«Бесконечные возможности»: химики меняют молекулы атом за атомом

Новый метод под названием «скелетное редактирование» предлагает чрезвычайно упрощенный способ изменения материи, открывая путь к меняющим мир инновациям в области персонализированной медицины и экологичных пластмасс.

Спросите Марка Левина, что его волнует в его работе, и доцент кафедры химии Чикагского университета мог бы стать поэтом. «Мы — одна из немногих областей науки, которая по своей сути занимается созданием вещей, которые никогда не существовали где-либо еще во Вселенной и никогда бы не существовали, если бы мы не вмешались», — с энтузиазмом говорит он. «Мы можем манипулировать материей на атомном уровне, чтобы придать ей любую форму, о которой мы только можем подумать».

Некоторые из тех вещей, которые никогда бы не существовали, имеют огромную ценность для человечества. От синтетических красителей до целлулоида, от материалов до лекарств — синтетическая химия сделала наш мир богаче и помогла нам жить дольше, чтобы наслаждаться им.

Приложив достаточные усилия, современные химики могут синтезировать практически любую молекулу, которую только можно вообразить, но их методы ограничены, они полагаются на доступные молекулярные строительные блоки и потенциально требуют многих шагов. «Для этого был принят подход, заключающийся в добавлении других химических групп к уже существующей молекуле, что изменяет ее только на ее периферии», — объясняет профессор Ричмонд Сарпонг, химик из Калифорнийского университета в Беркли.

Когда дело доходит до более фундаментального изменения существующей молекулы – например, внутри колец атомов углерода в центре многих органических соединений – Левин сравнивает эти атомы и связи с соединителями и стержнями в детском наборе Tinkertoy: «Это очень очевидно, когда вы Когда вы смотрите на игрушку, лучший способ изменить ее — вытащить ненужную часть и вставить новую», — говорит он. «Меня всегда беспокоило то, что мы не можем сделать это химическим способом».

То есть не до сих пор.

Частично вдохновленные революционной технологией редактирования генома Crispr-Cas9, Левин и Сарпонг входят в число немногих химиков, разрабатывающих новые методы вставки, удаления и замены отдельных атомов внутри молекул. Они называют это «скелетным редактированием» и надеются, что оно изменит их сферу деятельности – и наш мир.

Слово «редактирование» напоминает химиков, изменяющих атомы с помощью наноскопических пинцетов, но это было бы далеко не эффективно. «Если бы вы хотели создать родинку, — объясняет Левин, имея в виду единицу измерения, используемую в химии, — вам пришлось бы взять пинцет и сделать это 1023 раза».

Вместо этого в этом новом подходе они используют химические реагенты, катализаторы или свет для выполнения редактирования квинтиллионы раз. «По сути, мы создаем молекулы, которые ведут себя как пинцет», — объясняет Левин.

В этом смысле скелетное редактирование является продолжением устоявшейся синтетической химии – не столько отдельным инструментом, сколько постоянно растущим набором инструментов. «[Это] не что-то одно», — говорит Сарпонг. «Эта концепция, образ мышления, который породил новый взгляд на вещи и дает результаты, которые я не мог себе представить пять лет назад».

Некоторые из наиболее впечатляющих результатов, по крайней мере, для Сарпонга и Левина, связаны с разработкой лекарств.

Ученые обычно создают новые лекарства, определяя биологическую мишень, которая играет определенную роль в заболевании, а затем проверяют сотни тысяч молекул, чтобы найти «поразительное» соединение, которое может с ней взаимодействовать. «Создание молекул для проекта по открытию лекарств требует множества химических этапов и значительного времени», — признает Дэвид Блейкмор, руководитель отдела синтеза, воспалений, иммунологии и противоинфекционной химии в Pfizer.

В последние десятилетия это все чаще делается с помощью компьютеров, а так называемый скрининг in silico сейчас настолько развит, что синтетическая химия иногда с трудом успевает за ним.

«Я могу создать молекулу, которая будет выглядеть разумной или соответствовать всем правилам химии», — говорит доктор Роберт Скоффин, генеральный директор кембриджской компании по разработке лекарств Cresset, — «и синтетические ребята посмотрят на нее и скажут: «Извините». , я действительно не могу туда добраться, или это будет стоить вам так дорого, что туда действительно не стоит ехать».