Клик — и готово

За что дали Нобелевскую премию по химии в 2022 году

«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.

От редактора

Изначально в тексте мы ошибочно написали: «С помощью биоортогональных реакций Бертоцци хотела научиться пришивать к клеткам флуоресцентные органические фрагменты, чтобы можно было искать раковые клетки с помощью томографа». На самом деле, пришивая к клеткам флуоресцентные метки, Каролин Бертоцци искала опухоли с помощью конфокальной микроскопии, а магнитно-резонасную томографию использовала, прикрепляя к раковым клеткам контрастные агенты на основе комплексов редкоземельных металлов. Редакция приносит извинения за допущенную неточность.

Первые биоортогональные реакции Бертоцци нашла еще за несколько лет до открытия Мельделя. 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, нужных 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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Ученые запустили в искусственную мочу бактерии и получили фосфатные камни

Польские физики и химики смоделировали образование фосфатных почечных камней при помощи искусственной мочи и уропатогенных бактерий. Эксперименты in vitro в сочетании с компьютерным моделированием показали, что область оптимальных значений pH (pH-оптимум) для образования струвита, компонента фосфатных камней, лежит в пределах 8–9, сдвигаясь в нейтральную сторону с увеличением концентрации фосфорной кислоты. Добавление культуры бактерии Proteus mirabilis снизило pH-оптимум образования струвита при низкой концентрации фосфатов с 9,0 до 8,5. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.