Två forskare vann Nobelpriset i kemi onsdag för att hitta ett genialt och miljömässigt renare sätt att bygga molekyler - en metod som nu används för att göra en mängd olika föreningar, inklusive läkemedel och bekämpningsmedel.

Arbetet av Benjamin List och David W.C. MacMillan har tillåtit forskare att producera dessa molekyler billigare, effektivt, säkert och med betydligt mindre farligt avfall.

"Det är redan till stor nytta för mänskligheten, sa Pernilla Wittung-Stafshede, medlem i Nobelpanelen.

Det var andra dagen i rad som en Nobelbelönade arbete som hade miljökonsekvenser. Fysikpriset hedrade utvecklingar som utökade vår förståelse av klimatförändringar, bara veckor innan de globala klimatförhandlingarna inleds i Skottland.

Kemipriset fokuserade på framställning av molekyler. Det kräver att atomer kopplas samman i specifika arrangemang, en ofta svår och långsam uppgift. Fram till början av millenniet, kemister hade bara två metoder - eller katalysatorer - för att påskynda processen, med användning av antingen komplicerade enzymer eller metallkatalysatorer.

Allt förändrades när List, vid Max Planck-institutet i Tyskland, och MacMillan, vid Princeton University i New Jersey, oberoende rapporterat att små organiska molekyler kan användas för att göra jobbet. De nya verktygen har varit viktiga för att utveckla mediciner och minimera problem med läkemedelstillverkningen, inklusive problem som kan orsaka skadliga biverkningar.

Johan Åqvist, ordförande i Nobelpanelen, kallade metoden som "enkel som den är genial".

"Faktum är att många människor har undrat varför vi inte tänkte på det tidigare, " han lade till.

MacMillan sa att vinsten gjorde honom "häpen, chockad, Lycklig, mycket stolt."

"Jag växte upp i Skottland, ett arbetarklassbarn. Min pappa är stålarbetare. Min mamma var hemtjänst. … jag hade turen att få en chans att komma till Amerika, att göra min doktorsexamen, " han sa.

Faktiskt, sa han på en presskonferens i Princeton, han planerade att följa sin äldre bror in i fysiken, men fysiklektionerna på college var klockan 8 i ett kallt och läckande klassrum i regniga Skottland, medan kemikurserna var två timmar senare varmare, torrare utrymmen. När han berättade historien, han sa att han kunde höra sin fru vädja till honom att inte dela det.

• 
• 

Han sa att inspirationen till hans Nobelvinnande arbete kom när han tänkte på den smutsiga processen att tillverka kemikalier - en som kräver försiktighetsåtgärder som han liknade med de som vidtogs vid kärnkraftverk.

Om han kunde komma på ett sätt att göra mediciner snabbare på helt andra sätt som inte krävde kar med metallkatalysatorer, processen skulle vara säkrare för både arbetare och planeten, resonerade han.

List sa att han från början inte visste att MacMillan arbetade med samma ämne och tänkte att hans egna aning bara kunde vara en "dum idé" - tills det fungerade. I det eureka-ögonblicket, "Jag kände att det här kunde vara något stort, ", sa 53-åringen.

H.N. Cheng, ordförande för American Chemical Society, sa att pristagarna utvecklade "nya trollstavar".

Innan deras arbete, "de vanliga katalysatorerna som användes var metaller, som ofta har miljömässiga nackdelar, " sa Cheng. "De ackumuleras, de lakar, de kan vara farliga."

Katalysatorerna som MacMillan och List var pionjärer "är organiska, så de kommer att försämras snabbare, och de är också billigare, " han sa.

Nobelpanelen noterade att deras bidrag gjorde tillverkningen av nyckeldroger lättare, inklusive ett antiviralt och ett ångestdämpande läkemedel.

"Ett sätt att se på deras arbete är som molekylärt snickeri, "sa John Lorsch, chef för National Institute of General Medical Sciences vid U.S. National Institutes of Health.

"De har hittat sätt att inte bara påskynda kemisk sammanfogning, " han sa, "men för att se till att det bara går i antingen höger- eller vänsterhänt riktning."

Förmågan att kontrollera orienteringen i vilken nya atomer läggs till molekyler är viktig. Underlåtenhet att göra det kan resultera i biverkningar i läkemedel, Nobelpanelen förklarade, citerar det katastrofala exemplet med talidomid, som orsakade svåra fosterskador hos barn.

• 
• 
• 
• 
• 
• 

Sedan forskarnas upptäckt, verktyget har förfinats ytterligare, gör det många gånger effektivare.

Peter Somfai, en annan ledamot i kommittén, betonade upptäcktens betydelse för världsekonomin.

"Det har uppskattats att katalys är ansvarig för cirka 35% av världens BNP, vilket är en ganska imponerande figur, " sa han. "Om vi ​​har ett mer miljövänligt alternativ, det förväntas att det kommer att göra skillnad."

NIH stödde Lists forskning med ett anslag 2002. MacMillans arbete har fått finansiering från NIH sedan 2000, för totalt cirka 14,5 miljoner dollar hittills.

"Det är ett bra exempel på att stödja grundvetenskap att du inte nödvändigtvis vet vart det ska ta vägen" men kan ha stor inverkan, sa Francis Collins, NIH-direktör.

Nobeln kommer med en guldmedalj och 10 miljoner svenska kronor, , eller mer än 1,14 miljoner dollar. Pengarna kommer från ett testamente lämnat av prisets skapare, Svenske uppfinnaren Alfred Nobel, som dog 1895.

Under de kommande dagarna, Nobelpris kommer att delas ut i litteratur, fred och ekonomi.

******

Nobelkommitténs pressmeddelande:Nobelpriset i kemi 2021

Kungliga Vetenskapsakademien har beslutat att tilldela Nobelpriset i kemi 2021 till

Benjamin Lista
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Tyskland

David W.C. MacMillan
Princeton Universitet, USA

"för utveckling av asymmetrisk organokatalys"

Ett genialt verktyg för att bygga molekyler

Att bygga molekyler är en svår konst. Benjamin List och David MacMillan tilldelas Nobelpriset i kemi 2021 för sin utveckling av ett exakt nytt verktyg för molekylär konstruktion:organokatalys. Detta har haft stor inverkan på läkemedelsforskningen, och har gjort kemin grönare.

Många forskningsområden och industrier är beroende av kemisters förmåga att konstruera molekyler som kan bilda elastiska och hållbara material, lagra energi i batterier eller hämma utvecklingen av sjukdomar. Detta arbete kräver katalysatorer, som är ämnen som styr och påskyndar kemiska reaktioner, utan att bli en del av slutprodukten. Till exempel, katalysatorer i bilar omvandlar giftiga ämnen i avgaserna till ofarliga molekyler. Våra kroppar innehåller också tusentals katalysatorer i form av enzymer, som mejslar ut de molekyler som behövs för livet.

Katalysatorer är alltså grundläggande verktyg för kemister, men forskare trodde länge att det fanns i princip, bara två typer av katalysatorer tillgängliga:metaller och enzymer. Benjamin List och David MacMillan tilldelas Nobelpriset i kemi 2021 eftersom de år 2000, oberoende av varandra, utvecklat en tredje typ av katalys. Det kallas asymmetrisk organokatalys och bygger på små organiska molekyler.

"Det här konceptet för katalys är lika enkelt som det är genialiskt, och faktum är att många människor har undrat varför vi inte tänkte på det tidigare, säger Johan Åqvist, som är ordförande i Nobelkommittén för kemi.

Organiska katalysatorer har ett stabilt ramverk av kolatomer, till vilka mer aktiva kemiska grupper kan fästa. Dessa innehåller ofta vanliga element som syre, kväve, svavel eller fosfor. Det betyder att dessa katalysatorer är både miljövänliga och billiga att tillverka.

Den snabba expansionen av användningen av organiska katalysatorer beror främst på deras förmåga att driva asymmetrisk katalys. När molekyler byggs, situationer uppstår ofta där två olika molekyler kan bildas, som – precis som våra händer – är varandras spegelbild. Kemister kommer ofta bara att vilja ha en av dessa, särskilt vid tillverkning av läkemedel.

Organokatalys har utvecklats med en häpnadsväckande hastighet sedan 2000. Benjamin List och David MacMillan är fortfarande ledande inom området, och har visat att organiska katalysatorer kan användas för att driva mängder av kemiska reaktioner. Med hjälp av dessa reaktioner, forskare kan nu mer effektivt konstruera allt från nya läkemedel till molekyler som kan fånga ljus i solceller. På det här sättet, organokatalysatorer ger den största fördelen för mänskligheten.

Populär information

Deras verktyg revolutionerade konstruktionen av molekyler

Kemister kan skapa nya molekyler genom att länka samman små kemiska byggstenar, men att kontrollera osynliga ämnen så att de binder på önskat sätt är svårt. Benjamin List och David MacMillan tilldelas Nobelpriset i kemi 2021 för sin utveckling av ett nytt och genialt verktyg för molekylbyggande:organokatalys. Dess användningsområden inkluderar forskning om nya läkemedel och det har också bidragit till att göra kemin grönare.

Många industrier och forskningsområden är beroende av kemisters förmåga att bygga nya och funktionella molekyler. Dessa kan vara allt från ämnen som fångar ljus i solceller eller lagrar energi i batterier, till molekyler som kan göra lätta löparskor eller hämma sjukdomsframsteg i kroppen.

Dock, om vi jämför naturens förmåga att bygga kemiska skapelser med våra egna, vi var länge fast i stenåldern. Evolution har producerat otroligt specifika verktyg, enzymer, för att konstruera de molekylära komplex som ger livet dess former, färger och funktioner. Initialt, när kemister isolerade dessa kemiska mästerverk, de bara tittade på dem i beundran. Hamrarna och mejslarna i sina egna verktygslådor för molekylär konstruktion var trubbiga och opålitliga, så de slutade ofta med massor av oönskade biprodukter när de kopierade naturens produkter.

Nya verktyg för finare kemi

Varje nytt verktyg som kemister har lagt till sin verktygslåda har ökat precisionen i sina molekylära konstruktioner. Sakta men säkert, kemin har utvecklats från mejsling i sten till något mer som fint hantverk. Detta har varit till stor nytta för mänskligheten och flera av dessa verktyg har belönats med Nobelpriset i kemi.

Upptäckten som tilldelas Nobelpriset i kemi 2021 har tagit molekylär konstruktion till en helt ny nivå. Det har inte bara gjort kemin grönare, men gjorde det också mycket lättare att producera asymmetriska molekyler. Under kemisk konstruktion uppstår ofta en situation där två molekyler kan bildas, som – precis som våra händer – är varandras spegelbild. Kemister vill ofta bara ha en av dessa spegelbilder, särskilt vid tillverkning av läkemedel, men det har varit svårt att hitta effektiva metoder för att göra detta. The concept developed by Benjamin List and David MacMillan – asymmetric organocatalysis – is as simple as it is brilliant. The fact is that many people have wondered why we didn't think of it earlier.

Why indeed? This is no easy question to answer, but before we even try we need to take a quick look back at history. We will define the terms catalysis and catalyst, and set the stage for the Nobel Prize in Chemistry 2021.

Catalysts accelerate chemical reactions

In the nineteenth century, when chemists began exploring the ways that different chemicals react with each other, they made some strange discoveries. Till exempel, if they put silver in a beaker with hydrogen peroxide (H2O2), the hydrogen peroxide suddenly began to break down into water (H2O) and oxygen (O2). But the silver – which started the process – did not seem affected by the reaction at all. Liknande, a substance obtained from sprouting grains could break down starch into glucose.

In 1835, the renowned Swedish chemist Jacob Berzelius started to see a pattern in this. In the Royal Swedish Academy of Sciences' annual report, describing the latest progress in physics and chemistry, he writes about a new "force" that can "generate chemical activity". He listed several examples in which just the presence of a substance started a chemical reaction, stating how this phenomenon appeared to be considerably more common than was previously thought. He believed that the substance had a catalytic force and called the phenomenon itself catalysis.

Catalysts produce plastic, perfume and flavoursome food

A great deal of water has run through chemists' pipettes since Berzelius' time. They have discovered a multitude of catalysts that can break down molecules or join them together. Thanks to these, they can now carve out the thousands of different substances we use in our everyday lives, såsom läkemedel, plastics, perfumes and food flavourings. The fact is, it is estimated that 35 per cent of the world's total GDP in some way involves chemical catalysis.

I princip, all catalysts discovered before the year 2000 belonged to one of two groups:they were either metals or enzymes. Metals are often excellent catalysts because they have a special ability to temporarily accommodate electrons or to provide them to other molecules during a chemical process. This helps loosen the bonds between the atoms in a molecule, so bonds that are otherwise strong can be broken and new ones can form.

Dock, one problem with some metal catalysts is that they are very sensitive to oxygen and water so, for these to work, they need an environment free of oxygen and moisture. This is difficult to achieve in large-scale industries. Också, many metal catalysts are heavy metals, which can be harmful to the environment.

Life's catalysts work with astounding precision

The second form of catalyst is comprised of the proteins known as enzymes. All living things have thousands of different enzymes that drive the chemical reactions necessary for life. Many enzymes are specialists in asymmetric catalysis and, i princip, always form one mirror image out of the two that are possible. They also work side by side; when one enzyme is finished with a reaction, another one takes over. På det här sättet, they can build complicated molecules with amazing precision, such as cholesterol, chlorophyll or the toxin called strychnine, which is one of the most complex molecules we know of (we will return to this).

Because enzymes are such efficient catalysts, researchers in the 1990s tried to develop new enzyme variants to drive the chemical reactions needed by humanity. One research group working on this was based at the Scripps Research Institute in southern California and was led by the late Carlos F. Barbas III. Benjamin List had a postdoctoral position in Barbas' research group when the brilliant idea that led to one of the discoveries behind this year's Nobel Prize in Chemistry was born.

Benjamin List thinks outside the box…

Benjamin List worked with catalytic antibodies. I vanliga fall, antibodies attach to foreign viruses or bacteria in our bodies, but the researchers at Scripps redesigned them so they could drive chemical reactions instead.

During his work with catalytic antibodies, Benjamin List started to think about how enzymes actually work. They are usually huge molecules that are built from hundreds of amino acids. In addition to these amino acids, a significant proportion of enzymes also have metals that help drive chemical processes. But – and this is the point – many enzymes catalyse chemical reactions without the help of metals. Istället, the reactions are driven by one or a few individual amino acids in the enzyme. Benjamin List's out-of-the-box question was:do amino acids have to be part of an enzyme in order to catalyse a chemical reaction? Or could a single amino acid, or other similar simple molecules, do the same job?

…with a revolutionary result

He knew that there was research from the early 1970s where an amino acid called proline had been used as a catalyst – but that was more than 25 years ago. Surely, if proline really had been an effective catalyst, someone would have continued working on it?

This is more or less what Benjamin List thought; he assumed that the reason why no one had continued studying the phenomenon was that it had not worked particularly well. Without any real expectations, he tested whether proline could catalyse an aldol reaction, in which carbon atoms from two different molecules are bonded together. It was a simple attempt that, amazingly, worked straight away.

Benjamin List staked out his future

With his experiments, Benjamin List not only demonstrated that proline is an efficient catalyst, but also that this amino acid can drive asymmetric catalysis. Of the two possible mirror images, it was much more common for one of them to form than the other.

Unlike the researchers who had previously tested proline as a catalyst, Benjamin List understood the enormous potential it could have. Compared to both metals and enzymes, proline is a dream tool for chemists. It is a very simple, cheap and environmentally-friendly molecule. When he published his discovery in February 2000, List described asymmetric catalysis with organic molecules as a new concept with many opportunities:"The design and screening of these catalysts is one of our future aims".

Dock, he was not alone in this. In a laboratory further north in California, David MacMillan was also working towards the same goal.

David MacMillan leaves sensitive metals behind…

Two years previously, David MacMillan had moved from Harvard to UC Berkeley. At Harvard he had worked on improving asymmetric catalysis using metals. This was an area which was attracting a lot of attention from researchers, but David MacMillan noted how the catalysts that were developed were rarely used in industry. He started to think about why, and assumed that the sensitive metals were quite simply too difficult and expensive to use. Achieving the oxygen-free and moisturefree conditions demanded by some metal catalysts is relatively simple in a laboratory, but conducting large-scale industrial manufacturing in such conditions is complicated.

His conclusion was that if the chemical tools he was developing were to be useful, he needed a rethink. Så, when he moved to Berkeley, he left the metals behind.

…and develops a simpler form of catalyst

Istället, David MacMillan started to design simple organic molecules which – just like metals – could temporarily provide or accommodate electrons. Here, we need to define what organic molecules are – in brief, these are the molecules that build all living things. They have a stable framework of carbon atoms. Active chemical groups are attached to this carbon framework, and they often contain oxygen, kväve, sulphur or phosphorus.

Organic molecules thus consist of simple and common elements but, depending on how they are put together, they can have complex properties. David MacMillan's knowledge of chemistry told him that for an organic molecule to catalyse the reaction he was interested in, it needed to be able to form an iminium ion. This contains a nitrogen atom, which has an inherent affinity for electrons.

He selected several organic molecules with the right properties, and then tested their ability to drive a Diels–Alder reaction, which chemists use to build rings of carbon atoms. Just as he had hoped and believed, it worked brilliantly. Some of the organic molecules were also excellent at asymmetric catalysis. Of two possible mirror images, one of them comprised more than 90 per cent of the product.

David MacMillan coins the term organocatalysis

When David MacMillan was ready to publish his results, he realised that the concept for catalysis he had discovered needed a name. The fact was that researchers had previously succeeded in catalysing chemical reactions using small organic molecules, but these were isolated examples and no one had realised that the method could be generalised.

David MacMillan wanted to find a term to describe the method so other researchers would understand that there were more organic catalysts to discover. His choice was organocatalysis.

In January 2000, just before Benjamin List published his discovery, David MacMillan submitted his manuscript for publication in a scientific journal. The introduction states:"Herein, we introduce a new strategy for organocatalysis that we expect will be amenable to a range of asymmetric transformations".

The use of organocatalysis has boomed

Independently of each other, Benjamin List and David MacMillan had discovered an entirely new concept for catalysis. Since 2000, developments in this area can almost be likened to a gold rush, in which List and MacMillan maintain leading positions. They have designed multitudes of cheap and stable organocatalysts, which can be used to drive a huge variety of chemical reactions.

Not only do organocatalysts often consist of simple molecules, in some cases – just like nature's enzymes – they can work on a conveyor belt. Tidigare, in chemical production processes it was necessary to isolate and purify each intermediate product, otherwise the volume of byproducts would be too great. This led to some of the substance being lost at every step of a chemical construction.

Organocatalysts are much more forgiving as, relatively often, several steps in a production process can be performed in an unbroken sequence. This is called a cascade reaction, which can considerably reduce waste in chemical manufacturing.

Strychnine synthesis now 7, 000 times more efficient

One example of how organocatalysis has led to more efficient molecular constructions is the synthesis of the natural, and astoundingly complex, strychnine molecule. Many people will recognise strychnine from books by Agatha Christie, queen of the murder mystery. Dock, for chemists, strychnine is like a Rubik's Cube:a challenge that you want to solve in as few steps as possible.

When strychnine was first synthesised, in 1952, it required 29 different chemical reactions and only 0.0009 per cent of the initial material formed strychnine. The rest was wasted.

Under 2011, researchers were able to use organocatalysis and a cascade reaction to build strychnine in just 12 steps, and the production process was 7, 000 times more efficient.

Organocatalysis is most important in pharmaceutical production

Organocatalysis has had a significant impact on pharmaceutical research, which frequently requires asymmetric catalysis. Until chemists could conduct asymmetric catalysis, many pharmaceuticals contained both mirror images of a molecule; one of these was active, while the other could sometimes have unwanted effects. A catastrophic example of this was the thalidomide scandal in the 1960s, in which one mirror image of the thalidomide pharmaceutical caused serious deformities in thousands of developing human embryos.

Using organocatalysis, researchers can now make large volumes of different asymmetric molecules relatively simply. Till exempel, they can artificially produce potentially curative substances that can otherwise only be isolated in small amounts from rare plants or deep-sea organisms.

At pharmaceutical companies, the method is also used to streamline the production of existing pharmaceuticals. Examples of this include paroxetine, which is used to treat anxiety and depression, and the antiviral medication oseltamivir, which is used to treat respiratory infections.

Simple ideas are often the most difficult to imagine

It is possible to list thousands of examples of how organocatalysis is used – but why did no one come up with this simple, green and cheap concept for asymmetric catalysis earlier? This question has many answers. One is that the simple ideas are often the most difficult to imagine. Our view is obscured by strong preconceptions about how the world should work, such as the idea that only metals or enzymes can drive chemical reactions. Benjamin List and David MacMillan succeeded in seeing past these preconceptions to find an ingenious solution to a problem with which chemists had struggled for decades. Organocatalysts are thus bringing – right now – the greatest benefit to humankind.

© 2021 The Associated Press. Alla rättigheter förbehållna. This material may not be published, broadcast, rewritten or redistributed without permission.