Ten tydzień to przede wszystkim Noble. Nobla z biologii czy biochemii oczywiście nie ma, ale są Noble z medycyny/fizjologii i chemii; zarówno ten pierwszy, jak i ten drugi, często trafiają w ręce biologów (jak choćby w zeszłym roku, gdy przyznano je naukowcom badającym, odpowiednio, telomery i strukturę rybosomu). Tym razem nagroda w dziedzinie chemii dostała się jednak chemikom, w dodatku najprawdziwszym z chemików - organikom zajmującym się syntezą nowych związków: Negishiemu, Suzukiemu i Heckowi (nagrodę mógłby przypuszczalnie dostać jeszcze John Steele, który zginął w 1989 w katastrofie lotniczej). Znów - tak jak pięć lat temu, gdy nagrodę dostali badacze metatezy olefin - za bardzo skuteczne katalizatory oparte na cząsteczkach metali (tym razem - palladu). Katalizator to substancja, którą dodaje się do reakcji i która, co prawda, bierze, mniej lub bardziej bezpośrednio, w niej udział, przyspieszając jej przebieg, ale na koniec jest odzyskiwana: (przynajmniej w teorii) nie ma więc żadnego ubytku katalizatora netto. Oczywiście dla biologów katalizatorami par excellence są enzymy - rzeczywiście, chemicy organicy w wielu wypadkach mogą pomarzyć o uzyskaniu takiej selektywności i takiej wydajności, jaka charakteryzuje reakcje zachodzące w organizmach żywych: ratuje ich jedynie to, że, w odróżnieniu od enzymów, nie muszą wszystkich reakcji przeprowadzać w niemalże pokojowej temperaturze, atmosferycznym ciśnieniu i z reguły dość normalnym pH - w chemii, jak reakcja nie chce zachodzić, zawsze można włożyć probówkę w palnik, zwiększyć ciśnienie, mieszać zawartość z zawrotną prędkością.
Kto się interesował trochę chemią w liceum, ten może pamięta elementy chemii metalo-organicznej, o których wspomina się na lekcjach: że w pewnych reakcjach organicznych jako katalizator mogą posłużyć metale w formie stałej, metalicznej, w innych - sole albo wodorki cyny, niklu czy glinu, w jeszcze innych - może nawet nie tyle jako katalizator, ale jeden z reagentów - sód albo magnez. Kto się nie interesował i więcej czasu niż w książkach spędzał w garażu, dłubiąc w swoim pierwszym samochodzie, ten może wie, że w samochodach - choć niekoniecznie w kupionym za 500 złotych polonezie - jest część zwana katalizatorem, która zawiera platynę i odpowiada za przyspieszenie reakcji nieorganicznych (utleniania tlenku do dwutlenku węgla) i organicznych (m.in. dopalania nieprzereagowanych węglowodorów), oczyszczając w ten sposób spaliny. Metale, ze względu na swoje specyficzne właściwości, mogą szczególnie efektywnie oddziaływać z elektronami tworzącymi wiązania chemiczne, a że cała synteza organiczna to zrywanie i tworzenie odpowiednich wiązań, nic dziwnego, że metale czasem przydają się do przyspieszania czy zwiększania precyzyjności reakcji. Katalizatory oparte na palladzie to w zasadzie taka podstawowa chemia metalo-organiczna, właściwie może nawet się o nich wspomina na lekcjach czy w podręcznikach, nie pamiętam - są one dość proste, znane i stosowane od lat (przynajmniej 70. XX w.). Konkretnie stosuje się je w reakcjach przedłużania łańcucha, czyli tworzenia nowych wiązań węgiel-węgiel - fundamentalnego, a jednocześnie często najtrudniejszego, etapu syntezy każdej skomplikowanej cząsteczki.
Jak to się jednak ma do biologii? Dla biologów nawet największe związki, których syntezą zajmują się organicy, to - taka nazwa funkcjonuje w artykułach naukowych - "małe cząsteczki" (ang. "small molecules"). Rzeczywiście, są one dużo mniejsze niż białka, kwasy nukleinowe itp., które biolodzy na co dzień badają, otrzymawszy je uprzednio metodami biotechnologicznymi, zazwyczaj poprzez transformację bakterii odpowiednim genem i hodowlę tych bakterii (istnieją co prawda maszyny syntezujące metodami chemii organicznej peptydy i kwasy nukleinowe, ale stosuje się je raczej do tworzenia krótkich fragmentów - choć w tej kwestii dokonuje się ciągły postęp). Małe cząsteczki są jednak bardzo ważne, bo choć te najważniejsze funkcje w organizmach żywych spełniają duże cząsteczki, to na małych opiera się cały proces pozyskiwania energii i materiałów budulcowych - metabolizm. Niektóre enzymy zajmują się modyfikowaniem innych makrocząsteczek (choćby kinazy białkowe, które fosforylują inne białka), ale zazwyczaj przetwarzają one małe cząsteczki - jak to ma miejsce w takich szlakach metabolicznych, jak glikoliza czy cykl Krebsa. Jak wielkie mnóstwo różnych małych cząsteczek znajduje się w organizmach żywych, pokazują badania nad "metabolomem" różnych organizmów, tzn. zawartością niewielkich substancji chemicznych wewnątrz komórek (podstawą tych badań jest zazwyczaj technika zwana spektroskopią mas; wpisując "Human Metabolome Database" w Google'ach, można znaleźć stronę prezentującą aktualny stan badań nad metabolomem człowieka). (Swoją drogą pokazuje to, że kto chciałby zrównać człowieka z jego genomem, ten, nawet jeśli wierzy, że człowiek jest ostatecznie elementami, z których się składa, a nie - jak jest rzeczywiście - pewną całością, jednostką, osobą, zapomina o miliardach innych rodzajów substancji chemicznych, które się w nim znajdują, oprócz DNA.) W każdym razie zmierzam do tego, że skoro znaczna część fizjologii człowieka zasadza się na reakcjach katalizowanych przez enzymy, w których biorą udział małe cząsteczki, można pomyśleć o użyciu innych małych cząsteczek, podobnych do naturalnych, a jednak trochę zmienionych, by te enzymy blokować (albo pobudzać). No bo skoro jakieś białko może wiązać pewne małe cząsteczki, pewnie może także cząsteczki do nich podobne, a trochę zmienione. Jeśli znajdziemy cząsteczki, które się wiążą z białkiem (a najlepiej - wiążą mocniej, niż naturalny substrat), ale nie są przez niego przetwarzane, mogą one skutecznie "zaczopować" to białko. Takie cząsteczki nazywamy inhibitorami - właśnie cząsteczkami tego rodzaju jest większość najbardziej nowoczesnych leków, zaprojektowanych w oparciu o wiedzę o naturalnych substratach enzymów, które blokują (a najlepiej o wiedzę o strukturze przestrzennej tych enzymów, którą uzyskujemy z krystalografii i badań NMR - patrz poprzedni wpis), ale także wiele dawniejszych leków, których mechanizm działania nie był znany, gdy zaczynały być używane. Oczywiście można sobie wyobrazić dużą cząsteczkę, np. białko, która robi coś podobnego - ale duża cząsteczka opornie przenika do komórek ludzkiego organizmu i nie jest tak trwała, odporna na zmiany temperatury, a jej produkcja na dużą skalę, przechowywanie i transport są znacznie trudniejsze. Małe cząsteczki są w pewnym sensie realizacją marzenia sławnego niemieckiego biologa, Paula Ehrlicha (1854-1915, laureata nagrody Nobla wraz z Ilją Miecznikowem w 1908 r.), który pisał o "magische Kugeln" i "Zauberkugeln", czyli "magicznych pociskach", lekach, które będą w stanie dotrzeć na miejsce choroby i tam działać. Ale takie małe cząsteczki trzeba najpierw, w bardzo precyzyjny sposób, zsyntezować. I tu pojawia się pole do popisu dla chemików organików. W artykule na temat tegorocznej nagrody Nobla z chemii w "Nature" cytowany jest chemik z wielkiej firmy farmaceutycznej, AstryZeneci, który oszacował, że 15-30% leków produkowanych przez tę firmę tworzy się przy użyciu katalizatorów opartych na palladzie.
Może najlepszym przykładem współczesnych leków (choć nie wiem, czy tworzy się je przy użyciu nagrodzonych w tym roku katalizatorów) są te stosowane w terapii przeciw AIDS. Jednym z najważniejszych enzymów wirusa HIV jest odwrotna transkryptaza, która przepisuje genom wirusa zapisany w postaci RNA na DNA, by mógł on wszczepić się w genom człowieka, jak wiadomo zbudowany z DNA. To wszczepienie się jest ważnym etapem cyklu infekcji wirusa HIV. Podczas przepisywania RNA na DNA odwrotna transkryptaza musi przyłączać kolejne nukleotydy, które są, jak wiadomo, nie tak dużymi cząsteczkami składającymi się z łańcucha cukrowego, jednej z czterech różnych zasad azotowych i reszt fosforanowych. Próbowano więc zaprojektować cząsteczki podobne do nukleotydów, tzw. analogi nukleotydów. Powstał pewien problem - nukleotydy są także substratami wielu enzymów kluczowych dla funkcjonowania komórek człowieka, choćby polimerazy DNA - trudno więc znaleźć taki analog, który blokowałby wirusową odwrotną transkryptazę, a nie blokował enzymów ludzkich. W końcu jednak i to się udało - a właściwie udało się znaleźć takie substancje, które co prawda działają zarówno na ludzkie, jak i na wirusowe, enzymy, ale na wirusowe skuteczniej, więc przy podawaniu niewielkich dawek głównie one są blokowane (że ludzkie w jakiejś mierze też, pokazują efekty uboczne leku). Jedną z takich substancji jest zydowudyna, sprzedawana przez GlaxoSmith Kline jako Retrowir. Cząsteczka tego leku wygląda praktycznie tak samo, jak jeden z nukleozydów, deoksytymidyna, tyle, że zawiera grupę azydową (trzy atomy azotu połączone wiązaniami podwójnymi) zamiast hydroksylowej przy atomie węgla C3'. W komórce człowieka ten analog nukleozydu jest forsforylowany do trójfosforanu i wtedy staje się analogiem nukleotydu i może blokować reakcję katalizowaną przez odwrotną transryptazę.
* * *
Bardziej biologiczną była przyznana w tym roku nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii dla Roberta G. Edwardsa, który wraz ze zmarłym przed 12 laty Patrickiem Steptoe, doniósł w 1978 r. w artykule w The Lancet o narodzinach pierwszego dziecka poczętego w wyniku zapłodnienia in vitro. Można by powiedzieć, że w odróżnieniu od nagrody pokojowej, Noble naukowe przyznawane są za osiągnięcia techniczne, nie za ich wartość moralną, jednak trudno być obojętnym wobec nagrody, którą uhonorowano bardzo ryzykowne i wątpliwe moralnie (żeby nie powiedzieć: niewątpliwie niemoralne) badania nad wątpliwą moralnie metodą. Obojętny więc nie jestem, ale powstrzymam się od komentarza.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz