Клик — и готово

«Рассказывают, что когда Шарплесс сформулировал идею клик-реакции, то в Институте Скриппса многие его не поняли и крутили у виска, — говорит в беседе с N + 1 Дмитрий Перекалин, заведующий лабораторией функциональных элементоорганических соединений в Институте элементоорганических соединений РАН, — и так много хороших реакций, чего ему еще надо?» Трое сегодняшних Нобелевских лауреатов по-разному отвечали для себя на этот вопрос. Барри Шарплесс стремился к тому, чтобы органикам было проще и удобнее работать, Каролин Бертоцци искала способ управлять клеточными мембранами, а Мортен Мельдаль и вовсе ничего такого не хотел, просто наткнулся на них случайно. Рассказываем, зачем сегодня химики «кликают» — и что для этого нужно.

Накликали

В 1893 году американский химик Артур Михаэль провел реакцию азид-алкинового циклоприсоединения. Это реакция между молекулами с азидной группой (из трех связанных друг с другом атомов азота) и алкинами (веществами с тройной связью углерод-углерод). В результате присоединения одной молекулы к другой получается триазол — циклический гетероцикл с тремя атомами азота из азида и двумя атомами углерода.

В то время никто бы не подумал, что за эту реакцию однажды кого-нибудь кто-нибудь чем-то наградит: Михаэль удостоверился, что идет она плохо, ничем интересным не отличается, да и пользы от нее никакой. После Михаэля эту же реакцию подробнее исследовал Рольф Хьюсген в середине XX века. И тоже заключил, что ничего интересного здесь не происходит: ну, нагрели, получили на выходе смесь изомеров.

С неожиданным в этой заурядной реакции столкнулся датский химик Мортен Мельдаль лишь полвека спустя, в 2001 году. Ученый занимался твердофазным синтезом пептидов, и ни о каком циклоприсоединении не думал. Но в какой-то момент во время экспериментов с пептидами азид-алкиновое циклоприсоединение внезапно пошло само. Мельдаль не растерялся, выделил продукт и стал разбираться, что произошло. Оказалось, что виноват был иодид меди: реакция циклоприсоединения в его присутствии проходит всего за несколько минут и выдает очень много триазола. Причем совершенно вне зависимости от того, какими функциональными группами напичканы участвующие в реакции пептидные цепи.

Свое открытие Мельдаль представил на конференции в Сан-Диего в 2001 году, а через год опубликовал о нем статью. Спустя всего три месяца после датчанина другую работу, в которой описывалась подобная каталитическая реакция, опубликовал американец Барри Шарплесс — к тому моменту уже получивший свою первую Нобелевскую премию за асимметрические реакции окисления.

Кроме реакции азид-алкинового циклоприсоединения, Шарплесс нашел еще несколько реакций, которые шли так же легко и быстро, с высоким выходом и без образования побочных продуктов. Среди них оказались например, давно известные реакция Дильса-Альдера и присоединение к трехчленным насыщенным гетероциклам. Первая представляет собой присоединение алкена к диену с образованием шестичленного углеродного цикла с одной двойной связью. А во второй происходит атака электронной пары одного из исходников на трехчленный цикл другого, который раскрывается с образованием спирта или амина.

У всех этих реакций было несколько замечательных свойств:

• все атомы реагентов переходят в нужный продукт, а не тратятся на что-то постороннее;

• в процессе реакции не образуется ненужных веществ, а только связи углерод-углерод или углерод-гетероатом;

• проводить их можно без растворителя или в воде;

• они очень часто идут с выходами, близкими к 100 процентам.

В общем, не реакция, а мечта химика-органика — смешал, подождал пару минут, поставил на полку. Никаких проблем с выделением или анализом продукта. Грамотный подбор катализатора заставил совсем по-новому смотреть на уже известные реакции.

Такие реакции Шарплесс предложил называть «клик-реакциями». Один из соавторов Шарплесса Эм Джей Финн объяснил выбор термина так: «Слово „клик“ <...> должно передавать то чувство удобства и удовлетворения, которое испытывает человек, когда застегивает багажный ремень».

Сам Шарплесс в статье 2004 года пишет, что органической химией нужно заниматься так, как это делали в прошлом веке: провел реакцию — выделил продукт, если надо, почистил перегонкой или кристаллизацией. Все остальное — слишком сложно. С точки зрения практического применения подход Шарплесса логичен — зачем городить молекулы со сложной структурой, если осталось огромное количество молекул, которые просто получить, но до сих пор никто не исследовал.

В результате с момента открытия клик-химии этот метод быстро завоевал интерес химиков из разных областей науки: с его помощью стали получать лекарственные средства, создавать клеи, и на основе триазолов проводить новые химические реакции. В частности, этим активно занимался один из бывших сотрудников Шарплесса Валерий Фокин. Например, он придумал наносить на одну металлическую поверхность слой органического азида, а на другую — слой алкина, и склеивать их. «Они склеивались настолько прочно, что при попытке их оторвать друг от друга вытягивалась [склеенная] медь» — описывает Перекалин мощь клик-клея Фокина.

Органическая органическая химия

Американка Каролин Бертоцци, третья обладательница премии, показала, что клик-химия — не просто один очень эффективный инструмент органического синтеза, а химический метод, с помощью которого можно работать с живыми системами, не нарушая при этом их собственной биохимии.

Бертоцци занималась мембранами клеток и искала способ, как пришить к ним нужные ей органические фрагменты, не изменив при этом свойства самой клетки. Она понимала, основное требование к реакциям, которые она ищет — невмешательство в другие клеточные процессы. Эти реакции исследовательница назвала биоортогональными — базис этих реакций был перпендикулярен базису клеточных реакций, поэтому никак на них не влиял.

С помощью биоортогональных реакций Бертоцци хотела научиться пришивать к клеткам флуоресцентные органические фрагменты, чтобы можно было искать раковые клетки с помощью конфокального микроскопа. В качестве основного кандидата на клеточной мембране, к которому можно что-то прицепить, исследовательница выбрала гликаны — полисахариды, участвующие в процессах клеточного распознавания. Тогда они были практически не исследованы.

Первые биоортогональные реакции Бертоцци нашла еще за несколько лет до открытия Мельдаля. Некоторые из них уже вполне удовлетворяли определению клик-реакций, просто Шарплесс его тогда еще не придумал. Первой из открытых клик-биоортогональных реакций была модифицированная реакция Штаудингера. В этой реакции друг с другом скрепляются две молекулы: в одной из которых есть фосфин и сложный эфир, а во второй — азидная группа.

Чтобы использовать эту реакцию в живых клетках, Бертоцци накормила культуру человеческих лимфоцитов модифицированной маннозой c азидной группой. В результате группа оказалась на гликане, а тот — на поверхности клеточной мембраны. После этого гликан уверенно реагировал с флуоресцентным органическим алкином — таким образом Бертоцци пришивала светящуюся метку на мембрану клетки, не потревожив процессы внутри.

А затем Бертоцци наткнулась на работы Мельдаля и Шарплесса и поняла, что может использовать открытую ими реакцию для своих целей. Цитотоксичные ионы меди, нужные для катализа, правда, ей не подходили — но ученая обнаружила, что такую же клик-реакцию можно провести и без них. Поскольку присоединение азидов к двойным связям идет лучше, если двойная связь заключена в небольшой цикл, пришить флуоресцентную метку к мембране удалось с помощью циклоприсоединения циклического алкина к гликопротеинам.

Все дальнейшее развитие биоортогональных реакций уже целиком было завязано на клик-химии. Аналогичные эксперименты с азид-алкиновым присоединением флуоресцентных меток Бертоцци позже провела и на живых мышах — так удалось окончательно подтвердить нетоксичность метода. А затем в дело вступили другие химики и придумали еще больше способов «прикрутить» клик-реакции к живым клеткам.

В сущности, клик-химия работает чем-то похоже на антитела — она дает возможность распознать конкретную молекулу и что-нибудь к ней присоединить. Только, в отличие от антител, в клик-реакциях группы присоединяются прочными ковалентными связями, а не слабыми невалентными взаимодействиями, и разорваться уж точно не могут. Поэтому, как и антитела, эти методы можно применять самым разным образом. Можно добавлять новые рецепторы на мембрану клеток, чтобы проще было доставлять в них лекарства. Можно избирательно пришивать метки к маркерам раковых клеток, чтобы лучше и раньше распознавать опухоли. Можно создавать новые тест-системы, проверять, как работают лекарства, следить за перемещением веществ по клеткам — возможностей масса.

И сейчас никто уже не крутит пальцем у виска, когда химик-органик садится придумывать новые реакции в дополнение к тысячам уже известных, как это сделал Барри Шарплесс. Просто эти известные реакции известны также и клеткам, которые их используют. А значит, если вы хотите что-нибудь сделать у них внутри, ничего при этом не поломав и не нарушив, вам нужна неизвестная им химия. А если эта химия работает сама, без посторонней помощи, и делает что-то простое и надежное — вы можете быть спокойны. Налейте, дождитесь «щелчка», ставьте на полку. Готово.

Михаил Бойм при поддержке Александра Дубова и Полины Лосевой