منذ ولادة الكيمياء الحديثة في القرن الثامن عشر، استخدم العديد من الكيميائيين الطبيعة كنموذج يحتذى به. إذ أن الحياة نفسها هي الدليل النهائي على قدرة الطبيعة الفائقة على خلق تعقيد كيميائي. حفزت الهياكل الجزيئية الرائعة الموجودة في النباتات والكائنات الحية الدقيقة والحيوانات الباحثين على محاولة بناء نفس الجزيئات بشكل مصطنع. غالبًا ما كان تقليد الجزيئات الطبيعية أيضًا جزءًا مهمًا في تطوير المستحضرات الصيدلانية، لأن العديد منها مستوحى من المواد الطبيعية. في هذا المقال سنتحدث عن جائزة نوبل للكيمياء لعام 2022 وأهم إنجازات الباحثين وابتكاراتهم.
محتويات المقال :
جائزة نوبل للكيمياء لعام 2022
حصل «باري شاربلس» و«مورتن ميلدال» على جائزة نوبل للكيمياء 2022 لأنهما وضعا أسس كيمياء النقر. يتشاركون الجائزة مع «كارولين بيرتوزي»، التي نقلت كيمياء النقر إلى بُعد جديد وبدأت في استخدامها لرسم خريطة للخلايا.
باري شاربلس وكيمياء النقر
كان أحد العوائق أمام الكيميائيين، وفقًا لباري شاربلس، هو الروابط بين ذرات الكربون التي تعتبر حيوية جدًا لكيمياء الحياة. من حيث المبدأ، تحتوي جميع الجزيئات الحيوية على إطار من ذرات الكربون المرتبطة، لقد طورت الحياة طرقًا لإنشاء هذه الأساليب، ولكن ثبت أنها صعبة للغاية بالنسبة للكيميائيين. والسبب هو أن ذرات الكربون هي جزيئات مختلفة، غالبًا ما تفتقر إلى دافع كيميائي لتكوين روابط مع بعضها البعض لذلك يجب تنشيطها صناعياً. وينتج عن هذا التنشيط العديد من ردود الفعل غير المرغوب فيها وخسارة فادحة للمواد. لذلك بدلاً من محاولة دفع ذرات الكربون إلى التفاعل مع بعضها البعض، شجع باري شاربلس زملاءه على البدء بجزيئات أصغر تحتوي بالفعل على إطار كربوني كامل. ومن ثم ربط هذه الجزيئات البسيطة معًا باستخدام جسور من ذرات النيتروجين أو ذرات الأكسجين، وبالتالي يسهل التحكم فيها. كما يتم تجنب العديد من التفاعلات الجانبية، مع فقدان أقل للمواد. وصف شاربلس هذه الطريقة، قائلاً إنه حتى إذا لم تتمكن الكيمياء النقرية من توفير نسخ دقيقة من الجزيئات الطبيعية، فسيكون من الممكن العثور على جزيئات تؤدي نفس الوظائف. أي أنها قد تولد أدوية مناسبة للغرض مثل تلك الموجودة في الطبيعة، والتي يمكن إنتاجها على نطاق صناعي.
الكيمياء النقرية Click chemistry
فلسفة كيميائية أدخلها باري شاربلس عام 2001 وحصل بسببها على جائزة نوبل لأول مرة، توصف بأنها كيمياء مصممة لتخليق المواد بسرعة وبشكل موثوق من خلال ضم وحدات صغيرة معًا. وهي ليست تفاعلاً محدداً بل هي مبدأ يحاكي الطبيعة.
مادة غير متوقعة في وعاء تفاعل ميلدال
في السنوات الأولى من هذا القرن، كان مورتن ميدال يطور طرقًا للعثور على مواد صيدلانية معينة. أثناء أبحاثه، أجرى هو وزملاؤه تفاعل ألكين مع أسيل هاليد. عادة ما يسير التفاعل بسلاسة، وخاصة عند إضافة بعض أيونات النحاس وربما رشة من البلاديوم كمحفزات. لكن عندما حلل ميلدال ما نتج في وعاء التفاعل وجد شيئًا غير متوقعا. اتضح أن الألكين قد تفاعل مع النهاية الخاطئة لجزيء هاليد الأسيل. في الطرف المقابل كانت هناك مجموعة كيميائية تسمى أزيد (موضحة بالصورة أدناه) جنبا إلى جنب مع الألكين، أنشأ الأزيد هيكلًا على شكل حلقة، وهو تريازول.
كان هذا الناتج مميز جدًا، إذ يدخل التريازول في تركيب بعض الأدوية والأصباغ والمواد الكيميائية الزراعية. حاول الباحثون سابقا تكوينه من الألكينات والأزيدات، لكن هذا أدى إلى منتجات ثانوية غير مرغوب فيها.
تلتصق الجزيئات ببعضها البعض بسرعة وكفاءة
قدم مورتن اكتشافه لأول مرة في ندوة في سان دييغو، في يونيو 2001. في العام التالي، نشر مقالًا في مجلة علمية أظهر أنه يمكن استخدام التفاعل لربط العديد من الجزيئات المختلفة معًا. في نفس العام – بصرف النظر عن مورتن ميلدال – نشر باري شاربلس أيضًا ورقة حول التفاعل المحفز بالنحاس بين الأزيدات والألكينات. إذا أراد الكيميائيون ربط جزيئين مختلفين، يمكن الآن بسهولة إدخال أزيد في جزيء واحد وألكين في الآخر. ثم يقومون بربط الجزيئات مع بعضها بمساعدة بعض أيونات النحاس.
يمكن استخدام تفاعلات النقر لإنشاء مواد جديدة
تسهل تفاعلات النقرات إنتاج مواد جديدة مناسبة للغرض. إذا أضافت الشركة المصنعة أزيدًا قابلاً للنقر إلى البلاستيك أو الألياف، فإن تغيير المادة في مرحلة لاحقة يكون أمرًا سهلاً؛ وكذلك للمواد التي توصل الكهرباء، أو تلتقط ضوء الشمس، أو المضادة للجراثيم، أو التي تحمي من الأشعة فوق البنفسجية أو لها خصائص أخرى مرغوبة. في الأبحاث الصيدلانية، تُستخدم الكيمياء النقرية لإنتاج وتحسين المواد التي يمكن أن تصبح أدوية. هناك العديد من الأمثلة لما يمكن أن تحققه الكيمياء النقرية. ومع ذلك، فإن الشيء الذي لم يتنبأ به شاربلس هو أنه سيتم استخدامه في الكائنات الحية.
كارولين بريتوزي والكربوهيدرات المخفية
باستخدام طرق جديدة في علم الأحياء الجزيئي، كان الباحثون حول العالم يرسمون خرائط الجينات والبروتينات في محاولاتهم لفهم كيفية عمل الخلايا. لم تحظ مجموعة واحدة من الجزيئات بأي اهتمام تقريبًا: الجليكانات. وهي الكربوهيدرات المعقدة التي يتم بناؤها من أنواع مختلفة من السكر وغالبًا ما توجد على سطح البروتينات والخلايا، وهي تلعب دورًا مهمًا في العديد من العمليات البيولوجية. لكن المشكلة تكمن في أن الأدوات الجديدة للبيولوجيا الجزيئية لا يمكن استخدامها لدراستها. لذلك واجه كل من حاول فهم كيفية عمل الجليكان تحديًا هائلاً.
بدأت «كارولين بيرتوزي» في رسم خرائط للجليكان الذي يجذب الخلايا المناعية إلى العقد الليمفاوية. استغرق الأمر أربع سنوات للتعرف على كيفية عمل الجليكان. في إحدى الندوات استمعت الباحثة إلى عالم ألماني شرح كيف نجح في جعل الخلايا تنتج نوعًا غير طبيعي من حمض السياليك، وهو أحد السكريات التي تكوّن الجليكان. من هنا تساءلت عما إذا كان بإمكانها استخدام طريقة مماثلة لجعل الخلايا تنتج حمض السياليك بنوع من المقبض الكيميائي chemical handle. إذا تمكنت الباحثة الخلايا من دمج حمض السياليك المعدل في جليكانات مختلفة، فستكون قادرة على استخدام المقبض الكيميائي لرسم خرائط لها. على سبيل المثال، يمكنها إرفاق جزيء فلوري بالمقبض، وسيكشف الضوء المنبعث بعد ذلك عن مكان إخفاء الجليكان في الخلية.
كشفت الجليكانات المخفية عن نفسها
بعد ذلك بدأت في البحث عن مقابض كيميائية وتفاعل كيميائي يمكنها استخدامه. لم تكن هذه مهمة سهلة، لأن المقبض يجب ألا يتفاعل مع أي مادة أخرى في الخلية، وألا يكون حساسا لأي شيء باستثناء الجزيئات التي كانت ستربطها بالمقبض. وضعت مصطلحًا لهذا: التفاعل بين المقبض وجزيء الفلورسنت يجب أن يكون متعامدًا بيولوجيًا.
نجحت كارولين بيرتوزي في عام 1997 في إثبات نجاح فكرتها. حدث الاختراق التالي في عام 2000، عندما وجدت المقبض الكيميائي الأمثل: أزيد. قامت بتعديل رد فعل معروف -تفاعل ستودينجر- بطريقة بارعة، واستخدمته لربط جزيء الفلورسنت بالأزيد الذي أدخلته إلى جليكانات الخلايا. نظرًا لأن أزيد لا يؤثر على الخلايا يمكن إدخاله حتى في الكائنات الحية. يمكن استخدام تفاعل Staudinger المعدل لرسم خريطة للخلايا بعدة طرق، لكن Bertozzi لم تكن راضية. لقد أدركت أن المقبض الكيميائي الذي استخدمته -الأزيد- لديه الكثير ليقدمه.
تفاعل النقر الخالي من النحاس
في هذا الوقت، انتشر الحديث بين الكيميائيين حول كيمياء النقرات الجديدة لمورتن ميلدال وباري شاربلس، لذلك كانت كارولين بيرتوزي تدرك جيدًا أن مقبضها -الأزيد- يمكن أن ينقر بسرعة على ألكين طالما أن هناك أيونات نحاسية متاحة. المشكلة هي أن النحاس سام للكائنات الحية. لذلك بدأت مرة أخرى في البحث والدراسة، ووجدت أن الأزيدات والألكينات يمكن أن تتفاعل بطريقة شبه قابلة للانفجار -بدون مساعدة من النحاس- إذا تم إجبار الألكين على شكل حلقة. نجحت التجربة عندما اختبرتها في الخلايا. في عام 2004، نشرت تفاعل النقر الخالي من النحاس المسمى بـ cycloaddition alkyne-azide، ثم أوضحت أنه يمكن استخدامه لتتبع الجليكانات.
الاستخدامات الطبية لاكتشافات العلماء
استخدمت هي والعديد من الباحثين الآخرين هذه النتائج لاستكشاف كيفية تفاعل الجزيئات الحيوية في الخلايا ودراسة عمليات المرض. إحدى المجالات التي تم التركيز عليها هي الجليكانات الموجودة على سطح الخلايا السرطانية. قادت الدراسة إلى فكرة أن بعض الجليكانات يبدو أنها تحمي الأورام من جهاز المناعة في الجسم، لأنها تثبط عمل الخلايا المناعية. لمنع هذه الآلية الوقائية، ابتكرت بيرتوزي وزملاؤها نوعًا جديدًا من الأدوية البيولوجية. تم إضافة جسم مضاد خاص بالجليكان إلى إنزيمات تعمل على تكسير الجليكانات الموجودة على سطح الخلايا السرطانية. يتم الآن اختبار هذا الدواء في التجارب السريرية على الأشخاص المصابين بالسرطان المتقدم.
بدأ العديد من الباحثين أيضًا في تطوير أجسام مضادة قابلة للنقر تستهدف مجموعة من الأورام. بمجرد أن تلتصق الأجسام المضادة بالورم، يتم حقن جزيء آخر ينقر على الجسم المضاد. على سبيل المثال، يمكن أن يكون هذا نظيرًا مشعًا يمكن استخدامه لتتبع الأورام باستخدام ماسح التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني أو يمكنه توجيه جرعة قاتلة من الإشعاع على الخلايا السرطانية.
أخيرًا
لا نعرف حتى الآن ما إذا كانت هذه العلاجات الجديدة ستنجح لكن هناك أمرًا واحدًا واضحًا: لقد تطرق البحث للتو إلى الإمكانات الهائلة لنقرات الكيمياء والكيمياء الحيوية المتعامدة.
يمكنك أيضًا قراءة نوبل الكيمياء 2021 ومعرفة القصة كاملة!
المصادر
Author: Alaa Sattam
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :