PhD saya supervisor baru saja memenangkan Hadiah Nobel Kimia karena merancang cara yang lebih aman, lebih murah, dan lebih cepat untuk membangun molekul dan membuat obat

Alasan ibuprofen mengobati sakit kepala dan es krim terasa manis adalah karena komponen kimianya sangat cocok dengan reseptor tertentu di tubuh Anda. Semakin baik obat atau molekul rasa cocok dengan reseptor yang cocok, semakin efektif obat atau lebih enak perawatannya.

Tetapi kekhasan alam yang menarik adalah bahwa banyak molekul dapat masuk dua versi – versi tangan kanan dan versi tangan kiri – dan reseptor di tubuh Anda harus sesuai dengan kemampuan molekul agar pas dengan benar. Sarung tangan tangan kiri tidak muat di tangan kanan Anda.

Jadi bagaimana ahli kimia membuat versi molekul yang benar sehingga obat bekerja sebagaimana dimaksud?

Ini adalah pertanyaan yang membuat saya sebagai ahli kimia sangat tertarik ketika saya memulai Ph.D. belajar dengan Dave MacMillan di Princeton. Dan dia, bersama dengan Ben List dari Max Planck Institute, telah bersama-sama memenangkan Hadiah Nobel Kimia 2021 karena menemukan cara yang sama sekali baru untuk membuat molekul dari satu orientasi atau lainnya.

Mereka mengembangkan sederhana baru jenis katalis – disebut organokatalis asimetris. Katalis ini mampu secara efisien menghasilkan molekul dengan orientasi 3-D tertentu dan memungkinkan ahli kimia untuk menemukan dan memproduksi obat yang aman dan efektif.

Apa yang dimaksud dengan katalis asimetris?

Katalis adalah alat yang digunakan oleh alam dan ahli kimia untuk membangun molekul kompleks. Mereka bekerja dengan menurunkan jumlah energi yang dibutuhkan untuk reaksi kimia terjadi. Ahli kimia menggunakan katalis untuk menghasilkan sejumlah besar molekul kompleks yang akan sulit dibuat secara efisien, atau bahkan sama sekali.

Biasanya, reaksi kimia menghasilkan jumlah molekul tangan kiri dan tangan kanan yang sama. . Katalis asimetris adalah katalis yang secara selektif menghasilkan molekul dengan satu orientasi atau lainnya.

Dua puluh tahun yang lalu, ahli kimia yang pertama kali menemukan katalis asimetris memenangkan Hadiah Nobel Kimia 2001. Tetapi katalis yang mereka temukan menggunakan logam mulia yang bisa mahal dan beracun. Mereka juga sensitif terhadap udara dan air. Para ilmuwan telah menggunakan katalis asimetris berbasis logam ini sejak saat itu, tetapi banyak perhatian perlu dilakukan untuk mendaur ulang atau menghilangkan logam yang terkadang beracun ini dari banyak obat yang digunakan untuk membuatnya.

Bagaimana alam membuat molekul asimetris?

Reseptor biologis – struktur pada sel yang menerima sinyal kimia – seringkali hanya mengikat satu versi molekul. Jadi alam telah menguasai cara membuat molekul secara selektif menggunakan enzim yang besar, kompleks, hampir seperti pabrik. Katalis enzim yang rumit ini sering dibuat dari ribuan asam amino dan merakit blok bangunan kimia ke dalam orientasi kiri atau kanan yang benar. Strategi yang indah ini adalah produk dari jutaan tahun evolusi dan bekerja dengan baik pada organisme hidup.

Masalah ketika menggunakan enzim untuk memproduksi obat adalah bahwa enzim seringkali 10.000 kali lebih besar dari obat target yang sebenarnya dan dapat memakan waktu lama untuk membuatnya. Faktanya, Hadiah Nobel Kimia 2018 secara terpisah mengakui para ilmuwan yang mengembangkan cara membuat katalis enzim dengan lebih mudah. Terlepas dari kemajuan ini, membuat enzim besar ini belum praktis bagi ahli kimia obat di laboratorium.

Organocatalysts asimetris: Perkakas tangan melakukan pekerjaan pabrik

MacMillan dan Ben masing-masing mengembangkan jenis katalis organik, atau berbasis karbon, yang terbuat dari asam amino tunggal yang dapat menghasilkan molekul kompleks dengan satu tangan. Alih-alih menggunakan logam beracun atau seluruh pabrik molekuler, para ilmuwan sekarang dapat menggunakan asam amino tunggal untuk menghasilkan obat tertentu.

Pada awal tahun 2000, List melaporkan bahwa satu asam amino, prolin, dapat secara efektif meniru seluruh enzim yang melakukan reaksi aldol, reaksi kimia pembentuk ikatan yang esensial. Pada tahun yang sama, MacMillan menunjukkan bahwa beberapa asam amino termodifikasi yang berbeda dapat secara asimetris mendorong reaksi Diels-Alder, reaksi penting lainnya yang membentuk ikatan. Dalam makalah mani ini, MacMillan menciptakan istilah “organocatalyst.”

Jadi bagaimana organocatalysts bekerja?

Sekarang ada banyak jenis organocatalysts asimetris, tetapi jenisnya yang memulai bidang ini sering kali adalah asam amino melingkar yang menahan blok bangunan kimia dalam bentuk 3D tertentu selama reaksi kimia. Dalam tarian tiga bagian yang dikoreografikan, katalis pertama-tama membuat ikatan yang kuat dengan bahan penyusun produk akhir yang diinginkan, mengarahkannya untuk pembentukan ikatan dan kemudian melepaskannya setelah reaksi kimia terjadi.

Bentuk melingkar dari katalis seringkali penting. List menggunakan satu-satunya asam amino berbentuk cincin yang terbentuk secara alami, prolin, sebagai katalisnya. MacMillan, di sisi lain, mengikat asam amino kembali dalam sebuah cincin yang memaksa reaksi kimia untuk hanya menghasilkan molekul dengan satu orientasi.

Penemuan layak Nobel

Teknik yang ditemukan List dan MacMillan telah menghasilkan ribuan katalis dan bahan kimia baru reaksi yang dapat menghasilkan obat lebih murah dan efisien dari sebelumnya.

Kemampuan untuk membangun begitu banyak molekul dengan pendekatan yang sederhana dan efektif telah merevolusi kimia obat. Saat ini, organokatalis sering digunakan untuk membuat berbagai jenis obat yang mengobati berbagai macam penyakit, termasuk kanker, diabetes, HIV, dan banyak lagi.

Saat saya bergabung dengan lab MacMillan pada tahun 2006, kami sedang membangun penemuan-penemuan ini dan menggabungkannya dengan teknologi baru untuk membuat jenis obat yang sama sekali baru. Lusinan ilmuwan kreatif dan menyenangkan yang bekerja dengan saya di sana telah menunjukkan bahwa penemuan MacMillan dapat digunakan untuk menciptakan ratusan reaksi kimia baru.

Saya pernah bertanya kepada MacMillan mengapa dia berpikir bahwa penemuannya telah berhasil pengaruh obat seperti itu. Jawabannya adalah bahwa asam amino adalah bahan yang murah, berkelanjutan dan jauh lebih praktis untuk digunakan daripada katalis logam yang peka terhadap udara dan air. Artinya, orang tidak perlu anggaran besar atau peralatan mewah untuk menggunakan teknologi ini dan memproduksi obat baru. Ahli kimia di seluruh dunia – dari negara miskin dan kaya – dapat membangun teknologi ini.

Saya masih sangat setuju bahwa inilah mengapa organokatalis digunakan begitu cepat dan luas.

Artikel ini diterbitkan ulang dari The Conversation, situs berita nirlaba yang didedikasikan untuk berbagi ide dari pakar akademis. Itu ditulis oleh: David Nagib, Universitas Negeri Ohio .

Baca lebih lajut:

Pemenang Hadiah Nobel dalam Fisika 2021 membangun matematika pemodelan iklim, membuat prediksi pemanasan global dan prakiraan cuaca modern menjadi mungkin Cara baru untuk menghilangkan garam dan logam beracun dari air

David Nagib menerima dana dari National Institutes of Health, National Science Foundation , Eli Lilly, dan Sloan Research Foundation. MacMillan adalah penasihat PhD-nya dari 2006-2011.