ستمنح جائزة نوبل في الكيمياء لهذا العام لباحث من الولايات المتحدة الأمريكية وباحث من ألمانيا لتطويرهما أدوات لتسريع العمليات في مجال الكيمياء العضوية.
سيتم منح جائزة نوبل في الكيمياء هذا العام بالمناصفة لكل من بنجامين ليست (List) من معهد ماكس بلانك في ميلهايم وديفيد ماكميلان (MacMillan) من جامعة برينستون لتطوير استخدام الجزيئات الصغيرة كمحفزات للتفاعلات العضوية، وبالأخص لاستطاعتهما التمييز بين شكلين هما فعليًا "صور معكوسة" لنفس الجزيء لكن فعليًا لدى كل منهما وظيفة بيولوجية مختلفة. هذه القدرة على التمييز بين الجزيئات ضرورية في صناعة الأدوية والمواد الأخرى.
تظهر العديد من الجزيئات العضوية في الطبيعة في شكلين متطابقين تقريبًا، لكن بنيتها المكانية مقلوبة رأسًا على عقب. مثل انعكاس الجسم في المرآة. اثنين من هذه الجزيئات تسمى بالمتصاوغات المرآوية Enantiomer. على الرغم من أنّ لها نفس التركيب الكيميائي، فإن لكل منها نشاطًا بيولوجيًا مختلفًا في بعض الأحيان. على سبيل المثال، يعطي جزيء الليمونين "الشكل الأيمن" الرائحة المميزة للبرتقال، بينما قد يوحي لنا بصورته المرآة برائحة الصنوبر. قد تكون أهمية هذا الاختلاف أيضًا خطيرة للغاية: في الستينيات، أصبح من الواضح أن الشكل الأيسر من عقار الثاليدومايد، الذي تم تسويقه من ضمن أهداف أخرى لتخفيف الغثيان عند النساء الحوامل، تسبب في حدوث تشوهات حادة في الأجنة ، بينما - كان شكله الأيمن آمنًا للاستخدام.
صور المرآة: من الليمونين الأيمن تنبعث رائحة البرتقال، أما الليمونين الأيسر فرائحة الصنوبر | المصدر: ويكيبيديا
تسريع التفاعل والاستجابة
تتم العديد من العمليات الكيميائية في الصناعة بمساعدة المحفزات، أو بالانجليزية (catalysits). هذه هي المواد التي تتسبب في حدوث تفاعل كيميائي معين بشكل أسرع أو أكثر كفاءة، ولكنها ليست جزءًا من المنتجات النهائية للتفاعل. حتى القرن العشرين، كانت جميع المحفزات تنتمي إلى مجموعتين: إما معادن أو إنزيمات.
تعتبر المعادن في كثير من الحالات محفزات فعالة للغاية لأن من الممكن عزلها بسهولة من الإلكترونات. لكن عيبها هو الحساسية العالية للأكسجين والرطوبة، والتي تلحق الضرر بفعاليتها كمحفزات، خاصة عندما نريد استخدامها لإنتاج جزيئات عضوية. كما أن العديد من المحفزات عبارة عن معادن ثقيلة يمكن أن يؤدي استخدامها إلى تلويث البيئة.
الإنزيمات عبارة عن بروتينات تعمل بشكل طبيعي على تسريع العمليات الكيميائية في الجسم: داخل الخلايا أو خارجها. تشارك العديد من الإنزيمات أيضًا في إنتاج المواد، ومن بينها، تتخصص العديد من الإنزيمات في إنتاج مصوغة مرآوية معينة، بسبب الاختلاف في النشاط البيولوجي للشكلين المتماثلين.
جزيئات بسيطة لحل المشاكل المعقدة. ليست (من اليمين) وماكميلان | رسم توضيحي: موقع جائزة نوبل
حمض أميني واحد
كل إنزيم هو بروتين يتكون من سلسلة من مئات أو آلاف الأحماض الأمينية. بعد إنتاج السلسلة، ينثني البروتين إلى شكله النشط أو الفعّال، وفي داخله يكون موقع معين هو الذي يؤدي النشاط الكيميائي. حاول بنجامين ليست عزل حمض أميني واحد فقط والذي يمكنه القيام بهذه المهمة. اختار بناءً على دراسات سابقة حمض البرولين (L- برولين)، وحاول استخدامه للحث على تفاعل تكاثف ألدولي، حيث تتصل إحدى ذرات الكربون في الأسيتون بذرة كربون من جزيء عضوي آخر. في مقال نشره عام 2000، أظهر أنه من الممكن استخدام حمض أميني واحد كمحفز عضوي، وذلك على الرغم من أن استخدام البرولين كمحفز يسمح بالحفز غير المتماثل، أي أنه عمله سينتج بشكل أساسي أحد الشكلين المتماثلين للجزيء المطلوب.
ماكميلان ، الذي عمل لسنوات عديدة مع المحفزات المعدنية، بحث عن بدائل للمعادن الثمينة والمشكلة، وقرر تصميم جزيئات عضوية صغيرة بنفسه، أي مركبات قائمة على الكربون، والتي ستكون محفزات فعالة للتفاعلات المرغوبة. قام بتصميم العديد من هذه الجزيئات، واختبر فعاليتها في تفاعل ديلز ألدر، الذي يستخدمه الكيميائيون في إنتاج الجزيئات بناءً على حلقات من ذرات الكربون. غالبًا ما يكون لهذه الجزيئات شكلان يمثلان صورة معكوسة، وقد أظهر ماكمبلان أن جزيئاته لم تنجح فقط في إنتاج الحلقات وحسب، بل كانت أيضًا فعالة بنسبة 90٪ أو أكثر في الحصول على الشكل المطلوب. نشر عمله في عام 2000 ، قبل أسابيع قليلة من نشر ليست، وصاغ مصطلح "التحفيز العضوي" لاستخدام هذه الجزيئات كمحفزات.
أدى استخدام المحفزات العضوية التي طورها كلّ من ليست وماكميلان إلى تغيير الصناعة الكيميائية على مدار العقدين الماضيين. يتم إنتاج مواد معينة اليوم بكفاءة أعلى بعدة آلاف من المرات مما كانت عليه قبل 30 عامًا فقط. وبهذا يمكننا القول بأن صناعة الأدوية والأغذية ومستحضرات التجميل والعديد من الصناعات الكيميائية الأخرى قد أصبحت الآن أكثر كفاءة وأكثر سلامة للبيئة بفضل الابتكارات والاكتشافات الرائدة.