Научный комитет Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» присудил премию 2025 года в номинации «Открытие» за изобретение реакции, определившей клик-химию и преобразившей молекулярные науки и химию живых систем профессору Валерию Фокину (Университет Южной Калифорнии, США).
Валерий Валерьевич Фокин родился 31 мая 1971 года. В 1993 году он окончил химический факультет Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского, а также получил степень бакалавра в Колледже Кальвина (сейчас – Университет Кальвина, Мичиган, США), куда поехал учиться на пятом курсе по программе обмена. В 1998 году в Университете Южной Калифорнии получил степень PhD по химии, после чего остался в США. В настоящее время он является профессором и директором Центра биомолекулярных исследований Университета Южной Калифорнии (США).
Что такое клик-химия?
Саму идею клик-химии выдвинул профессор Института Скриппс Барри Шарплесс, сейчас – один из двух в истории дважды нобелевский лауреатов по химии.
Комбинаторная химия в 1990-е годы вызывала большой интерес, особенно для разработки лекарств. Были синтезированы большие коллекции соединений, также известные как «комбинаторные библиотеки», которые затем тестировались на биоактивность.
Шарплесс подумал, что эффективное производство таких коллекций соединений значительно выиграет от более «упрощенного» процесса синтеза, когда каждое соединение может быть получено с использованием ограниченного набора надежных и эффективных реакций.
Вместо того, чтобы полагаться на множество возможных методов, каждый - со своими специфическими областями применения и ограничениями, он предположил, что многие востребованные в фармакологии структуры можно будет «собирать» с помощью более общих, надежных и – что важно – высоковыходных реакций.
В 2001 году, когда Шарплесс получил свою первую Нобелевскую премию за хиральный катализ, у него вышла статья Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions, которую Шарплесс выпустил с соавторами – Хармутом Кольбом и М.Г. Финном (он даже в аннотации авторов М.Г., без расшифровки), в которой и формулировалась такая концепция клик-химии.
Однако изобретение «главной» клик-реакции бывшим сотрудником Шарплесса Валерием Фокиным и ее дальнейшее развитие де-факто переписало концепцию клик-химии в ее реальном применении.Почему «клик»?
В формулировке Шарплесса клик-химия представляла собой набор реакций, которыми надежно, как в конструкторе с «защелками», из небольшого набора реакций вы можете собирать любые сложные молекулы. Некоторые такие реакции были известны очень давно: например, реакция Дильса-Альдера, циклоприсоединение 1,3-диенов к двойной связи идет почти всегда, надежно и позволяет «собирать» различные шестичленные циклы. Авторы реакции, Отто Дильс и Курт Альдер, в 1950 году были удостоены Нобелевской премии по химии.
Реакция Дильса-Альдера
Идеологически «Дильс-Альдер» очень близок к первоначальной концепции клик-химии, которая, однако, не сработала. До сих пор, через четверть века после формулировки Шарплеса-Кольба-Финна, не существует некоего универсального набора реакций, который бы позволял быстро «собирать» молекулы, равно как и не существует универсального метода функционализации сложных молекул (способа, позволяющего заменить в произвольном месте сложной органической молекуле, например, группу -OH на -СH3, а -CH3 на -С2H5 или -Cl).
Однако изобретение Валерия Фокина (о котором чуть позже), с одной стороны, спасло саму концепцию, а с другой стороны, переопределило её.
Лучше всего понимание того, почему клик-химия названа так, дает сам лауреат в интервью журналу «Химия и жизнь»:
«Представьте себе популярную застежку фастекс, которую используют на рюкзаках. Она будет застегиваться всегда: в тепле, на снегу, на суше, под водой. И скреплять будет что угодно: клапан рюкзака, ремень сумки, брелок на телефоне. Собственно, слово «клик» появилось в названии именно по аналогии со звуком защелки, — говорит Валерий Фокин. — Теперь уменьшим нашу застежку до размеров молекулы. Защелка и пряжка будут химическими соединениями, как, например, азид и алкин. Они друг друга не замечают, пока не добавлена медь. И вот тогда они моментально защелкиваются, образуя замок из пяти атомов».
То есть в лице клик-химии вместо метода-конструктора, позволяющего собрать любую молекулу, химия, медицина и науки о жизни получили надежную молекулярную застежку, которая позволяет соединять совершенно разные фрагменты молекул. Что же это за застежка? Ей оказалась реакция, открытая еще в XIX веке, но изобретенная заново Валерием Фокиным (лауреат настаивает, что это было именно изобретение, а не открытие).
Клик-химия как застежка
Главная реакция клик-химии, или что сделал лауреат?
Сама реакция, о которой пойдет речь как оказалось, была открыта ещё в 1893 году американским химиком Артуром Михаэлем. Это – реакция присоединения между азидами и алкинами с образованием 1,2,3-триазолов. В 1960-году Рольф Хьюсген детально исследовал азид-алкиновое присоединение, за что реакция получила его имя.
Азид-алкиновое циклоприсоединение по Хьюсгену – требует продолжительного времени и повышенной температуры
Однако эта реакция требовала нагревания, шла достаточно капризно и долго: у её первооткрывателей для синтеза требовалась температура около 100 градусов Цельсия и почти сутки нагрева (18 часов).
В 2002 году с разницей в несколько недель вышло две независимые статьи: Мортена Мёльдаля и Валерия Фокина, которые показали, что азид-алкиновое циклоприсоединение может катализироваться одновалентной медью. Однако Мёльдаль работал напрямую с медью (I), а реакцию проводил в смолах – в твердой фазе. Работа Фокина была совсем иной. Гениальная догадка – реакцию можно проводить, получая Cu (I) in situ. Достаточно взять немного медного купороса и… обыкновенную аскорбинку. Да, для реакции Фокин просто взял порошок аскорбиновой кислоты, который пил сам.
Оказалось, что катализируемое медью азид-алкиновое циклоприсоединение (CuAAC) полностью удовлетворяет всем условиям «реакция для клик-химии». Идет всегда и везде, с почти идеальным выходом, и только в присутствии двух этих компонентов – ионы меди (II) и аскорбиновая кислота. В руках химиков, медиков, фармакологов, генетиков и биологов оказался инструмент, который позволял не только получать триазолы, но и «сшивать» фрагменты различных биомолекул. Однако Нобелевскую премию 2022 года получили Барри Шарплесс (соавтор Фокина по статье, но всегда подчеркивавший, что CuAAC – «на 100% - творение Фокина единолично»), Мортен Мёльдаль и Каролин Бертоцци, создавшая вариант азид-алкинового циклоприсоединения, катализируемого напряжением – для этого нужен напряженный циклоалкин, например, циклооктин. Каролин стала первым ученым, указавшим на особую интертность, «биоортогональность» органических азидов.
Тем не менее практика и время показали, что из всех «клик-реакций» действительно «кликабельной» оказалась CuAAC Валерия Фокина.
Практические приложения CuACC
В органической химии CuACC стала самой главной реакцией синтеза триазолов: с 2001 по 2025 год в химической литературе описано более 27 тысяч синтезов с образованием триазольного цикла, из которых 25 тысяч было синтезировано при помощи реакции азид-алкинового присоединения, катализируемого медью в присутствии аскорбиновой кислоты.
Способность CuACC «пришивать» функциональные фрагменты молекул – терапевтические агенты, флуоресцентные маркеры и так далее – к нужным участкам живой клетки начала активно использоваться в науках о жизни. Например, в 2008 году метод был использован для визуализации процесса синтеза ДНК – без использования радиоактивных меток или антител и без денатурации ДНК, а в 2010 году СuACC использовался для того, чтобы in situ визуализировать синтез белка в живых нейронах.
Одно из важных практических применений CuACC, спасающее тысячи жизней ежегодно – препарат «Троделви» (фармакологическое наименование – сацитузумаб говитекан), коньюгат моноклонального антитела для лечения трижды негативного рака молочной железы.
Схема «привеска» к антителу в молекуле препарата Троделви. Автор: Алексей Паевский, Syed, Y.Y. Sacituzumab Govitecan: First Approval. Drugs 80, 1019–1025 (2020).
Этот сложный препарат состоит из антитела, которое избирательно связывается с кальциевым каналом, в огромных количествах появляющегося именно в опухолевых клетках. На это антитело «навешены» целых семь активных метаболитов химиотерапевтического препарата иринотекана, которые действуют в тысячу раз сильнее самого препарата. Антитело «привозит» эти молекулы строго в клетки опухоли и «сбрасывает» их при помощи гидролиза мостиков, которым химиотерапевтические агенты привязаны к антителу. А «защелка», крепящая семь противоопухолевых «бомб» к антителу – это реакция алкин-азидного присоединения, изобретенная Фокиным.
Выражаясь метафорически, если химиотерапия – это ковровая бомбардировка, наносящая вред всему организму – и только чуть больший самой опухоли, то созданный при помощи метода CuACC препарат – это высокоточное оружие. Выручка от продажи препарата сейчас уже превышает миллиард долларов в год.
Еще одно применение метода, используемое ежедневно – это секвенирование (установление порядков нуклеотидов) ДНК или РНК. Один из новых методов секвенирования использует клик-реакцию для «прочтения» генетического кода.
ClickSeq – это метод секвенирования РНК, который использует биоконъюгацию в качестве альтернативы фрагментации на этапе подготовки библиотеки, что позволяет снизить частоту ошибок по сравнению со стандартными методами секвенирования. Метод коммерциализован и используется в стандартных секвенаторах.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
