דיוויד וו. ס. מקמילן ובנג'מין ליסט, זוכי פרס נובל לכימיה לשנת 2021 / צילום: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
פרס נובל לכימיה לשנת 2021 ניתן לבנג'מין ליסט ממכון מקס פלנק לחקר הפחם בגרמניה ודיוויד מקמילן מאוניברסיטת פרינסטון בארה"ב, עבור פיתוח של כלים חדשים לסינתזה (יצור) של מולקולות. הכלי, שנקרא אורגנו-קטליזה אסימטרית, השפיע מאוד על מחקר בתחום התרופות ואפשר תהליכי יצור נקיים וירוקים יותר בעולם הכימיה, כך מסרה ועדת הפרס.
תהליך יצור של מולקולות כימיות נחשב לעניין מורכב מאוד בשל הדרישות הרבות מן המולקולה וגם מן התהליך עצמו: שלא יהיה יקר, תובעני באנרגיה, שלא ייצר חום או קור מופרזים, ולא יזהם, ושתתקבל כמות סבירה של המוצר הסופי. קטליזטורים (בעברית, זרזים) הם חומרים אשר מאיצים או משמשים לבקרה על תהליכים כימיים אך אינם חלק מן המוצר הסופי. למשל, קטליזטורים במנוע של רכב הופכים את תוצרי הלוואי של הבערה לכאלה שניתן לפלוט החוצה באופן יחסית פחות מזיק. גם גוף האדם מכיל אלפי קטליזטורים, שמנהלים את התהליכים הכימיים שמאפשרים לגוף לפעול ולחיות.
בעבר, היה נהוג להשתמש בשתי קטגוריות עיקריות של זרזים: מתכות או אנזימים. ב-2000, ליסט ומקמילן, כל אחד בנפרד, פיתחו סוג חדש של זרז, המבוסס על מולקולות אורגניות קטנות. לדברי ועדת הפרס, הרעיון היה כל כך פשוט וגאוני, שתעשיית הכימיה לא הבינה איך הסתדרה בלעדיו בעבר. הזרזים החדשים הם זולים וידידותיים לסביבה.
זאת ועוד, הם יכולים לאפשר יצור של מולקולות א-סימטריות. הכוונה היא שלפעמים בתהליך כימי, אנחנו יכולים לקבל שתי מולקולות מעט שונות, שנראות כמו תמונות מראה זו של זו. לעיתים קרובות, מי שבונה את תהליך היצור רוצה רק את אחת מן המולקולות האלה. זה נכון במיוחד בתהליכי יצור תרופות. למשל, הפגיעה של מולקולת התלידומיד שיצרה עיוותים בעוברים של נשים שנטלו את התרופה בהריון, נבעה מכך שחלק מן המולקולות התהפכו. קשה ליצור רק אחת מהן בתהליך סינתזה כימית רגיל אולם, בקטליזה אורגנית שפיתחו ליסט ומקמילן, זה אפשרי.
"לפעמים דווקא את הרעיונות הפשוטים, הכי קשה לדמיין"
ליסט הגיע לרעיון שלו כאשר עבד עם אנזימים קלאסיים, הבנויים ממאות חומצות אמינו ואטומי מתכת. הוא שם לב שרק חלק קטן מן האנזים כולו משמש בעצם ליצירת התגובה הכימית הרצויה. בעצם, רק כמה חומצות אמינו מעורבות בכל ישירות. הוא שאל את עצמו - האם חומצות האמינו האלה באמת חייבות להיות חלק מאנזים גדול כדי ליצור את התגובה הרצויה? אולי רק חומצת אמינו אחת או כמה ספורות יחד יכולות לעשות את אותה העבודה?
אבל הוא גם ידע שבעבר, חומצת אמינו בשם פרולין שימשה כזרז, כלומר, מישהו כבר הלך בכיוון הזה בעבר. "אם כך, בטח יש סיבה טובה לכך שהם זנחו את זה", אמר לעצמו. בכל זאת העניין לא הניח לו, והוא ניסה ליצר תגובה כימית כזו במעבדה.
זה הצליח מיד. נראה כי הבעיה של החוקרים הקודמים שניסו את הגישה הזו לא הייתה שהיא לא עבדה, אלא שהם לא הבינו את הפוטנציאל שלה. הם גילו רק את הפעולה של חומצת האמינו הספציפית הזו, אך לא הבינו כי כמוה יכולים להתקיים עוד זרזים פשוטים וקטנים. לליסט היה חשוב כי השם של התופעה יכלול את כל רוחב היריעה של השימוש האפשרי בה. לכן הוא קרה לה אורגנו-קטליזה אסימטרית.
מקמילן הגיע לאותה המסקנה מכיוון קצת אחר. הוא עבד עם אנזימים שמכילים מתכות, וידע שהמטרה שלו היא לעשות כל דבר כדי לסלק את המתכות הללו, שהן ירקות ונדירות ולכן מסבכות ומייקרות את כל התהליך הכימי. הוא ניסה לבנות כמה וכמה סוגים של זרזים ללא מתכות, ובהדרגה מצא את אותו הפתרון שהגיע אליו ליסט. הוא פרסם את המאמר שלו חודש אחד לפני ליסט, ובמפתיע, גם הוא השתמש בשם אורגנוקטליזה.
מאז פרסום שני המאמרים האלה ב-2000, מתרחשת מעין "בהלה לזהב" של המצאת זרזים אורגניים חדשים. ליסט ומקמילן עצמם מובילים את המגמה ותורמים מהמצאותיהם. ההמצאה הזו משמשת היום ליצור של אלפי מולקולות שונות.
"לפעמים דווקא את הרעיונות הפשוטים, הכי קשה לדמיין", מסרה ועדת הפרס. "הראייה שלנו מטושטשת על ידי הפרה-קונספציות שלנו לגבי האופן שבו העולם אמור לעבוד, למשל הרעיון שרק מתכות או אנזימים יכולים להאיץ תהליכים כימיים. ליסט ומקמילן הצליחו להביט מעבר להגבלות הללו, ופתרו בעיות שאיתם כימאים נאבקו במשך דורות, ותוך זמן קצר ההפתרונות שלהם הביאו תועלת עצומה לאנושות".