Image
Bertozzi, meldal og sharpless illustrasjon

Bertozzi, Meldal og Sharpless © Nobel Prize Outreach. Ill. Niklas Elmehed.

Nobelprisen i kjemi: filosofien om å gjøre det enklest mulig

Organiske molekyler kan være svært vanskelige å lage, men hvorfor gjøre det vanskelig når man kan gjøre det enkelt?

Vi trigges av utfordringer. I organisk kjemi var det en trend og stor prestisje knyttet til å syntetisere de vanskeligste og mest komplekse molekylene. K. Barrry Sharpless, en av tre Nobelprisvinnere i kjemi i 2022, gjorde det motsatte. For om lag 20 år siden lanserte han klikk-kjemien som handlet om å gjøre det så enkelt som mulig. 

– Klikk-kjemi er egentlig en filosofi, forklarer professor ved Farmasøytisk institutt, Trond Vidar Hansen. Det går ut på at vi gjør ting så enkelt som mulig ved bare å blande sammen det som skal reagere, med vann som løsemiddel, og med rene produkter som mål. 

Det enkle er ofte det beste

Fakta

5. oktober 2022 ble Nobelprisen i kjemi gitt til K. Berry Sharpless, Morten Meldal og Carolyn Bertozzi for deres forskning på klikk-kjemi.

Les mer på Nobelinstituttets hjemmesider her (eng).

Hansen forteller at det på 80- og 90-tallet var stor prestisje knyttet til å lage de vanskeligste, flotteste, mest komplekse kjemiske molekylene. 

– Det ble en slags konkurranse om å lage de mest kompliserte naturproduktene. Jo mer komplekst, desto flinkere var man, forklarer Hansen. Men det var ikke nødvendigvis nyttig.

Ifølge Hansen er dette noe av bakgrunnen for at Sharpless lanserte sin enkelhetsfilosofi. Han ville lage molekyler som gir nyttige produkter på en enkel måte og som samtidig skulle oppfylle egenskapene pålitelig, robust, forutsigbar og vann skulle benyttes som løsemiddel.

Realisering av filosofien

Det som etter hvert har blitt gullstandarden innenfor klikk-kjemien er en reaksjon med tre ingredienser blandet i vann. Denne standarden fant Sharpless og Morten Meldal, en dansk kjemiker, ut av uavhengig av hverandre. Meldals bidrag var meget viktig, men ikke relatert til klikk-filosofien.

Fakta

Azid: organisk funksjonell gruppe med tre nitrogenatomer 

Alkyn: lineær organisk funksjonell gruppe med to karbonatomer i en trippelbinding

Triazol: stabil aromatisk femring med tre nitrogen- og to karbonatomer 

Slik ser den originale klikk-kjemi-reaksjonen ut. Illustrasjon: Trond Vidar Hansen.

– Når Sharpless filosofi ble realisert med én reaksjon ble det en inspirasjon for å gjøre det samme for andre reaksjoner, sier Hansen.

I ettertid har det dukket opp flere reaksjoner som følger de samme prinsippene som den originale klikk-kjemien.

Reaksjonen skjer mellom tre ingredienser: Et azid, et alkyn og små mengder kobber. Resultatet av denne reaksjonen blir et triazol, som er en femkantet ring med to karbon- og tre nitrogenatomer. 

– Triazoler finnes i legemidler, landbrukskjemikalier, plastmaterialer, fargestoffer, isolasjonsmaterialer, for å nevne noe. Sharpless fant en måte å lage triazoler på en rask og forutsigbar måte, sier Hansen. 

Det enkle ble latterliggjort

Selv om Hansen fattet interesse for Sharpless ideologi ble den møtt med motstand i starten. 

– Sharpless ble sett på med skepsis og litt latterliggjort fordi han skulle begynne med noe helt nytt. De andre ville lage vakre, kompliserte og fine molekyler. Redaktøren i tidsskriftet som utgav artikkelen ble uglesett fordi han hadde tatt den inn, men han likte konseptet og ville ha den inn for å skape debatt, forteller Hansen. 

Den første artikkelen om klikk-kjemi ble utgitt i 2001. Ifølge Hansen gikk det tre-fire år før motstanden var overvunnet. 

– Når de andre kjemikerne så at biologene, farmasøytene, medisinerne, fysikerne, og materialviterne begynte å bruke Sharpless teknikk gjorde dette at de organiske kjemikerne våknet og begynte å bruke filosofien hans. Vi liker det kjente og kjære, så når noen vil begynne med noe nytt er det en viss barriere som må overvinnes, sier Hansen. 

Jobbet med Sharpless i California

Trond Vidar Hansen . Foto: UiO

Hansen forteller at han ble fascinert av denne enkelheten da han leste Sharpless artikkel. Det gjorde at han ble inspirert til å dra på et forskningsopphold til Sharpless laboratorium i California i 2004.

– Jeg likte konseptet at man skal gjøre syntetisk organisk kjemi så enkelt som mulig, og at det skulle skje i vann. Jeg har tidligere jobbet med vandige løsninger og enzymer. Da jeg leste artikkelen hans synes jeg dette var veldig spennende, forteller Hansen.

Teknikken han lærte i California har han brukt jevnlig i arbeidet ved Farmasøytisk institutt. 

– Vi har brukt teknikken til å lage nye legemiddelkandidater, for eksempel mot kreft. Vi har også brukt det til å detektere molekyler som finnes i kroppen i veldig små mengder slik at det blir lettere å analysere biomolekyler. I tillegg har vi bidratt til å lage varianter av klikk-kjemi reaksjoner, forteller Hansen.

Han forteller videre at noe av det han var med på i 2004 var å lage enda enklere måter for å lage triazoler, men også andre typer femringer.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Miljøvennlig kjemi

– Fordelen med klikk-kjemien er at vi kan lage molekyler på en enkel, forutsigbar, robust og miljøvennlig måte. Denne metoden gir bare ett produkt og det er vann som brukes som løsemiddel, sier Hansen. 

Det betyr at de som jobber med denne formen for kjemiske reaksjoner slipper å kvitte seg med biprodukter og organiske løsemidler. I tillegg kan reaksjonen skje ved katalyse som betyr at det er lave temperaturer. Det er også en stor fordel med tanke på energibruk, risiko og renhet av produktet. 

– Varme bidrar til at det kan dannes biprodukter da det kan skje andre kjemiske reaksjoner enn det du ønsker, eller at produktet du ønsker dekomponerer før du får det ut, forklarer han.

Reaksjonen har hatt stor nytteverdi for biologene

– Sharpless var hele veien inspirert av naturen og enzymer, forteller Hansen. I 2001 fikk Sharpless Nobelprisen innenfor asymmetrisk syntese, som er kjemiske metoder for å lage molekyler med tredimensjonale definerte strukturer. Dette gjør enzymer veldig raskt i kroppen og i naturen. Sharpless var den første til å utvikle nyttige asymmetriske oksidasjonsmetoder som gav molekyler med definerte tredimensjonale strukturer.

Selv om filosofien i seg selv har vært inspirert av naturen har den også bidratt til ny naturforståelse. Det var Carolyn Bertozzi, den tredje Nobelprisvinneren, som tok klikk-kjemien til et nytt nivå. I stedet for å lage produkter, brukte hun reaksjonen til å forstå hva som skjer inne i levende organismer. 

– Bertozzi har vist at det er mulig å gjøre syntetisk organisk kjemi inne i levende organismer. Da kan man studere overflater på celler eller studere innsiden av en kreftsvulst. Det er lettere å «se» biologiske fenomener, forteller Hansen. 

Hansen forteller at Bertozzi har brukt azider og alkyner som cellene tåler. Inne i cellene reagerer de og danner triazolringen. Det gjør det mulig å observere cellene ved hjelp av ulike typer mikroskopi og spektroskopi. 

– Det hverdagslige bildet på dette er et flysetebelte. Alkynet og azidet er hver sin del av beltet og de har ingen funksjon før de bringes sammen. De kan ikke festes med en knapp eller et annet belte. Kun når de reagerer med hverandre kan vi studere hva som skjer på overflaten eller inne i cellene, forklarer Hansen.

En pris for grunnforskningen

– Dette er en grunnforskningspris, understreker Hansen, men da de tre nobelprisvinnerne fikk det til så de og en rekke andre forskere at det var uante anvendelsesmuligheter. 

Han er frustrert med tanke på hvor lite midler det gis til denne typen forskning i Norge. 

– Da jeg var hos gruppa til Sharpless diskuterte vi dette. De andre skjønte ikke hvordan vi tenkte i Norge når de ser hvor lite grunnforskningen blir finansiert, gitt at vi er så rike. Vi er en del av et forskningsfellesskap og vi burde solidarisk bidra til mer grunnforskning og nysgjerrighetsdrevet forskning, sier Hansen.