Создать главу в химической науке

Из предыдущего раздела вы узнали, как возник новый раздел в химической науке – клик-химия (click-chemistry), но это не единственный пример того, как «увенчанный лаврами» ученый добивается очередного успеха.

Французский химик Жан-Мари Лен (рис. 6.10) получил прекрасную научную подготовку. Защитив в Страсбургском университете диссертацию (1963), он год стажировался в лаборатории Р.Б. Вудворда (нобелевский лауреат 1965 г.) в Гарвардском университете, где принял участие в выдающемся предприятии Вудворда – знаменитом синтезе витамина В₁₂.

Кроме того, он прослушал курс квантовой химии и выполнил первые вычисления под руководством Р. Хоффмана (лауреат Нобелевской премии 1981 г.). Можно сказать, что два нобелевских лауреата подготовили нового будущего обладателя этой премии.

Солидный багаж приобретенных знаний сделал Лена специалистом, который мог сочетать знание органической и квантовой химии и физических методов исследования. Предстояло лишь найти точку приложения накопленного научного потенциала.

Емкости для ионов

Лен заинтересовался процессами, происходящими в нервной системе, связанными с транспортом ионов натрия и калия через клеточную мембрану. Он решил синтезировать химические вещества, которые могли бы воздействовать на процессы переноса ионов. Поиски привели к созданию криптандов (от греческого слова, означающего «скрытый», этот же корень слова использован в названии криптона). Криптанды представляют собой по существу объемные краун-эфиры, собранные из мостиков -СН₂-СН₂-О-СН₂-СН₂– с атомами азота в узловых точках. Они способны избирательно связывать ионы металлов, захватывая их во внутреннюю полость молекулы и удерживая за счет полярных взаимодействий (на рис. 6.11 слева показана шарострежневая модель, справа – структурная формула криптанда).

Объединив свои исследования с результатами, полученными другими авторами при изучении краун-эфиров, Лен сформулировал новое направление в химии, названное им супрамолекулярной химией. Если обычная химия изучает реакции, при которых происходит разрыв и образование валентных связей, то супрамолекулярная химия рассматривает невалентные взаимодействия – водородные связи, полярные взаимодействия, гидрофобные силы и др., т. е. структуры, образованные без химических связей. В 1987 г. исследования Лена были отмечены Нобелевской премией (совместно с Д. Крамом и Ч. Педерсеном).

Современная супрамолекулярная химия – это обширная область, которая решает множество различных прикладных задач: разделение и очистку органических веществ, создание лекарственных препаратов нового поколения и др.

Не каждому ученому выпадает честь создать новое научное направление, в последующем развитии которого принимают участие сотни химиков разных стран. Тем не менее Лен сумел «отойти в сторону» от возникшего мощного потока исследований и найти новую научную магистраль.

Пожмем друг другу руки

Поскольку далее мы будем использовать термин «комбинаторика», знакомый из школьных уроков математики, попробуем решить простую задачу из этой области. Встретилась группа друзей, и каждый обменялся рукопожатием со всеми присутствующими. Сколько всего было рукопожатий? Естественно, ответ зависит от того, сколько в группе было человек. Комбинаторика предлагает широко известную общую формулу для количества сочетаний: C_n^k = n!/k!(n – k)! где n – количество участников, а k – размер объединенной группы (в нашем случае рукопожатие объединяет людей в группу из двух элементов, т. е. k = 2). На примере этой задачи легко убедиться, что не всегда следует проводить вычисления по формуле. Если в группе два человека, то вы без всяких вычислений скажете, что рукопожатие было только одно. Точно так же вы сразу мысленно найдете правильный ответ для трех человек – три рукопожатия. А если четыре человека? Почему-то многие сразу говорят, что четыре рукопожатия, большинство так сразу и отвечает (проверьте это на своих знакомых), но это неправильный ответ. Самое интересное, что для получения правильного ответа не требуется проводить расчеты по формуле. Для четырех человек задачу легко решить в уме, представив себе квадрат, у которого надо пересчитать все стороны и диагонали. Как только вы мысленно представите себе такой квадрат, сразу найдете правильный ответ – шесть рукопожатий. В случае пяти человек мысленно найти ответ непросто, зато можно легко нарисовать пятиугольник, провести и пересчитать в нем все диагонали и прибавить число сторон, ответ будет очевиден – десять рукопожатий, вновь обошлись без вычислений (рис. 6.12).

При переходе к шести участникам все же проще, пожалуй, воспользоваться формулой. Итак, в каждом конкретном случае можно выбирать оптимальный путь, быстро приводящий к успеху.

Еще одна новая химия

Цель многих биохимических опытов – из множества возможных веществ найти самое эффективное. Например, требуется определить, какое соединение из большой группы намеченных для исследования окажется самым результативным для связывания некоего фермента – биологического катализатора (рис. 6.13). Традиционная методика выглядит следующим образом: изучаемый фермент помещают в блок из 10–12 пипеток и добавляют в дозированном количестве к десяткам или сотням изучаемых реагентов – предполагаемых блокаторов, чаще их называют ингибиторами. Эти реагенты, как правило, представляют собой группу близких по строению соединений.

В середине 1990-х гг. Жан-Мари Лен предложил необычный подход к подобным исследованиям: вместо 100 экспериментов при поиске соединений, блокирующих фермент, можно обойтись всего 20 опытами и получить надежный результат, т. е. выяснить, какое соединение из намеченных 100 блокирует фермент наиболее эффективно. Для этого надо использовать не сами ингибиторы, а взять их «предшественников» – реагенты, из которых их синтезируют. Основное требование состоит в том, что «предшественники» должны обратимо реагировать между собой в процессе синтеза ингибитора.

Обратимость очень важна, поскольку такие реакции обладают одним замечательным свойством. Если при проведении этой реакции один из продуктов удаляется из сферы реакции (например, связывается с каким-либо специально введенным реагентом), то система сдвигается в сторону образования именно этого продукта, чтобы восполнить его убыль. Как сказал в свое время древнегреческий философ Аристотель: «Природа не терпит пустоты».

Пример обратимой реакции – синтез иминов – соединений, содержащих группировку – N=CH–, они получаются из аминов и альдегидов, сдвоенная стрелка в схеме показывает, что реакция обратима (рис. 6.14).

Если вы прочли предыдущие главы, то должны мысленно воскликнуть: «Опять эти имины!» Да, это те самые имины, которые помогли получить борромеевы кольца и печать Соломона.

Итак, допустим, что у нас имеется десять аминов, различающихся группой R, и десять альдегидов с различными органическими группами. Из этого набора мы можем получить 100 различных иминов, а далее проверить, насколько эффективно каждый из них связывает фермент. Таким образом, нам потребуется 100 пробирок, в каждую из которых мы поместим по одному имину и будем добавлять туда порции фермента: например, с помощью удобной «многозубой» пипетки, показанной ранее. В результате экономится время и соблюдается нужная точность. Все это называют комбинаторной химией.

Лен предложил поставить эксперимент принципиально иначе – не готовить заранее имины, а смешать в первой пробирке десять аминов и первый из десяти намеченных альдегидов. В реакционной смеси при этом образуются десять иминов, которые будут находиться в равновесии с исходными веществами. Во второй пробирке необходимо смешать все десять аминов и второй альдегид и т. д. Затем в каждой из десяти (по числу альдегидов) пробирок проводят взаимодействие с ферментом и определяют, в какой из полученных смесей фермент заметнее всего потерял активность, т. е. блокировался. Поскольку в каждом опыте присутствует смесь продуктов, органическую группу у азота обобщенно обозначим R_*. Показанная на рис. 6.15 схема опытов напоминает поиск наилучшего рыболовного крючка, где роль рыбки играет связывающий фермент.

Таким образом, с помощью 10 опытов можно обнаружить самый эффективный из 10 альдегидов. Обозначим его R^#CH=O.

Далее следует найти наиболее результативный амин, для этого проведем взаимодействие найденного нами «лучшего» альдегида с каждым из аминов в отдельности (рис. 6.16).

В итоге мы получим 10 иминов, для каждого проверим силу связывания с ферментом. В результате выясним, какая пара амин – альдегид является оптимальной, для чего нам потребовалось всего 20 опытов.

Повторим кратко: методика поиска нужной пары такова – вначале смесь аминов взаимодействует по очереди с каждым альдегидом, что позволяет найти «лучший» альдегид, а затем его смешивают по очереди с каждым амином и находят «лучший» амин.

Теоретически можно было бы обойтись всего одним опытом: смешать все амины и все альдегиды в одной пробирке, добавить фермент, а затем посмотреть, для какого амина и альдегида более всего снизилась концентрация (они ведь более всего израсходуются на связывание с ферментом). Однако пока даже самые современные сверхчувствительные спектральные методы не позволяют провести точный анализ столь сложной смеси.

Ранее мы сравнили эту процедуру с поиском наилучшего рыболовного крючка, но, пожалуй, более точной будет другая аналогия: берут много заготовок для ключей (набор аминов и альдегидов), из которых получается несколько ключей (иминов). Роль замка играет фермент, который сам находит подходящий ключ. Находясь в равновесной смеси, фермент направляет синтез иминов, отбирая наиболее эффективный ингибитор (рис. 6.17).

Нельзя не оценить смелость и своеобразие подхода, предложенного Леном. В традиционной химии синтетик, планируя взаимодействие соединений, вначале всегда тщательно их очищает, а затем в процессе синтеза старается исключить присутствие посторонних веществ. Взамен этого Лен предложил проводить реакции сразу со смесью веществ.

Поскольку работу с «многозубой» пипеткой называют комбинаторной химией, Лен назвал предложенный им новый подход динамической комбинаторной химией, а набор иминов, возникающих в реакционной смеси, динамической комбинаторной библиотекой. Это несколько необычная библиотека, в ней объекты возникают только в процессе синтеза и представляют собой смесь продуктов реакции. Эффективность нового метода Лену удалось показать при поиске ингибитора для фермента карбоангидразы (это фермент, контролирующий превращения СО₂ в организме). При проведении эксперимента Лен взял свыше десяти аминов и альдегидов в качестве исходных соединений. На рисунке 6.18 для простоты показан набор, состоящий всего из трех аминов и трех альдегидов, из них могут быть получены девять иминов. Фермент «сам нашел» в этой смеси наиболее активный ингибитор (в рамке).

Следом за Леном биохимики многих лабораторий стали активно использовать новую химию. Были найдены другие обратимые реакции, пригодные для создания динамических комбинаторных библиотек. Это позволило найти ингибиторы для широкого набора белков, что легло в основу создания новых лекарственных препаратов.