Nobelova nagrada za umjetne enzime

Kako razlikovati prirodne od umjetnih organskih spojeva, kako recimo razlikovati aminokiselinu iz jaja od one iz meteorita? Odgovor, koji sam mnogo puta čuo i pročitao, je: prirodne se aminokiseline pojavljuju u samo jednoj prostornoj formi, u obliku samo jednog izomera, enantiomera, dok su aminokiseline dobivene bez sudjelovanja nečeg živog smjese oba enantiomera. Ili, točnije rečeno, aminokiselina alanin iz bjelančevina je L-alanin, a ona iz meteorita je smjesa L-alanina i D-alanina u omjeru 1:1. Po čemu se te dvije aminokiseline razlikuju? Razlikuju se onako kako se razlikuje lijeva i desna ruka, lijevo i desno stopalo ili pak lijeva i desna cipela. Riječ je, ukratko, o asimetričnim molekulama, a takve, asimetrične molekule (nazvane tako jer nemaju nijedan element simetrije) ne mogu se poklopiti sa svojom zrcalnom slikom.

Ne treba se čuditi da upravo takve, asimetrične molekule privlače pozornost kemičara, a reći ću i to da je za istraživanje takvih molekula naš Vladimir Prelog dobio Nobelovu nagradu, no 1975. godine. Ove godine opet je jedna Nobelova nagrada iz kemije dodijeljena za to područuje. Dobili su je relativno mladi znanstvenici: Nijemac Benjamin List i Amerikanac britanskog podrijetla David MacMillan. Obrazloženje Nobelove nagrade je jednostavno: nagrada im je dodijeljena za pronalazak nove vrste katalize, asimetrične organokatalize (asymmetric organocatalysis).

Benjamin List
Benjamin List

Katalizatori su tvari, zna se od 19. stoljeća, koje ubrzavaju kemijske reakcije, a da se pritom sami ne mijenjaju. Ili, točnije, katalizatori su tvari koje ubrzavaju uspostavljanje kemijske ravnoteže. Mogli bismo ih usporediti s uljem za podmazivanje. I bez njih bi reakcije išle, ali mnogo, mnogo sporije. Neki se naš kemičar potrudio da izračuna koliko bi trebalo smjesi kisika i vodika da se sama od sebe pretvori u vodu. I dobio je rezultat – bez eksperimentalne provjere – da bi se pri 9 oC 0,15 % plina praskavca pretvorilo u vodu za – točno 1,06·1011 godina! No ako u tu smjesu plinova ubacimo komadić spužvaste platine (katalizatora), sav će se vodik spojiti s kisikom u djeliću sekunde uz gromovit prasak.

David MacMillan
David MacMillan

Zbog tog svojstva, da ubrzavaju kemijske reakcije, katalizatori trebaju i kemijskoj industriji i biokemijskim bićima. U kemijskoj industriji katalizatori su metali i metalni spojevi, u živim bićima katalizatori su proteini, enzimi. Razlika? Metalni, industrijski katalizatori su u pravilu simetrični, što znači da proizvode ili simetrične molekule ili pak parove asimetričnih molekula. Druga je pak priča s enzimima koji vežu za sebe asimetrične reaktante i proizvode asimetrične produkte. Enzim prepoznaje molekulu s kojom će se vezati kao što brava prepoznaje ključ, ili cipela nogu. „Desni“ alanin (D-alanin) se ne može vezati za enzim koji katalizira reakciju L-alanina, baš kao što desna noga ne može ući u lijevu cipelu.

Ono što su napravila dvojica ovogodišnjih nobelovaca je da su pronašli (sintetizirali) takve katalizatore koji ubrzavaju asimetrične kemijske reakcije, a usto su i organski spojevi. To znači da djeluju kao enzimi, premda im strukturom ne odgovaraju (jer enzimi su proteini, a spojevi dvojice ovogodišnjih nobelovaca to nisu). I – isto tako važno – njihovi „asimetrični organokatalizatori“ ne sadrže ništa „anorgansko“, a to znači da ne sadrže metale.

Sinteza enantiomerno čistih organskih spojeva, dakle sinteza samo jednog enantiomera, izuzetno je važna za farmaceutsku industriju. Obično je naime samo jedan prostorni izomer, enantomer, farmakološki aktivan, dok je drugi neaktivan ili čak otrovan. Najbolji (najgori) primjer za to je afera s talidomidom, lijekom koji je sadržavao i „lijeve“ i „desne“ molekule, no samo je jedan njegov enantiomer ljekovit (sedativ), dok je drugi enantiomer otrovan (teratogen). Imati katalizator kojim će se proizvoditi samo jedan od dva enantiomera stoga je san kemijske industrije.

Organski katalizator je pak san „zelene industrije“. Kad čovjek vidi što se na tržištu nudi, vidiš samo katalizatore na bazi nikla, rutenija, rodija, paladija i platine. Sve skupi i toksični metali. Kako spriječiti njihov gubitak u proizvodnji? Kako ih reciklirati? Sva ta pitanje postaju nevažna u slučaju organskih katalizatora. Jer ti se katalizatori nakon upotrebe mogu spaliti, a iza njih neće ostati ništa drugo nego malo dima.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.