ההכרזה על הזוכים בפרס נובל בכימיה
(צילום: רויטרס)
שבוע פרסי הנובל נמשך, והפעם כימיה במוקד: האקדמיה המלכותית השבדית למדעים הכריזה היום (ד') כי הגרמני פרופ' בנימין ליסט והאמריקני פרופ' דיוויד מקמילן זכו בפרס בתחום לשנת 2021 על פיתוח כלים לזירוז תהליכים בכימיה אורגנית, למעשה לבניית מולקולות. שני מקבלי הנובל יזכו במדליית זהב וב-10 מיליון קרונות שבדיות (יותר מ-1.14 מיליון דולר), שיתחלקו ביניהם.
ליסט, בן 53, ממכון מקס פלנק מילהיים, פיתח שיטות לשימוש בנוגדנים כזרזים לתגובות אורגניות, כמו ייצור תרופות. "זו הפתעה ענקית, עשיתם לי את היום. חשבתי שמישהו עובד עליי הבוקר, זה רגע מיוחד שלעולם לא אשכח", אמר ליסט במסיבת העיתונאים. מקמילן מאוניברסיטת פרינסטון, אף הוא בן 53, תכנן וייצר זרזים ממולקולות אורגניות קטנות. בתום מסיבת העיתונאים הודיעו חברי הוועדה כי הם טרם יצרו קשה עם הזוכה השני, מקמילן.
מולקולות אורגניות רבות בטבע מופיעות בשתי צורות כמעט זהות, אך המבנה המרחבי שלהן מסודר הפוך. כמו תמונות מראה זו של זו. שתי מולקולות כאלה נקראות אֶנַנְטיוֹמֶרִים. למרות ההרכב הכימי הזהה, לעיתים לכל אחת מהן יש פעילות ביולוגית שונה. למשל מולקולת לִימוֹנֵן "ימנית" נותנת את הריח האופייני של תפוזים, ואילו תמונת הראי שלה נתפסת אצלנו דווקא כריח אורנים. המשמעות של הבדל כזה גם עלולה להיות מסוכנת מאוד: בשנות ה-60 התברר כי הצורה השמאלית של התרופה תַלִידוֹמִיד, ששווקה בין השאר לשיכוך בחילות של נשים הרות, גרמה מומים קשים לעוברים שלהן, בעוד הצורה הימנית הייתה בטוחה לשימוש. לכן כימאים העוסקים בייצור תרופות, חומרי מזון ומוצרים נוספים, צריכים שיטות יעילות להפריד בין שתי הצורות, או לחילופין - שיטות יעילות לייצר רק את הצורה המבוקשת. הפיתוחים של שני חתני הפרס השנה איפשרו לעשות זאת ביעילות רבה.
לזרז את התגובה
תהליכים כימיים רבים בתעשייה נעשים בעזרת זרזים, או בשמם הלועזי קטליזטורים (catalysits). אלה חומרים שגורמים לתגובה כימית מסוימת להתרחש מהר יותר, או ביעילות רבה יותר, אך אינם חלק מהתוצרים. עד סןף המאה העשרים, כל הזרזים השתייכו לשתי קבוצות: מתכות או אנזימים.
מתכות הן במקרים רבים זרזים יעילים מאוד, משום שהן מוסרות אלקטרונים בקלות. החיסרון שלהן הוא רגישות גבוהה לחמצן וללחות, שפוגעים בעילותן כזרזים, בעיקר כשרוצים להשתמש בהן לייצור מולקולות ארוגניות. כמו כן, זרזים רבים הם מתכות כבדות, שהשימוש בהן עלול לזהם את הסביבה.
אנזימים הם חלבונים שבאופן טבעי מזרזים תהליכים כימיים בגוף: בתוך התאים או מחוץ להם. אנזימים רבים מעורבים גם בייצור חומרים, ומבניהם, רבים מתמחים מראש בייצור אננטיומר מסוים, בגלל ההבדל בפעילות הביולוגית של שתי הצורות הסימטריות.
חומצת אמינו אחת
כל אנזים הוא חלבון המורכב משרשרת של מאות או אלפי חומצות אמינו. לאחר ייצור השרשרת החלבון מתקפל לצורה פעילה, ובתוכה אתר מסוים הוא זה שמבצע את הפעילות הכימית. בנימין ליסט ניסה לבודד חומצ אמינו אחת ויחידה שתעשה את העבודה.
ליסט נולד ב-1968 בפרנקפורט, ואחרי תואר ראשון באוניברסיטת ברלין של לעירו וסיים דוקטורט בכימיה אורגנית במכון גתה. כיום הוא פרופסור באונירסיטת קלן וראש מכון מקס פלנק לחקר הפחם. על סמך מחקרים קודמים בחר ליסט להתמקד בחומצה פרולין (L-proline) כזרז, וניסה להשתמש בה לזירוז תגובה אלדולית, שבה מתחבר אחד מאטומי הפחמן של אצטון לאטום פחמן ממולקולה אורגנית אחרת. במאמר בשנת 2000 הוא הראה שאפשר להשתמש בחומצת אמינו יחידה כזרז אורגני, ואף ששימוש בפרולין כזרז מאפשר קטליזה אסימטרית, כלומר כזו שתניב בעיקר אחת משתי הצורות הסימטריות של המולקולה המבוקשת.
תחליף מתכת
דיוויד מקמילן נולד בסקוטלנד ב-1968. הוא למד כימיה באוניברסיטת גלזגו וב-1990 יצא לארצות הברית, ללימודי דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה באירווין. ב-1996 החל השתלמות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת הרוורד, ושם התחיל לחקור שיטת לייצור א-סימטרי, כלומר כאלה שמניבות רק אננטיומר מסוים אחד משני האפשריים. ב-1998 קיבל משרת חוקר באוניברסיטת ברקלי. שם, לאחר שנים של עבודה עם זרזים מתכתיים, חיפש חלופות למתכות היקרות והבעייתיות, והחליט לתכנן בעצמו מולקולות אורגניות קטנות, כלומר תרכובות על בסיס פחמן, שיהיו זרזים יעילים לתגובות המבוקשות. הוא הבין כי את אטום המתכת אפשר להחליף ביון אימיניום (Iminium) – מולקולה אורגנית קטנה שבבסיסה אטום פחמן ואטום חנקן הקשורים זה לזה בקשר כפול.
מקמילן תכנן כמה מולקולות כאלה, ובחן את יעילותן בתגובת דילס-אדלר, המשמשת כימאים בייצור מולקולות על בסיס טבעות של אטומי פחמן. גם למולקולות האלה יש במקרים רבים שתי צורות שהן תמונת ראי, והוא הראה כי המולקולות שלו לא רק הצליחו לייצר את הטבעות, אלא גם היו יעילות ב-90 אחוז ויותר בקבלת הצורה המבוקשת. הוא פרסם את העבודה שלו בשנת 2000, סמוך מאוד לפרסום של ליסט, וטבע את המונח "אורגנו-קטליזה" לשימוש במולקולות כאלה כזרזים. באותה שנה עבר למכון הטכנולוגי של קליפורניה, וב-2006 עבר לאוניברסיטת פרינסטון, שם הוא משמש פרופסור כיום.
מהפכה תעשייתית
השימוש בזרזים האורגניים שפיתחו מקמילן וליסט שינה בשני העשורים האחרונים את התעשייה הכימית. הייצור של חומרים מסויימים כיום נעשה ביעילות גבוהה פי כמה אלפים מאשר רק לפני 30 שנה. בשנים אלה פותחו תהליכים כימיים חדשים רבים, עם עוד ועוד זרזים אורגניים, ועם יישומים רבים, עד שהתקופה זכתה לכינוי "הבהלה לזהב של האורגנו-קטליזה". גם ליסט וגם מקמילן ממשיכים בפעילותם המחקרית, ומצאו במשך השנים עוד ועוד תגובות שאפשר לייעל בעזרת הזרזים שפיתחו.
תעשיית התרופות, המזון, הקוסמטיקה וחומרים כימיים רבים אחרים היא כיום יעילה יותר וגם ידידותית יותר לסביבה בזכות פריצות הדרך שלהם. לדוגמה, התרופה אליסקירן (Aliskiren) להורדת לחץ דם, היא מעכב של האנזים רנין, המופרש מהכליות, ומעורב בייצור חלבונים המווסתים את לחץ הדם. הייצור שלה מתבצע בכמה שלבים, בעזרת הזרזים שפיתחו ליסט ומקמילן, ובלעדיהם הוא היה יקר ומסובך הרבה יותר.
112 מדענים זכו בעבר בנובל בכימיה
הנובל בכימיה מוענק מאז שנת 1901. עד כה קיבלו את הפרס 112 מדענים, בהם רק שבע נשים. בשנה שעברה זכו בו לראשונה שתי מדעניות - הביוכימאית האמריקנית פרופ' גניפר דאודנה והביוכימאית הצרפתייה פרופ' עמנואל שרפנטייה - על פיתוח כלים לעריכה גנטית.
פרופ' עדה יונת היא אחת מחמש הנשים שזכו לפני כן בפרס היוקרתי ביותר, ב-2009, ומלבדה קיבלו את הנובל בכימיה עוד חמישה חוקרים ישראלים - אברהם הרשקו, אהרון צ'חנובר, דן שכטמן, אריה ורשל ומיכאל לויט. עד היום רק אדם אחר - הבריטי פרדריק סנגר - זכה פעמיים בפרס, ב-1958 וב-1980.
הזוכים בנובל לפיזיקה, אתמול
(צילום: רויטרס)
עדה יונת על הענקת הנובל לשתי מדעניות, לפני שנה
(צילום: שחר גולדשטיין)
אתמול העניקה ועדת הפרס את הנובל לפיזיקה לפרופ' סיוקורו (סוקי) מנאבה מיפן ולפרופ' קלאוס הסלמן מגרמניה על פיתוח מודלים לחיזוי שינויי אקלים, וכן לפרופ' ג'ורג'יו פריזי מאיטליה על פיתוח מודלים לחקר מערכות תנודתיות. פריזי זכה לפני חצי שנה בלבד בפרס וולף - פרס המוענק בישראל לאנשי מדע ואמנים ונחשב לשני ביוקרתו אחרי פרס נובל.
ד"ר דיוויד ג'וליוס, פיזיולוג אמריקני, וד"ר ארדם פטפוטיאן, נוירוביולוג אמריקני-ארמני שנולד בביירות שבלבנון, זכו שלשום בפרס הנובל הראשון שחולק בשבוע הפרסים - פרס נובל לרפואה. הם קיבלו אותו על תגליתם בגילוי קולטני טמפרטורה ומגע. בימים הקרובים יוענקו פרסי הנובל לספרות, שלום וכלכלה.
