فائزان بنوبل الكيمياء 2021، من هما؟ وماذا قدما للبشرية؟

فائزان بنوبل الكيمياء 2021 ، من هما؟ وماذا قدما للبشرية؟

قررت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم منح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021 مناصفة إلى الألماني بنيامين ليست Benjamin list والاسكوتلاندي ديفيد ماكميلان David MacMillan “لتطوير التحفيز العضوي غير المتماثل.” فماذا قدم الفائزان بنوبل الكيمياء 2021 للبشرية؟

بناء الجزيئات فن صعب. حصل Benjamin List و David MacMillan على جائزة نوبل في الكيمياء 2021 لتطويرهما أداة جديدة دقيقة للبناء الجزيئي وهي التحفيز العضوي. كان لهذا أثر كبير على الأبحاث الصيدلانية، إذ جعل الكيمياء أكثر أمنًا للبيئة.

نبذة عن دور العالمين في جائزة نوبل الكيمياء 2021

تعتمد العديد من مجالات البحث والصناعات على قدرة الكيميائيين على بناء جزيئات قادرة على تكوين مواد مرنة ومتينة، أو تخزين الطاقة في البطاريات أو منع تطور الأمراض أو جزيئات تساهم في صناعة أحذية جري خفيفة الوزن.

يتطلب هذا العمل “محفزات”، والمحفزات هي مواد تتحكم في التفاعلات الكيميائية وتسرعها، دون أن تصبح جزءًا من المنتج النهائي للتفاعل. على سبيل المثال، تقوم المحفزات في السيارات بتحويل المواد السامة في أبخرة العادم إلى جزيئات غير ضارة.

تحتوي أجسامنا أيضًا على آلاف المحفزات على شكل إنزيمات، والتي تُشكّل الجزيئات الضرورية للحياة. بالتالي، فإن المحفزات هي أدوات أساسية للكيميائيين، لكن اعتقد الباحثون منذ فترة طويلة بوجود نوعان فقط من المحفزات المتاحة وهي المعادن والإنزيمات. حصل Benjamin List و David MacMillan على جائزة نوبل في الكيمياء 2021 لقيامهما في عام 2000 م، بشكل مستقل عن بعضهما البعض، بتطوير نوعًا ثالثًا من الحفز وهو “الحفز العضوي غير المتماثل” ويبني على جزيئات عضوية صغيرة.

يرجع التوسع السريع في استخدام المحفزات العضوية بشكل أساسي إلى قدرتها على تنشيط الحفز غير المتماثل. عندما يتم بناء الجزيئات، غالبًا ما يتشكل جزيئين مختلفين، فهي – تمامًا مثل أيدينا – صورة مرآة لبعضهما البعض. غالبًا ما يرغب الكيميائيون في إحدى الصورتين فقط من صورتي المرآة، خاصة عند إنتاج المستحضرات الصيدلانية.

تطور الحفز العضوي بسرعة مذهلة منذ عام 2000 م. ظل بنجامين ليست وديفيد ماكميلان رائدين في هذا المجال، وأظهروا أنه يمكن استخدام المحفزات العضوية لتحريك العديد من التفاعلات الكيميائية. باستخدام هذه التفاعلات، يمكن للباحثين الآن بناء أي شيء بكفاءة أكبر من أدوية جديدة إلى جزيئات قادرة على التقاط الضوء في الخلايا الشمسية. وبهذه الطريقة، حققت المحفزات العضوية فائدة هائلة للبشرية.

إلهام الطبيعة

إذا قارنّا قدرة الطبيعة على بناء إبداعات كيميائية مع قدراتنا الخاصة سنكتشف أننا علقنا لفترة طويلة في العصر الحجري. أنتج التطور عبر ملايين السنين أدوات دقيقة مذهلة، هي الإنزيمات. تلك الإنزيمات قادرة على المساهمة في بناء المركبات الجزيئية التي تعطي الحياة أشكالها وألوانها ووظائفها. عندما بدأ اليميائيون في ربط هذه التُحف الكيميائية، نظروا إليها بإعجاب وذهول! كانت المطارق والأزاميل في صناديق أدواتهم للبناء الجزيئي بدائية وغير دقيقة. لذلك، غالبًا ما انتهت محاولاتهم في نسخ منتجات الطبيعة إلى الكثير من المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها.

أدى الاكتشاف الذي حصل على جائزة نوبل في الكيمياء 2021 إلى الارتقاء بالبناء الجزيئي إلى مستوى جديد تمامًا. فهو لم يجعل الكيمياء أكثر أمنًا للبيئة فحسب، بل سهّل أيضًا إنتاج جزيئات غير متماثلة عبر “التحفيز العضوي غير المتماثل”. ذلك المفهوم الذي طوره بنيامين ليست وديفيد ماكميلان بسيط بقدر ما هو رائع. الحقيقة هي أن الكثير من الناس تساءلوا لماذا لم نفكر في الأمر من قبل؟ ليس من السهل الإجابة عن هذا السؤال، ولكن قبل أن نحاول، نحتاج إلى إلقاء نظرة سريعة على التاريخ.

ما هو التحفيز؟ وما هو المحفّز؟

بادئ ذي بدء، دعونا نتعرف على مصطلحي التحفيز والمحفز، ونمهد الطريق لفهم جائزة نوبل في الكيمياء 2021. عندما بدأ الكيميائيون في استكشاف الطرق التي تتفاعل بها المواد الكيميائية المختلفة مع بعضهم البعض، قاموا ببعض الاكتشافات الغريبة! على سبيل المثال، وضع الكيميائيون الفضة في دورق به بيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، فإذا ببيروكسيد الهيدروجين ينهار فجأة ويتحول إلى الماء (H2O) والأكسجين (O2). لكن الفضة – التي بدأنا بها العملية – لا يبدو أنها تتأثر بالتفاعل على الإطلاق!

في عام 1835 م، بدأ الكيميائي السويدي الشهير جاكوب برزيليوس في رؤية تلك الأنماط. في التقرير السنوي للأكاديمية الملكية السويدية للعلوم الذي يصف أحدث تقدم في الفيزياء والكيمياء ، نص على اكتشاف “قوة” جديدة يمكنها “توليد نشاط كيميائي”! وسرد التقرير العديد من الأمثلة التي أدى فيها وجود مادة ما إلى بدء تفاعل كيميائي معيّن، موضحًا كيف بدت هذه الظاهرة أكثر شيوعًا مما كان يُعتقد سابقًا. كان يعتقد أن المادة لها قوة محفزة وأطلق على الظاهرة نفسها محفزًا.

المحفزات تسرع التفاعلات الكيميائية في القرن التاسع عشر

شرعت المحفزات في إنتاج البلاستيك والعطور والأطعمة ذات النكهات حيثث مرت كميات كبيرة من المواد عبر ماصات الكيميائيين منذ زمن برزيليوس. لقد اكتشفوا عددًا كبيرًا من المحفزات القادرة على تكسير الجزيئات أو ضمها معًا. بفضل هذه المحفزات، تمكننا كبشر من استخراج آلاف المواد المختلفة التي نستخدمها في حياتنا اليومية، مثل الأدوية والبلاستيك والعطور والنكهات الغذائية.

هل نجحت المعادن كمحفزات؟

تشير التقديرات إلى أن 35 % من إجمالي الناتج المحلي العالمي يتضمن بطريقة ما الحفز الكيميائي. من حيث المبدأ، تنتمي جميع المحفزات المكتشفة قبل عام 2000 إلى إحدى مجموعتين: إما معادن أو إنزيمات.

غالبًا ما تكون المعادن محفزات ممتازة لأنها تتمتع بقدرة خاصة على استيعاب الإلكترونات مؤقتًا أو تزويدها بجزيئات أخرى أثناء عملية كيميائية. يساعد هذا في فك الروابط بين الذرات في الجزيء، لذلك يمكن كسر الروابط القوية، ثم تشكيل روابط جديدة. ومع ذلك، هناك مشكلة واحدة في بعض المحفزات المعدنية وهي أنها حساسة جدًا للأكسجين والماء. لذلك، يحتاج الكيميائيون إلى بيئة خالية من الأكسجين والرطوبة للعمل بالمعادن. ويصعب تحقيق ذلك في الصناعات الكبيرة بالطبع. كما أن العديد من المحفزات المعدنية عبارة عن معادن ثقيلة قد تسبب ضررًا بالبيئة.

ماذا عن المحفزات العضوية؟ هل تنجح؟

على الجانب الآخر، تعمل المحفزات الحيوية بدقة مذهلة. تتكون المحفزات العضوية تلك من البروتينات ويطلق عليها “الإنزيمات”. تحتوي جميع الكائنات الحية على آلاف الإنزيمات المختلفة التي تحرك التفاعلات الكيميائية الضرورية للحياة داخل أجسادها. العديد من الإنزيمات متخصصة في التحفيز غير المتماثل، ويشكلون دائمًا صورة مرآة واحدة من الصورتين الممكنتين للمركّب. كما تعمل تلك المحفزات العضوية جنبًا إلى جنب في تناغم رائع. فعندما ينتهي إنزيم من التفاعل، يتولى إنزيم آخر المهمة. وبهذه الطريقة، يمكن للمحفزات العضوية بناء جزيئات معقدة بدقة مذهلة، مثل الكوليسترول أو الكلوروفيل أو سم الإستركنين، وهو أحد أكثر الجزيئات تعقيدًا التي نعرفها.

نظرًا لأن الإنزيمات عبارة عن محفزات فعّالة، فقد حاول الباحثون في التسعينيات تطوير متغيرات إنزيمية جديدة لدفع التفاعلات الكيميائية التي تحتاجها البشرية. إحدى المجموعات البحثية التي تعمل على هذا كان مقرها في معهد سكريبس Scripps للأبحاث في جنوب كاليفورنيا وكان بقيادة الراحل كارلوس بارباس الثالث. كان بنيامين ليست في منصب ما بعد الدكتوراه في مجموعة بارباس البحثية. ولدت عند بينيامين ليست حينها تلك الفكرة الرائعة التي أدت إلى الاكتشاف الذي حاز به فائزان بنوبل الكيمياء 2021.

فائزان بنوبل الكيمياء 2021

تفكير بنيامين ليست خارج الصندوق!

عمل Benjamin List على الأجسام المضادة التحفيزية. ترتبط تلك الأجسام المضادة بالفيروسات أو البكتيريا الغريبة في أجسامنا. عمل الباحثون في Scripps على إعادة تصميم تلك الأجسام حتى يتمكنون من إحداث تفاعلات كيميائية بدلاً الارتباط بالأجسام الغريبة. أثناء عمل بينيامين مع الأجسام المضادة المحفزة، بدأ في التفكير في كيفية عمل الإنزيمات بالفعل. عادة ما تكون جزيئات ضخمة مبنية من مئات الأحماض الأمينية. بالإضافة إلى هذه الأحماض الأمينية، تحتوي نسبة كبيرة من الإنزيمات أيضًا على معادن تساعد في دفع العمليات الكيميائية. لكن – وهذه هي النقطة – تشارك العديد من الإنزيمات في تفاعلات كيميائية تحفيزية دون مساعدة المعادن! إذ تتم التفاعلات عبر حمض أميني واحد أو عدد قليل من الأحماض الأمينية الفردية في الإنزيمات.

كان سؤال بنيامين العبقري هو هل يجب أن تكون الأحماض الأمينية جزءًا من الإنزيم لتحفيز تفاعل كيميائي ما؟ أو هل يمكن لحمض أميني واحد، أو جزيئات بسيطة أخرى مماثلة، القيام بنفس الوظيفة؟

كان يعلم أن هناك بحثًا من أوائل السبعينيات استخدم حمض أميني يسمى البرولين كمحفز – لكن حدث ذلك قبل أكثر من 25 عامًا من سؤاله. لكن إذا كان البرولين حافزًا فعالًا، فربما استمر شخص ما في العمل عليه؟ اعتقد بنجامين ليست أن السبب وراء عدم استمرار أي شخص في دراسة الظاهرة هو أنها لم تعمل بشكل جيد. دون أي توقعات حقيقية، اختبر بينيامين ما إذا كان البرولين يمكن أن يحفز تفاعل “ألدول-Aldol”، حيث ترتبط ذرات كربون جزيئين مختلفين معًا. لقد كانت محاولة بسيطة، بشكل مثير للدهشة، وقد نجحت على الفور!

رهان بنيامين ليست!

لم يكتشف Benjamin List أن البرولين عامل حفاز فعال فحسب كسابقه، بل أظهر أيضًا أن هذا الحمض الأميني يمكن أن يؤدي إلى تحفيز غير متماثل. من بين صورتي المرآة المحتملتين، كانت تتشكل إحداهما أكثر من الأخرى! وعلى عكس أولئك الذين اختبروا البرولين سابقًا كمحفز، أدرك بنيامين الإمكانات الهائلة التي يمكن أن تمتلكها تجربته. بالمقارنة مع كل من المعادن والإنزيمات، يعتبر البرولين أداة مثالية للكيميائيين. فالبرولين جزيء بسيط للغاية ورخيص وصديق للبيئة. عندما نشر بحثه في فبراير 2000 م، وصف بينيامين التحفيز غير المتماثل مع الجزيئات العضوية كمفهوم جديد لديه العديد من الفرص المستقبلية. ولم يكن وحده في هذا الرأي. ففي مختبر بعيد في شمال كاليفورنيا، كان ديفيد ماكميلان يعمل أيضًا لتحقيق نفس الهدف!

انتباه ديفيد ماكميلان للمحفزات العضوية

قبل عامين، انتقل ديفيد ماكميلان من جامعة هارفارد إلى جامعة كاليفورنيا في بيركلي. عمل ديفيد في جامعة هارفارد على تحسين التحفيز غير المتماثل باستخدام المعادن. كان مجالًا جاذبًا للكثير من الباحثين، لكن ديفيد ماكميلان لاحظ كيف أن المحفزات التي تم تطويرها نادرًا ما تستخدم في الصناعة. بدأ ديفيد يفكر في السبب، وافترض أن المعادن الحساسة كانت بكل بساطة صعبة للغاية ومكلفة للاستخدام.

كما بينيامين، عرف ديفيد أن تحقيق الظروف الخالية من الأكسجين والرطوبة التي تتطلبها بعض المحفزات المعدنية أمر بسيط في المختبر، ومعقد في الصناعة. فاستنتج أن تلك الأدوات الكيميائية التي يطورها تحتاج إلى إعادة تفكير كي تكون مفيدة صناعيًا. لذلك، عندما انتقل إلى بيركلي، ترك المعادن خلف ظهره. وبدأ في التفكير في تطوير شكل أبسط من المحفزات بدلاً من المعادن. بدأ David MacMillan في تصميم جزيئات عضوية بسيطة – تمامًا مثل المعادن – قادرة على توفير الإلكترونات أو استيعابها مؤقتًا. والجزيئات العضوية هي الجزيئات التي تبني كل الكائنات الحية. ولدى تلك الجزيئات هيكل ثابت من ذرات الكربون. ترتبط المجموعات الكيميائية النشطة بهيكل الكربون، وغالبًا ما يحتوي على الأكسجين أو النيتروجين أو الكبريت أو الفوسفور.

أيون الإيمينيوم

تتكون الجزيئات العضوية من عناصر بسيطة ومشتركة، ولكن يعتمد اختلافها على كيفية تجميعها معًا. يترتب على ذلك الاختلاف الكثير من الخصائص المعقدة. وفق معرففة ديفيد ماكميلان بالكيمياء، أدرك أنه لكي يحفز الجزيء العضوي التفاعل الذي يرغب فيه، يجب أن يصبح قادرًا على تكوين “أيون إيمينيوم-iminium ion”. يحتوي أيون الإيمينيوم على ذرة نيتروجين، وذرة النيتروجين محبة للإلكترونات. اختار ديفيد العديد من الجزيئات العضوية ذات الخصائص الصحيحة، ثم اختبر قدرتها على تحفيز تفاعل “Diels-Alder”. يستخدم الكيميائيون تفاعل “Diels-Alder” لبناء حلقات من ذرات الكربون.

وكما كان يأمل ديفيد ويعتقد، عمل التفاعل بشكل رائع. عملت بعض الجزيئات العضوية بشكل ممتاز أيضًا في التحفيز غير المتماثل. فمن بين صورتين محتملتين، ظهرت إحداهما بأكثر من 90 % من المنتج. وبذلك تمكّن ديفيد أيضًا من تحقيق التحفيز العضوي غير المتماثل! أدى اكتشاف ديفيد مع اكتشاف بينيامين إلى أن يصبحا فائزان بنوبل الكيمياء 2021.

صياغة ديفيد ماكميلان لمصطلح “التحفيز العضوي-organocatalysis”

عندما استعد ديفيد ماكميلان لنشر نتائجه، أدرك أن مفهوم الحفز الكيميائي الذي اكتشفه يحتاج إلى اسم. نجح الباحثون سابقًا في تحفيز التفاعلات الكيميائية باستخدام جزيئات عضوية صغيرة، لكن تلك كانت أمثلة معزولة ولم يدرك أحد أن الطريقة يمكن تعميمها! أراد David MacMillan العثور على مصطلح لوصف الطريقة حتى يفهم الباحثون الآخرون أن هناك المزيد من المحفزات العضوية لاكتشافها. وقع اختياره على “التحفيز العضوي-organocatalysis”.

في يناير 2000 م، وقبل أن ينشر بنيامين ليست اكتشافه مباشرة، قدم ديفيد ماكميلان ورقته للنشر في مجلة علمية. تنص المقدمة على ما يلي: “هيا بنا نقدم استراتيجية جديدة للتحفيز العضوي نتوقع لها أن تكون قادرة على القيام بمجموعة من التحولات غير المتماثلة”: “Herein, we introduce a new strategy for organocatalysis that we expect will be amenable to a range of asymmetric transformations”.

ازدهار استخدام التحفيز العضوي

بشكل مستقل عن بعضهما البعض، اكتشف بنيامين ليست وديفيد ماكميلان مفهومًا جديدًا تمامًا للحفز العضوي. ومنذ عام 2000 م، يمكن تشبيه التطورات التي حدثت في هذا المجال تقريبًا كحمى استكشاف الذهب، ولكن احتفظ بينيامين وديفيد بمكانة رائدة. لقد صمما العديد من المحفزات العضوية الرخيصة والمستقرة والتي يمكن استخدامها لتحفيز مجموعة كبيرة من التفاعلات الكيميائية.

لا تتكون المحفزات العضوية غالبًا من جزيئات بسيطة فحسب، بل يمكنها في بعض الحالات العمل على حزام ناقل تمامًا مثل إنزيمات الطبيعة. في السابق، كان من الضروري في عمليات الإنتاج الكيميائي عزل كل منتج وسيط وتنقيته، وإلا فإن حجم المنتجات الثانوية سيكون كبيرًا جدًا. أدى هذا إلى فقدان بعض المادة في كل خطوة من البناء الكيميائي. تعتبر المحفزات العضوية أكثر مرونة، حيث يمكن في كثير من الأحيان إجراء عدة خطوات في عملية الإنتاج في تسلسل غير منقطع. يسمى هذا بالتفاعل التعاقبي، واستطاع ذلك التفاعل أن يقلل بشكل كبير من النفايات في التصنيع الكيميائي.

تصنيع الإستركنين بكفاءة أكبر بـ 7000 مرة!

أحد الأمثلة على الطريقة التي أدى بها التحفيز العضوي إلى مكونات جزيئية أكثر كفاءة هو أطروحة توليف جزيء الإستركنين الطبيعي والمعقد. قد يتعرف الكثير من محبي الروايات على الإستركنين من كتب الروائية أجاثا كريستي، ملكة ألغاز القتل. ومع ذلك، فبالنسبة للكيميائيين، يشبه الإستركنين مكعب الروبيك، فهو تحدٍ ترغب في حله في أقل عدد ممكن من الخطوات. عندما تم تصنيع الإستركنين لأول مرة عام 1952 م، تطلب الأمر 29 تفاعلًا كيميائيًا مختلفًا و شكّلت 0.0009 % فقط من المادة الأولية الإستركنين، وتم إهدار الباقي. في عام 2011 م، تمكن الباحثون من استخدام التحفيز العضوي ورد الفعل التعاقبي لبناء الإستركنين في 12 خطوة فقط. وكانت عملية الإنتاج أكثر كفاءة بمقدار 7000 مرة!

أهمية الحفز العضوي في إنتاج المستحضرات الدوائية الصيدلانية!

كان للحفز العضوي أثر كبير على البحوث الصيدلانية، والتي تتطلب غالبًا تحفيزًا غير متماثل. وإلى أن يتمكن الكيميائيون من إجراء تحفيز غير متماثل، احتوت العديد من المستحضرات الصيدلانية على صور معكوسة غير مرغوبة للجزيء. صورة الجزيء هي معكوسه في المرآة، يكون أحدهما نشطًا، بينما يمكن أن يكون للآخر تأثيرات غير مرغوب فيها. ومن الأمثلة الكارثية على ذلك فضيحة الثاليدومايد في الستينيات، حيث تسببت صورة دواء الثاليدومايد في حدوث تشوهات خطيرة في آلاف الأجنة البشرية. قيل عن الحدث أنه “أكبر كارثة طبية صنعها الإنسان على الإطلاق” ونتج عنها 10 آلاف طفل مشوه بمختلف الدرجات في 46 دولة ما بين 1950 و 1960م. [1]

باستخدام التحفيز العضوي، تمكن الباحثون من إنتاج كميات كبيرة من الجزيئات غير المتماثلة المختلفة ببساطة. واستطاع الباحثون تصنيع مواد علاجية محتملة بكميات لم يكن عزلها سهلًا إلا بكميات صغيرة من النباتات النادرة أو الكائنات الحية في أعماق البحار. استخدمت شركات الأدوية التقنية بالطبع لتسهيل إنتاج المستحضرات الدوائية المصنّعة. ومن الأمثلة على ذلك إنتاج الباروكستين الذي يستخدم لعلاج القلق والاكتئاب، والأدوية المضادة للفيروسات مثل الأوسيلتاميفير الذي يستخدم لعلاج التهابات الجهاز التنفسي.

الأفكار البسيطة هي الأصعب دائما!

من الممكن سرد آلاف الأمثلة عن كيفية استخدام التحفيز العضوي – ولكن لماذا لم يبتكر أحد هذا المفهوم البسيط والآمن والرخيص للحفز غير المتماثل في وقت سابق؟ هذا السؤال له العديد من الإجابات. الأول هو أن الأفكار البسيطة غالبًا ما تكون الأكثر صعوبة في تخيلها. إن وجهة نظرنا تحجبها الأفكار المسبقة القوية حول الكيفية التي يجب أن يعمل بها العالم، مثل فكرة أن المعادن أو الإنزيمات فقط هي التي يمكن أن تحفز التفاعلات الكيميائية. نجح بنيامين ليست وديفيد ماكميلان في أن يصبحا فائزان بنوبل الكيمياء 2021 من خلال رؤية ماض هذه الأفكار، ثم تطلعا بعيدًا لإيجاد حل مبتكر لمشكلة عانى منها الكيميائيين لعقود من الزمن. وبالتالي، استحقت المحفزات العضوية جائزة نوبل الكيمياء 2021 لما تجلبه – في الوقت الحالي – من فائدة هائلة للبشرية.

المصادر:

medicalnewstoday [1]
[2] Nobel Prize website