הפרס יוענק לחוקר מארה"ב ולחוקר מגרמניה על פיתוח כלים לזירוז תהליכים בכימיה אורגנית

פרס נובל בכימיה יוענק השנה לבנימין ליסט (List) ממכון מקס פלנק במילהיים ולדייויד מקמילן (MacMillan) מאוניברסיטת פרינסטון. הם יקבלו את הפרס על פיתוח שימוש במולקולות קטנות כזרזים לתגובות אורגניות, במיוחד להבחנה בין שתי צורות שהן "תמונות ראי" של אותה מולקולה, כאשר לכל אחת יש פעילות ביולוגית שונה. הבחנה כזו חיוניות בייצור תרופות וחומרים אחרים.

מולקולות אורגניות רבות בטבע מופיעות בשתי צורות כמעט זהות, אך המבנה המרחבי שלהן מסודר הפוך. כמו תמונות מראה זו של זו. שתי מולקולות כאלה נקראות אֶנַנְטיוֹמֶרִים. למרות ההרכב הכימי הזהה, לעיתים לכל אחת מהן יש פעילות ביולוגית שונה. למשל מולקולת לִימוֹנֵן "ימנית" נותנת את הריח האופייני של תפוזים, ואילו תמונת הראי שלה נתפסת אצלנו דווקא כריח אורנים. המשמעות של הבדל כזה גם עלולה להיות מסוכנת מאוד: בשנות ה-60 התברר כי הצורה השמאלית של התרופה תַלִידוֹמִיד, ששווקה בין השאר לשיכוך בחילות של נשים הרות, גרמה מומים קשים לעוברים שלהן, בעוד הצורה הימנית הייתה בטוחה יותר לשימוש.  לכן כימאים העוסקים בייצור תרופות, חומרי מזון ומוצרים נוספים, צריכים שיטות יעילות להפריד בין שתי הצורות, או לחילופין - שיטות יעילות לייצר רק את הצורה המבוקשת. הפיתוחים של שני חתני הפרס השנה איפשרו לעשות זאת ביעילות רבה.
 
תמונות ראי: לימונן ימני נותן ריח תפוז, לימונן שמאלי - ריח אורן | מקור: ויקיפדיה
תמונות ראי: לימונן ימני נותן ריח תפוז, לימונן שמאלי - ריח אורן | מקור: ויקיפדיה

לזרז את התגובה

תהליכים כימיים רבים בתעשייה נעשים בעזרת זרזים, או בשמם הלועזי קטליזטורים (catalysits). אלה חומרים שגורמים לתגובה כימית מסוימת להתרחש מהר יותר, או ביעילות רבה יותר, אך אינם חלק מהתוצרים. עד סוף המאה העשרים, כל הזרזים השתייכו לשתי קבוצות: מתכות או אנזימים. 

מתכות הן במקרים רבים זרזים יעילים מאוד, משום שהן מוסרות אלקטרונים בקלות. החיסרון שלהן הוא רגישות גבוהה לחמצן וללחות, שפוגעים בעילותן כזרזים, בעיקר כשרוצים להשתמש בהן לייצור מולקולות ארוגניות. כמו כן, זרזים רבים הם מתכות כבדות, שהשימוש בהן עלול לזהם את הסביבה. 

אנזימים הם חלבונים שבאופן טבעי מזרזים תהליכים כימיים בגוף: בתוך התאים או מחוץ להם. אנזימים רבים מעורבים גם בייצור חומרים, ומביניהם, רבים מתמחים מראש בייצור אננטיומר מסוים, בגלל ההבדל בפעילות הביולוגית של שתי הצורות הסימטריות. 

מולקולות פשוטות לפתרון בעיות מורכבות. ליסט (מימין) ומקמילן | איור: אתר פרס נובל
מולקולות פשוטות לפתרון בעיות מורכבות. ליסט (מימין) ומקמילן | איור: אתר פרס נובל

חומצת אמינו אחת

כל אנזים הוא חלבון המורכב משרשרת של מאות או אלפי חומצות אמינו. לאחר ייצור השרשרת החלבון מתקפל לצורה פעילה, ובתוכה אתר מסוים הוא זה שמבצע את הפעילות הכימית. בנימין ליסט ניסה לבודד חומצת אמינו אחת ויחידה שתעשה את העבודה. 

ליסט נולד ב-1968 בפרנקפורט, ואחרי תואר ראשון באוניברסיטת ברלין שב לעירו וסיים דוקטורט בכימיה אורגנית במכון גתה. כיום הוא פרופסור באוניברסיטת קלן וראש מכון מקס פלנק לחקר הפחם. על סמך מחקרים קודמים בחר ליסט להתמקד בחומצה פרולין (L-proline) כזרז, וניסה להשתמש בה לזירוז תגובה אלדולית, שבה מתחבר אחד מאטומי הפחמן של אצטון לאטום פחמן ממולקולה אורגנית אחרת. במאמר בשנת 2000 הוא הראה שאפשר להשתמש בחומצת אמינו יחידה כזרז אורגני, ואף ששימוש בפרולין כזרז מאפשר קטליזה אסימטרית, כלומר כזו שתניב בעיקר אחת משתי הצורות הסימטריות של המולקולה המבוקשת.

תחליף מתכת

דיוויד מקמילן נולד בסקוטלנד ב-1968. הוא למד כימיה באוניברסיטת גלזגו וב-1990 יצא לארצות הברית, ללימודי דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה באירווין. ב-1996 החל השתלמות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת הרווארד, ושם התחיל לחקור שיטות לייצור א-סימטרי, כלומר כאלה שמניבות רק אננטיומר מסוים אחד משני האפשריים. ב-1998 קיבל משרת חוקר באוניברסיטת ברקלי. שם, לאחר שנים של עבודה עם זרזים מתכתיים, חיפש חלופות למתכות היקרות והבעייתיות, והחליט לתכנן בעצמו מולקולות אורגניות קטנות, כלומר תרכובות על בסיס פחמן, שיהיו זרזים יעילים לתגובות המבוקשות. הוא הבין כי את אטום המתכת אפשר להחליף ביון אימיניום (Iminium) – מולקולה אורגנית קטנה שבבסיסה אטום פחמן ואטום חנקן הקשורים זה לזה בקשר כפול. 

מקמילן תכנן כמה מולקולות כאלה, ובחן את יעילותן בתגובת דילס-אדלר, המשמשת כימאים בייצור מולקולות על בסיס טבעות של אטומי פחמן. גם למולקולות האלה יש במקרים רבים שתי צורות שהן תמונת ראי, והוא הראה כי המולקולות שלו לא רק הצליחו לייצר את הטבעות, אלא גם היו יעילות ב-90 אחוז ויותר בקבלת הצורה המבוקשת. הוא פרסם את העבודה שלו בשנת 2000, סמוך מאוד לפרסום של ליסט, וטבע את המונח "אורגנו-קטליזה" לשימוש במולקולות כאלה כזרזים. באותה שנה עבר למכון הטכנולוגי של קליפורניה, וב-2006 עבר לאוניברסיטת פרינסטון, שם הוא משמש פרופסור כיום.

מהפכה תעשייתית

השימוש בזרזים האורגניים שפיתחו מקמילן וליסט שינה בשני העשורים האחרונים את התעשייה הכימית. הייצור של חומרים מסויימים כיום נעשה ביעילות גבוהה פי כמה אלפים מאשר רק לפני 30 שנה. בשנים אלה פותחו תהליכים כימיים חדשים רבים, עם עוד ועוד זרזים אורגניים, ועם יישומים רבים, עד שהתקופה זכתה לכינוי "הבהלה לזהב של האורגנו-קטליזה". גם ליסט וגם מקמילן ממשיכים בפעילותם המחקרית, ומצאו במשך השנים עוד ועוד תגובות שאפשר לייעל בעזרת הזרזים שפיתחו. 

תעשיית התרופות, המזון, הקוסמטיקה וחומרים כימיים רבים אחרים היא כיום יעילה יותר וגם ידידותית יותר לסביבה בזכות פריצות הדרך שלהם. לדוגמה, התרופה אליסקירן (Aliskiren) להורדת לחץ דם, היא מעכב של האנזים רנין, המופרש מהכליות, ומעורב בייצור חלבונים המווסתים את לחץ הדם. הייצור שלה מתבצע בכמה שלבים, בעזרת הזרזים שפיתחו ליסט ומקמילן, ובלעדיהם הוא היה יקר ומסובך הרבה יותר.