De Nobelprijs voor scheikunde van 2022 is toegekend aan een trio voor de ontwikkeling van klikchemie, een milieuvriendelijke methode om snel moleculen samen te voegen voor de ontwikkeling van kankerbehandelingen, het maken van materialen en het belichten van de werking van cellen.
Carolyn R. Bertozzi van de Stanford University in de VS, Morten Meldal van de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken en K. Barry Sharpless van Scripps Research, eveneens in de VS, delen de prijs van 10 miljoen Zweedse kronen (808.554 pond) “voor de ontwikkeling van klikchemie en bioorthogonale chemie”.
De chemie heeft de moderne wereld gemaakt, van geneesmiddelen tot synthetische materialen, batterijen tot brandstoffen, flatscreens tot meststoffen. Vaak hebben deze creaties milieu- en medische problemen veroorzaakt; twee voor de hand liggende voorbeelden zijn plasticvervuiling en gezondheidsproblemen in verband met “forever chemicals”.
Tegenwoordig zijn chemici zich dus terdege bewust van de noodzaak rekening te houden met het milieu en de ethische gevolgen van hun creaties. Dit heeft wetenschappers ertoe aangezet zorgvuldig te overwegen hoe zij op een groene en duurzame manier kunnen innoveren, terwijl zij nieuwe verbindingen en materialen creëren om de uitdagingen van de wereld aan te pakken.
Het bouwen van nieuwe moleculen is moeilijk. Het vereist vaak een veelheid van opeenvolgende individuele reacties, die elk worden gehinderd door nevenreacties die de zuiverheid van het monster verminderen. Dit verhoogt het aantal en de complexiteit van alle verdere reactiestappen, en produceert schadelijk afval dat zorgvuldig en duur moet worden verwijderd.
Niklas Elmehed © Nobelprijsuitreiking, CC BY-NC
Hoe het gebeurde
Een oplossing voor dit probleem werd bedacht door Barry Sharpless rond de eeuwwisseling. Hij bedacht de term “klikchemie”. Het is een concept waarbij moleculen eenvoudig, snel, betrouwbaar en herhaaldelijk met elkaar worden verbonden, ongeveer zoals een autogordel in zijn gesp klikt. Het idee was het chemische equivalent van de platte kast, terwijl iedereen meubels van de grond af bouwde.
Sharpless bepaalde ook dat klikreacties moesten worden uitgevoerd in water, in plaats van schadelijke oplosmiddelen die gewoonlijk door synthetische chemici worden gebruikt om hun reactanten op te lossen. Dit was een fantastisch concept omdat het een snelle, betrouwbare en milieuvriendelijke creatie van moleculen voor nieuwe producten mogelijk zou maken.
Maar de uitdaging was het maken van de chemische riemen en gespen. Het eerste voorbeeld van klikchemie werd bedacht door Morten Meldal in 2008 toen hij werkte aan een goed bestudeerde reactie tussen twee chemicaliën; aziden en alkynes. Deze worden vaak gebruikt om chemicaliën aan elkaar te koppelen, maar normaal gesproken produceren ze een papperig zooitje reactanten. Maar toen koper aan de mix werd toegevoegd, produceerde de reactie één ongelooflijk stabiel product.
Klik Chemie.
De Nobelprijs voor de Scheikunde 2022. NobelPrize.org. Nobelprijsuitreiking AB 2022. Wed. 5 Oct 2022.
De reactie werd zeer populair omdat chemici hiermee snel de functionaliteit van een chemische stof of materiaal konden veranderen. Een vezel kon tijdens de fabricage worden voorzien van de chemische knik en later kon extra functionaliteit worden toegevoegd. De reactie maakte het gemakkelijk om anti-bacteriële stoffen, UV-beschermende stoffen of stoffen die elektriciteit geleiden in te klikken.
In 2004 ging Carolyn Bertozzi een stap verder met clickchemie door het principe toe te passen op een biologisch probleem. Een gebruikelijke techniek om het gedrag van moleculen in een cel te bestuderen is het aanbrengen van een fluorescerend, gloeiend label dat duidelijk zichtbaar is onder een microscoop. Het verbinden van het label met precies het juiste deel van de cel is echter lastig.
Bertozzi realiseerde zich dat klikchemie een oplossing bood. Helaas is koper, gebruikt in Meldals oorspronkelijke klikchemie-methode, giftig voor levende wezens, zodat het niet direct kon worden toegepast op Bertozzi’s probleem. In plaats daarvan bedacht zij een techniek die werkt zonder koper. Zij hechtte de azide “gesp” aan een suikermolecuul. Dit wordt opgenomen in de cel, opgenomen en gepresenteerd op het celoppervlak. Een gewijzigde alkalyne (de clip) verbonden met een groen fluorescerend molecuul wordt dan toegevoegd aan de cel waar het klikt met de azide suiker. Vervolgens kan de cel gemakkelijk worden gevolgd onder een microscoop.
Bioorthogonale chemie verlicht de cel.
CC BY-NC
De techniek van Bertozzi heeft geleid tot inzichten in hoe tumorcellen ons immuunsysteem ontwijken en heeft geholpen bij de ontwikkeling van methoden om kankercellen op te sporen. Het heeft ook geholpen om radiotherapieën rechtstreeks op kankercellen te richten, waardoor de schade aan nabijgelegen gezonde cellen wordt beperkt.
Klikchemie is elegant en efficiënt. Het heeft het mogelijk gemaakt chemische stoffen samen te voegen, bijna net zo gemakkelijk als het in elkaar klikken van twee legoblokjes. Door zijn eenvoud hebben de toepassingen zich snel verspreid in de chemie met toepassingen in farmaceutica, DNA-sequencing en materialen met toegevoegde functionaliteit (zoals magnetische en elektrische). Het lijdt weinig twijfel dat de toepassingen van de techniek zich zullen uitbreiden en zullen worden toegepast op de meest dringende problemen in de wereld.
Mark Lorch werkt niet voor, geeft geen advies aan, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.