Олександр Григоренко: «Сьогодні майже будь-який процес виробництва ліків включає каталітичні реакції»

Нобелівську премію з хімії за 2021 рік присудили німцю Беньяміну Лісту, одному з директорів Інституту дослідження вуглецю імені Макса Планка, та шотландцю за походженням Девіду Макміллану, професору Принстонського університету, за розробку асиметричного органокаталізу.

Українські хіміки добре знайомі з цією порівняно новою галуззю й активно в ній працюють. Троє з них, професор кафедри органічної хімії Київського національного університету Олександр Григоренко, директор Інституту високих технологій КНУ Ігор Комаров та колишній аспірант КНУ Андрій Тимцунік, написали з Лістом наукову статтю за цією темою. Тиждень поговорив з Олександром Григоренком про асиметричний органокаталіз, розвиток хімічної науки в Україні та співпрацю хіміків із наукомістким бізнесом.

Що таке каталізатори?

— Це речовини, що прискорюють хімічні реакції, перетворення. Самі собою вони участі в реакціях не беруть, та суттєво впливають на швидкість процесу. Досить часто спостерігається велика кількість конкурентних реакцій, і пришвидшення певної з них може ще й покращувати результативність процесу. Тому розробка каталізаторів — важливе завдання та широка галузь хімії.

Чи є приклади продуктів, утворених за допомогою каталітичних реакцій, з якими люди зіштовхуються постійно?

— Насамперед те, що робиться у фармацевтичній галузі. Сьогодні майже будь-який процес виробництва лікарських засобів, особливо нових, хоч десь включає каталітичні реакції. Загалом одну з перших Нобелівських премій із хімії видали саме за каталітичну реакцію Габера-Боша, що стосується синтезу аміаку, який входить до складу мінеральних добрив. Вона є прикладом металокаталізу — реакція відбувається за участі заліза або платини. Загалом виділяється три типи каталітичних реакцій: металокаталіз, біокаталіз, де використовують біологічні молекули, білки, ферменти, і третій, за який і дали Нобелівську премію цього року, — органокаталіз. Порівняно нова галузь, де як каталізатори використовують органічні молекули.

Читайте також: Фізика, хімія й Перша світова

У чому різниця між цими реакціями, які переваги та недоліки?

— Металокаталіз, мабуть, найстаріший — кінець ХІХ — початок ХХ століття. Такі реакції вирізняються значною ефективністю, потребують небагато каталізатора, але проблемою є те, що метали, як правило, більш шкідливі для довкілля та нерідко токсичні для людей. Деякі з них дорогі — як-от платинові метали. Біокаталіз теж ефективний, та проблемою є ціна: каталізатори — це складні білкові молекули, розробка яких дорогі. В органокаталізі далеко не завжди є хороші приклади ефективності, бо це нова галузь, хоча от ті реакції, за які дали цьогорічну Нобелівську премію, — дуже ефективні. Органічні сполуки, як правило, дешеві та безпечні для людей і довкілля. У роботах Бенджаміна Ліста взагалі йдеться про використання природних амінокислот, які просто зустрічаються в природі, вони не шкідливі.

Що таке органічні сполуки та чому їх вирізняють?

— Органічні сполуки, за визначенням, у своєму складі містять вуглець, або, як правильно за новою українською номенклатурою, — карбон. Історично, ще в ХІХ столітті, так називали речовини, що походять із живих організмів. Та потім від цієї класифікації відмовилися. Наразі так називають майже будь-які похідні карбону. Він особливий елемент через те, що дає велике різноманіття сполук. Цим займається окрема галузь — органічна хімія. Така кількість пов’язана з властивостями елемента. Він порівняно легко віддає електрони під час утворення зв’язків, а також легко приймає їх. У нього порівняно велика валентність — чотири, завдяки чому можлива велика кількість зв’язків. І він може вступати у зв’язок майже з кожним елементом. Окрім того, утворює сполуки із самим собою — атоми карбону об’єднуються в різноманітні ланцюги, цикли, набувають безліч форм, які до того ж стійкі.

Лісту та Макміллану дали премію саме за асиметричний органокаталіз. Що означає термін «асиметричний» у контексті каталізу?

— Він стосується всіх трьох різновидів каталізу. В асиметричному каталізі утворюється одна з двох форм молекул, які можуть існувати в асиметричному вигляді. Є велика кількість органічних молекул, що мають цікаву властивість: не збігаються зі своїм дзеркальним відбиттям. Вони асиметричні. Як ліва та права рука — вони схожі, та все ж повністю не збігаються. Їх, власне, і називають хіральними молекулами, від давньогрецького «хірос» — «рука». У багатьох процесах, перш за все в біологічних, ця різниця визначальна, оскільки наші організми також складаються з хіральних молекул. Наприклад, майже всі природні амінокислоти є фактично «лівими» амінокислотами. Це встановлюється за їхніми оптичними властивостями. «Правих» амінокислот у природі майже немає. Тому організм легко відрізняє «дзеркальні» молекули, і їхній вплив може бути різним.
Асиметричний синтез дає змогу одержувати переважно чи повністю одну з двох хіральних форм молекули: або «ліву», або «праву». Це важливо насамперед для фармпрепаратів, адже одна з форм препарату може бути сприятливою, лікувати певну хворобу, а інша — небезпечною. У 1960-х роках відбулася відома історія в США, що стосувалася заспокійливого засобу талідоміду, який якраз існує у двох дзеркальних формах. Одна з них була безпечною, показувала заспокійливі властивості, а інша проявляла тератогенний ефект — дуже небезпечний, який у вагітних впливає на розвиток плоду. Через це багато дітей народилося із фізичними вадами. Ця історія підвищила увагу в фармацевтичній галузі до хіральних молекул, дала поштовх до розвитку асиметричного синтезу.

У чому полягала суть досліджень Беньяміна Ліста та Девіда Макміллана?

— Обидва розробили ідею органокаталізу, незалежно один від одного. Кожен опублікував першу роботу за темою у 2000 році, ідея в них була однакова, та молекули — різні. Ідея — використати органічну молекулу, щоб синтезувати органічні речовини з високим ступенем асиметричності. До того були поодинокі роботи щодо органокаталізу. Наприклад, Ліст використовував як каталізатор амінокислоту пролін, та ще в 1970-х роках був приклад подібної роботи. Проте тоді автори не зрозуміли, як із цього зробити загальну концепцію органокаталізу. Просто знайшли деякий результат і на цьому зупинилися. А Ліст і Макміллан, а потім інші дослідники, створили окрему галузь у каталітичній науці.

У 2013 році ви з колегами опублікували спільну роботу з Беньяміном Лістом. Можете розказати про її суть?

— Ще у 2000-х роках Ігор Володимирович Комаров, на той момент мій науковий керівник, займався асиметричним металокаталізом. Розробляв металовмісні каталізатори для асиметричного синтезу. Коли я вже долучився до роботи, ми відійшли від цієї галузі в бік синтезу неприродних амінокислот. Це амінокислоти, що не зустрічаються в природі та є схожими аналогами тих, які зустрічаються. Зокрема, у наших роботах ми сфокусувалися на аналогах амінокислоти проліну. Вона унікальна тим, що містить циклічну структуру в своїй будові. Потім уже ми розширили дослідження й на інші аналоги. У них може бути широке коло використання. По-перше, можна вводити їх у лікарські засоби, у яких є елементи природних амінокислот, що може покращити їхню біологічну активність. Є вже такий приклад від фармкомпанії Gilead, яка паралельно створила ту ж амінокислоту, що ми розробили, і ввела її в препарат проти гепатиту С. Інший напрям — органокаталіз, вони можуть покращувати асиметричність в деяких процесах.

Читайте також: Ядерна зброя в руках російських вождів

Ось це нас і зацікавило тоді. І в цей період наших наукових інтересів, на початку 2010-х років, на одній конференції Ігор Комаров перетнувся з Беном Лістом. Побачили результати один одного та вирішили спробувати наші амінокислоти як органокаталізатори. Ось так і виникла ця ідея співробітництва. Ми зробили деяку кількість амінокислот, надіслали Бену в його лабораторію, там їх дослідили в певних реакціях, і виявилося, що вони спрацювали краще, ніж той же природний пролін. Це вилилося в оту нашу спільну роботу. Це була єдина, проте успішна, співпраця. Іноді, коли ЗМІ висвітлювали цей наш результат, то писали, що ми стали співавторами Нобелівського лауреата, що заплутувало людей — думаю, намагалися якийсь «хайп» роздути.

Після цього наші шляхи розійшлися. Я зараз займаюся створенням будівельних блоків — органічних сполук, які потенційно можуть бути частинами майбутніх лікарських засобів. У цьому напрямі ми активно співпрацюємо з компанією «Єнамін», тому що це має великий комерційний інтерес. Ігор Володимирович зараз звернувся до хімії складніших молекул — пептидів. Один із важливих напрямів його роботи — пептиди, що фотоперемикаються, у яких можна регулювати біологічну активність за допомогою світла.

У який спосіб ви як науковець співпрацюєте з наукомістким бізнесом?

— Я науковий консультант компанії «Єнамін» — це українська хімічна компанія, що виробляє органічні молекули. Насамперед — для фармацевтики. У цій галузі вона — один зі світових лідерів. Для студентів та аспірантів пропонує різноманітні види стажування та практики. Є договори з НАНУ, з КНУ. Ми отримуємо можливість реалізувати наукові ідеї з використанням обладнання компанії. З іншого боку, я сам дивлюся, що вони роблять, і отримую ідеї для своїх досліджень.

Читайте також: Псевдонаука в СРСР

У США та багатьох країнах ЄС бізнес часто фінансує наукові дослідження. Чи поширена така практика в Україні у вашій галузі?

— У нас така взаємодія ще в зародковому стані. Та вона явно поширюється: цьогоріч компанія «Єнамін» започаткувала стипендії для вчителів хімії в школах. Пов’язаний із компанією благодійний фонд профінансував видання мого підручника з органічної хімії. Навіть у можливості доступу до наукового обладнання ми відчуваємо сильну підтримку — можемо виконувати роботу на світовому рівні. Колеги з інших кафедр хімічного факультету співпрацюють з іншими компаніями, наприклад, фармацевтичним «Фармаком» — у них є спільні освітні проєкти, стажування.

Як зараз розвиваються академічні хімічні дослідження в Україні?

— Сьогодні є декілька варіантів того, як робити дуже серйозні дослідження. Перший — намагатися взаємодіяти з бізнесом в Україні. Та модель, яку я сам сповідую. Другий — тісно співпрацювати із закордонними колегами. У хімії обидві моделі поширені. Також плоди дає допомога від Національного фонду досліджень, Міністерства освіти та науки України, проте поки що це виконує допоміжну функцію. Я думаю, вага НФД підвищиться, коли система «устаканиться», він усе ж таки новий інструмент. 

———–

Олександр Григоренко (народився 1982 року в місті Броди Львівської області) — український хімік, професор кафедри органічної хімії Хімічного факультету КНУ імені Тараса Шевченка. Кандидатську дисертацію, присвячену аналогам амінокислоти проліну, захистив 2007 року. У 2019 році здобув ступінь доктора хімічних наук. Сфера наукових інтересів — медична та органічна хімія, неприродні амінокислоти, будівельні блоки для створення лікарських засобів.