Безопасность и чистота лекарств. Чем полезно открытие, получившее Нобелевскую премию по химии

Нобелевский комитет 7 октября объявил лауреатов премии по химии: ими стали Анри Борис Каган из Франции и Кенсо Соаи из Японии.

Чем так важны их открытия — «Фонтанка» разбиралась с профессором Университета ИТМО Екатериной Скорб.

Как сообщил Нобелевский комитет, Анри Каган сделал первый важный шаг в решении проблемы хиральности (зеркальной симметрии органических молекул, которая влияет на свойства вещества). Живые организмы используют, как правило, одну из форм, но до открытия Кагана химически получалось создать только две зеркальные в равных пропорциях. И это мешало, например, обеспечению безопасности и эффективности лекарств.

Еще в 1986 году Каган открыл новый способ управления химическими реакциями, с помощью которого можно создавать в большом объеме молекулы только одного из зеркальных видов, с меньшей долей второго.

«Каган обнаружил, что при использовании хирального катализатора с небольшой примесью „неправильного“ изомера можно получить продукт с гораздо более высокой энантиомерной чистотой, чем можно было бы ожидать. Это явление асимметричного усиления противоречило классическим представлениям, согласно которым чистота продукта должна быть пропорциональна чистоте катализатора», — объясняет доктор химических наук, директор мегафакультета наук о жизни ИТМО Екатерина Скорб смысл того, что сделал Анри Каган.

Во фразе, озвученной Нобелевским комитетом во время награждения, заслуга французского ученого сформулирована так: «за открытие нелинейных эффектов».

Кенсо Соаи сделал второй шаг в решении проблемы хиральности. Как объяснили в Нобелевском комитете, в 1995-м вышла его научная публикация, где он описал разработку первой в истории химической реакции, которая может быть гомохирокальной (то есть ее результат — только один нужный вид молекул из двух зеркальных). А в 2003-м Соаи реализовал такую реакцию. В научном мире ее называют именем японского ученого — «реакция Соаи».

«Создал реакцию, в которой продукт сам выступает катализатором своего дальнейшего образования. Это позволяет многократно усиливать исходную хиральность. Даже ничтожное исходное отклонение от равного соотношения двух форм может быть многократно усилено в ходе реакции», — объясняет Екатерина Скорб смысл того, что сделал Кенсо Соаи.

Его достижение при награждении Нобелевской премией описано так: «за открытие автокатализа в асимметрическом органическом синтезе».

После церемонии объявления лауреатов Соаи отвечал на вопросы журналистов, подключившись к залу в Шведской королевской академии наук из Хиросимы, где он живет и работает.

«Конечно, это один из самых волнующих дней в моей жизни. Я очень рад разделить премию с профессором Анри Каганом, столь известным химиком. На самом деле, мы открыли этот метод катализа в 1995 году, и с тех пор занимаемся этой реакцией до сегодняшнего дня. И мы узнали, я думаю, много интересного о происхождении гомохиральности. Я очень рад получить премию, потому что эта научная область была признана Нобелевским комитетом. В ней много выдающихся исследователей», — сказал Соаи.

Как рассказывает Екатерина Скорб, достижения Кагана и Соаи совместно важны для двух областей:

1. Для объяснения происхождения жизни. Предложенный химический механизм объясняет: как в исходно симметричной смеси зеркальных молекул могло сформироваться использование одной формы. «Автокатализ Соаи — одна из работающих моделей спонтанного нарушения зеркальной симметрии», — отмечает Скорб.

2. Для фармацевтики. Открытие дает инструменты для селективного синтеза нужной формы молекул и получения продукции высокой чистоты. В прошлом отсутствие таких знаний и инструментов приводило к серьезным последствиям для людей.

В 1990-х FDA (Управление по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США) выпустило руководство, которое предписывало изучать каждый энантиомер (парные зеркальные молекулы) для хиральных лекарств. «Сегодня талидомид используется под строгим контролем для лечения множественной миеломы и проказы, но это требует жестких мер предосторожности», — отмечает Скорб.

Благодаря открытиям Кагана и Соаи, можно разрабатывать новые эффективные препараты более высокой чистоты и безопасности.

Асимметрический катализ, развивающий идеи Анри Кагана, уже широко используют для промышленного синтеза хиральных лекарственных веществ — в том числе антибиотиков и препаратов для лечения сердечно-сосудистых заболеваний.

А у открытия Соаи немного другая судьба.

«Реакция Соаи настолько чувствительна к следовым количествам хиральных примесей, что ее предлагают использовать для хирального анализа веществ в очень малых концентрациях. Это направление перспективно для аналитической химии и сенсорики», — объясняет Екатерина Скорб.

В России подобных технологий разработано не было, но исследования в области происхождения жизни, природы мельчайших частиц, анализа и прогноза химических процессов, конечно, проводили. В чем-то можно увидеть даже предпосылки к появлению нового направления в науке.

«Уже в 1924 году биохимик Александр Опарин активно обсуждал проблемы зарождения жизни. Он выдвинул гипотезу, согласно которой жизнь возникла постепенно, через химическую эволюцию углеродных соединений в „первичном бульоне“. Ключевой элемент его теории — коацерваты. Это микроскопические капли, которые могут самопроизвольно образовываться в растворах органических веществ и отделяться от окружающей среды, подобно примитивным клеткам», — рассказывает Екатерина Скорб.

Опарин предполагал, что разные типы коацерватов конкурировали между собой, а естественный отбор благоприятствовал тем, которые могли быстрее расти и делиться. Это могло способствовать появлению первых живых организмов.

«В дальнейшем проблема хиральности также стала одним из важных вопросов в исследованиях происхождения жизни», — объясняет Скорб.

Вопросы происхождения жизни и хиральности изучают и в ИТМО.

«Например, методы теории информации уже применяются для классификации 18 аминокислот по энтропии Шеннона и информации Фишера, предлагая новый взгляд на молекулярную сложность и поведение. Хотя это напрямую не решает проблему гомохиральности, такой подход дает методологическую основу для изучения химических систем, подобных „первичному бульону“», — рассказывает Екатерина Скорб.

Исследователи ИТМО вместе с учеными Института Веймана (Израиль) уже опубликовали несколько научных работ в области исследования автокаталитических механизмов в процессе происхождения жизни. Как объясняют в ИТМО, это тот же тип химического механизма самоусиления, который лежит в основе исследований, отмеченных Нобелевской премией.