تسببت هذه القيود في انخفاض استخدام هذه العمليات الكيميائية.
تعد المحفزات العضوية أكثر تسامحًا، حيث يمكن تنفيذ العديد من خطوات التفاعل معها بالتسلسل. إنه تفاعل متسلسل يقلل بشكل كبير من كمية النفايات في إنتاج المواد الكيميائية.
إن تخليق الستيركنين اليوم أكثر كفاءة بمقدار 7000 مرة من ذي قبل
أحد الأمثلة على الكيفية التي أدى بها التحفيز العضوي إلى بناء جزيئي أكثر كفاءة هو تخليق جزيء الإستركنين، والذي يحدث في الطبيعة وله بنية معقدة للغاية. بالنسبة للكيميائيين، يشبه هذا الجزيء المكعب المجري: وهو تحدٍ تريد حله في أقل عدد من الخطوات. عندما تم تصنيع الإستركنين لأول مرة في عام 1952، تم إنتاجه من خلال 29 تفاعلًا كيميائيًا مختلفًا، وأصبح 0.0009 بالمائة فقط من المادة الأولية هو المنتج المطلوب في النهاية. وكان الباقي النفايات. في عام 2011، تمكن الباحثون من استخدام الحفز العضوي والتفاعل المتسلسل لإنتاج الإستركنين في إحدى عشرة خطوة فقط، مع زيادة كفاءة عملية الإنتاج بمقدار 7000 مرة.
الحفز العضوي له أهمية خاصة في مجال إنتاج الأدوية
كان للتحفيز العضوي تأثير كبير على أبحاث الأدوية، حيث غالبًا ما يكون التحفيز غير المتماثل مطلوبًا. حتى اللحظة التي تمكن فيها الكيميائيون من إجراء التحفيز غير المتماثل، كانت العديد من الأدوية تحتوي على كلا الشكلين من بنية المادة الفعالة؛ كان أحدهما نشطًا، بينما قد يكون الآخر مسؤولاً عن الآثار الجانبية. ومن الأمثلة الكارثية على مثل هذه الحالة فضيحة الثاليدومايد في الستينيات، حيث تسبب أحد أشكال الجزيء في حدوث تشوهات خطيرة لدى الآلاف من الأجنة النامية.
وبمساعدة التحفيز العضوي، يستطيع الباحثون الآن إنتاج كميات كبيرة من الجزيئات غير المتماثلة بكل بساطة. على سبيل المثال، فهم قادرون على تصنيع مواد علاجية لا يمكن الحصول عليها إلا عن طريق عزلها بكميات ضئيلة فقط من النباتات النادرة أو الكائنات البحرية.
وفي شركات الأدوية، تُستخدم هذه الطريقة أيضًا لزيادة إنتاج الأدوية الموجودة. ومن الأمثلة على ذلك أدوية الباروكستين، التي تستخدم لعلاج القلق والاكتئاب، والدواء المضاد للفيروسات أوسيلتاميفير، والذي يستخدم لعلاج الالتهابات الفيروسية في الجهاز التنفسي.
الأفكار البسيطة هي الأصعب في التخيل
يمكن للمرء أن يسرد آلاف الأمثلة على كيفية استخدام الحفز العضوي - ولكن لماذا لم يكتشف أحد هذه الفكرة البسيطة والخضراء والرخيصة للحفز غير المتماثل في وقت سابق؟ هذا السؤال لديه العديد من الإجابات. الأول هو أن الأفكار البسيطة غالبًا ما تكون أصعب في التخيل. إن منظورنا محجوب بسبب مفاهيم مسبقة مهمة حول الكيفية التي ينبغي أن يعمل بها العالم، مثل فكرة أن المعادن أو الإنزيمات فقط هي القادرة على تحفيز التفاعلات الكيميائية. تمكن بنجامين ليست وديفيد ماكميلان من رؤية ما هو أبعد من هذه الأفكار المسبقة مع إيجاد حل مبتكر لمشكلة عانى منها الكيميائيون لعقود من الزمن. ونتيجة لذلك فإن التحفيز العضوي يقدم – في الوقت الحالي – أكبر فائدة للبشرية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
