Нобелевская премия по химии 2022. Присуждена К. Р. Бертоцци, М. Мельдалю и Б. Шарплессу. При этом Барри Шарплесс стал вторым в истории дважды лауреатом премии по химии – в 2001 г. получил половину Нобелевской премии «за создание хиральных катализаторов окислительно-восстановительных реакций» (The Nobel Prize in Chemistry 2001 // The Nobel Prize).

Формулировка Нобелевского комитета: «за разработку клик-химии и биоортогональной химии (for the development of click chemistry and bioorthogonal chemistry)» (The Nobel Prize in Chemistry 2022 // The Nobel Prize).

Нобелевская премия по химии 2022 г. примечательна тем, что она была присуждена не за открытие какого-либо метода или конкретной реакции, а за две связанные друг с другом химические концепции: клик-химия (более точный перевод – химия по принципу «до щелчка») и биоортогональные реакции.

Первая идея возникла у Б. Шарплесса ещё до получения им его первой Нобелевской премии. В 1990-х гг. Шарплесс размышлял над проблемой, вставшей перед фармацевтической отраслью. В те годы для разработки лекарств синтезировались огромные химические библиотеки различных молекул, которые затем тестировались на биологическую, а после – на фармакологическую активность. Барри Шарплесс. 2017.Барри Шарплесс. 2017.При этом каждое вещество, зачастую весьма сложной структуры, «собиралось» своими методами направленного органического синтеза, отдельные стадии которого нередко шли с небольшими выходами и весьма долго. У Шарплесса возникла идея сделать подобие «химического конструктора» – небольшого набора общих надёжных реакций, идущих с высокими выходами. Эта концепция была сформулирована им в статье, написанной в 2001 г. в соавторстве с Хармутом Кольбом и М. Финном (Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions). За 2 года до этого авторы изложили свои мысли в докладе на крупной научной конференции (Sharpless K. B. Click Chemistry: a Concept for Merging Process and Discovery Chemistry / K. B. Sharpless, H. C. Kolb // Book of Abstracts, 217th ACS National Meeting, Anaheim, CA, March 21–25. Washington, 1999; Kolb H. C. Click chemistry: diverse chemical function from a few good reactions / H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless // Angewandte Chemie International Edition. 2001. Vol. 40, № 11. P. 2004–2021).

В лаборатории Шарплесса была проведена самая известная клик-реакция, открытая в 1893 г. американским химиком А. Михаэлем (Michael A. Ueber die Einwirkung von Diazobenzolimid auf Acetylendicarbonsäuremethylester // Journal für Praktische Chemie. 1893. Bd. 48, № 1. S. 94–95). Это реакция между азидами и алкинами с образованием 1,2,3-триазолов. Более полувека спустя Р. Хьюсген детально исследовал этот тип присоединений, в результате чего реакция азид-алкинового присоединения получила его имя (Huisgen R. 1,3-Dipolar Cycloadditions. Past and future // Angewandte Chemie International Edition in English. 1963. Vol. 2, № 10. P. 565–598).

Мортен Мельдаль. 2022.Мортен Мельдаль. 2022.Однако в 2001–2002 гг. независимо друг от друга В. В. Фокин, работавший в лаборатории Шарплесса в Научно-исследовательском институте Скриппса, и М. Мельдаль, член лаборатории Карлсберга установили, что катализ ионами меди(I) «догоняет» эту реакцию «до щелчка» (A stepwise huisgen cycloaddition process: copper(I)-catalyzed regioselective «ligation» of azides and terminal alkynes / V. V. Rostovtsev, L. G. Green, V. V. Fokin, K. B. Sharpless // Angewandte Chemie International Edition. 2002. Vol. 41, № 14. P. 2596–2599; Tornøe C. W. Peptidotriazoles: Copper(I)-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloadditions on Solid-Phase / C. W. Tornøe, M. Meldal // Peptides: the wave of the future. San Diego, 2001. P. 263–264). Таким образом, в химическую практику вошло CuACC – катализируемое медью(I) азид-алкиновое циклоприсоединение, которое стало ключевой реакцией клик-химии. Отметим, что всю работу и само открытие катализа медью сделал Фокин (один из самых цитируемых химиков), что было признано во всём мире. Неудивительно, что в 2013 г. Thomson Reuters назвало именно Фокина вместе с Шарплессом и Финном одним из самых вероятных кандидатов на Нобелевскую премию по химии (Thomson Reuters назвало адъюнкт-профессора МФТИ Валерия Фокина претендентом на получение Нобелевской премии по химии 2013 года // МФТИ).

Каролин Бертоцци. 2020.Каролин Бертоцци. 2020.Третий лауреат, Каролин Бертоцци (профессор Стэнфордского университета), стала восьмой женщиной – лауреатом премии по химии в истории. Она предложила принцип биоортогональных реакций, причём распространила на него принципы клик-химии, усовершенствовав CuACC уже для применения в живых системах (Prescher J. A. Chemical remodelling of cell surfaces in living animals / J. A. Prescher, D. H. Dube, C. R. Bertozzi // Nature. 2004. Vol. 430, № 7002. P. 873–877).

Биоортогональные реакции – химические реакции, которые могут протекать внутри клеток, но не затрагивать их. Такие реакции используются для обеспечения возможности химически «пометить» нужную клетку, при этом никак не воздействуя на естественные процессы, которые в ней протекают.

Естественно, соблазн применить принципы клик-химии для надёжной привязки меток к клеткам был очень велик. Однако катализ медью для живой клетки неприемлем. Поэтому вместо CuACC Бертоцци предложила SPAAC – облегчённое напряжением азид-алкиновое циклоприсоединение. Для этого она использовала циклооктин – циклический углеводород с тройной связью. Тройная связь в достаточно малом цикле создаёт большое пространственное напряжение, и молекула «хочет» избавиться от неё. Поэтому реакция циклооктина с азидной группой, которой нет в естественных условиях в клетке, проходит вообще без катализатора. Таким образом, биохимики, молекулярные и клеточные биологи получили очень мощный инструмент мечения клеток и клеточных структур, а Бертоцци присудили Нобелевскую премию по химии.

«Достижения и открытия нынешних лауреатов оказали огромное влияние на наше общество. Благодаря разработке вдохновляющих новых концепций и высокоэффективных методов лауреаты расширили наши возможности и значительно углубили и расширили наши знания и понимание химии. Их замечательная химия стимулировала интенсивную деятельность во многих различных областях, что привело к множеству новых, чрезвычайно важных достижений», – резюмировал в презентационной речи на церемонии награждения член Нобелевского комитета профессор Олаф Рамстрём (Ramström O. Award ceremony speech // The Nobel Prize).