Nobel z Chemii za "Dziurawe Kryształy"

Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Nobla z chemii Susumu Kitagawie, Richardowi Robsonowi oraz Omarowi M. Yaghiemu za dziurawe kryształy oraz „za rozwój szkieletów metaloorganicznych”. Chodzi o nową architekturę molekularną materiałów zawierających wolne przestrzenie, przez które mogą przepływać gazy i inne substancje chemiczne.

„Dziurawe kryształy” były projektowane przez trzech naukowców

.Tegoroczni nobliści opracowali nową formę architektury molekularnej. W tych konstrukcjach jony metali pełnią funkcję kamieni węgielnych, połączonych długimi cząsteczkami organicznymi (opartymi na węglu). W ten sposób powstają kryształy zawierające duże wnęki. Te porowate materiały nazywane są szkieletami metaloorganicznymi (MOF). Chemicy mogą zmieniać części składowe MOF, tak aby mogły wychwytywać i magazynować określone substancje. MOF potrafią również wywoływać reakcje chemiczne lub przewodzić prąd elektryczny.

– Szkielety metaloorganiczne mają ogromny potencjał, otwierając wcześniej nieprzewidziane możliwości dla niestandardowych materiałów o nowych funkcjach – wskazał Heiner Linke, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii.

Wszystko zaczęło się w roku 1989, kiedy Richard Robson przetestował wykorzystanie naturalnych właściwości atomów w nowy sposób. Połączył dodatnio naładowane jony miedzi z czteroramienną cząsteczką. Cząsteczka ta miała grupę funkcyjną, która była przyciągana do jonów miedzi na końcu każdego ramienia. W rezultacie cząsteczki połączyły się, tworząc uporządkowany, obszerny kryształ, który można było porównać do diamentu, wypełnionego niezliczonymi wnękami.

Choć Robson natychmiast dostrzegł potencjał swojej konstrukcji molekularnej, była ona niestabilna i łatwo ulegała zapadnięciu.

Jednak Susumu Kitagawa i Omar Yaghi zapewnili tej metodzie budowy MOF solidne podstawy. W latach 1992-2003 dokonali – pracując niezależnie od siebie – szeregu rewolucyjnych odkryć. Kitagawa wykazał, że gazy mogą przepływać do i z konstrukcji i przewidział, że szkielety MOF można uelastycznić. Yaghi stworzył bardzo stabilny MOF i wykazał, że można go modyfikować za pomocą racjonalnego projektowania, nadając mu nowe i pożądane właściwości.

W kolejnych latach chemicy zbudowali dziesiątki tysięcy różnych MOF. Niektóre z nich mogą przyczynić się do rozwiązania jednych z największych wyzwań, przed którymi stoi dziś ludzkość, takich jak oczyszczanie wody z „wiecznych chemikaliów” (PFAS), rozkład pozostałości farmaceutyków w środowisku, wychwytywanie dwutlenku węgla czy pozyskiwanie wody z pustynnego powietrza.

Jak ocenił Olof Ramstroem, członek Komitetu Noblowskiego przyznającego nagrodę z chemii, odkrycia trójki tegorocznych noblistów można porównać do zaczarowanej torebki Hermiony Granger z serii o Harrym Potterze – małej na zewnątrz, ale bardzo dużej w środku.

Noblista z Chemii współpracował z Polakami

.Prof. Paweł Kulesza z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego jeszcze przed ogłoszeniem wyników w ramach Tygodnia Noblowskiego na UW trafnie typował, kto dostanie Nobla. – Omar Yaghi już w lipcu, podczas zjazdu Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej w Kuala Lumpur, został wyróżniony za swoje osiągnięcia. Atmosfera wokół jego dokonań była tak wyraźna, że można się było spodziewać Nobla – jeśli nie w tym roku, to w najbliższej przyszłości – powiedział dziennikarzom.

Dodał, że przeprowadzał z Omarem Yaghim wspólne badania. – Dużo czasu spędzaliśmy razem, chodziliśmy np. do polskich restauracji w Stanach Zjednoczonych. I on jako Amerykanin pochodzenia jordańskiego też podziwiał polskie jedzenie. Jest bardzo otwartym człowiekiem – powiedział.

Szkielety metaloorganiczne (MOF) to materiały o regularnej, trójwymiarowej strukturze, tworzone z jonów metali (od miedzi po ind) połączonych organicznymi „łącznikami”. W ich wnętrzach powstają wnęki, do których wnikają konkretne związki chemiczne. MOF-y łączą w sobie cechy związków nieorganicznych i organicznych. Można je precyzyjnie projektować pod kątem pożądanych właściwości.

Prof. Kulesza wspomniał, że na początku nikt nie wierzył w trwałość tych struktur. Dziś zaś potrafimy je coraz lepiej syntetyzować, dzięki temu można je wykorzystywać w wielu dziedzinach. MOF-y mają potencjał np. w rozdzielaniu gazów i zanieczyszczeń. Jego zdaniem dzięki MOF-om może powstać nowa gałąź katalizy. Reakcje, które dotąd zachodziły w trudnych warunkach – będzie można przeprowadzać łatwiej – np. w niższych temperaturach, przy udziale mniej kosztownych reagentów.

Susumu Kitagawa urodził się w 1951 roku w Kioto w Japonii. Doktorat obronił w 1979 roku na Uniwersytecie w Kioto, gdzie obecnie jest profesorem.

Richard Robson, urodzony w 1937 roku w Glusburn w Wielkiej Brytanii, zrobił doktorat w 1962 roku na Uniwersytecie Oksfordzkim w Wielkiej Brytanii. Obecnie jest profesorem na Uniwersytecie w Melbourne w Australii.

Omar M. Yaghi, urodzony w 1965 roku w Ammanie w Jordanii, w wieku 15 lat wyemigrował do USA, gdzie w 1990 roku zrobił doktorat na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign. Obecnie jest profesorem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley (USA).

Laureaci podzielą się po równo 11 milionami koron szwedzkich (ponad 4,2 miliona złotych).

Potencjał aplikacyjny ukryty w mRNA. Nobel w dziedzinie fizjologii/medycyny 2023

.Tegoroczną decyzją Komitetu Noblowskiego przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny dwojgu naukowcom: dr Katalin Karikó oraz prof. Drew Weissmanowi – pisze Aleksandra OBRĘPALSKA-STĘPLOWSKA.

Prace Karikó i Weissmana w znacznym stopniu przyczyniły się do wykorzystania technologii mRNA w produkcji szczepionek na bezprecedensową dotychczas skalę, stąd ich nazwiska pojawiały się już w zeszłym roku wśród potencjalnych kandydatów na laureatów tej prestiżowej nagrody. A przyznanie im Nobla w tym roku „za odkrycia związane z modyfikacjami zasad nukleozydowych, które umożliwiły rozwój szczepionek mRNA przeciw COVID-19”, dla wielu nie było dużym zaskoczeniem.

Na początek kilka informacji przypominających. W komórkach organizmów (zwierząt, roślin, bakterii, grzybów) białka są syntetyzowane (produkowane) dzięki informacji zakodowanej w sekwencji DNA. Jednak aby do syntezy białek doszło, cząsteczka DNA, znajdująca się w jądrze komórkowym, musi zostać przepisana na cząsteczki mRNA (tzw. informacyjny RNA, ang. messenger RNA). Cząsteczki mRNA z kolei, przeniesione do cytoplazmy, są bezpośrednimi matrycami do syntezy konkretnych białek.

Cząsteczki DNA i RNA składają się z szeregu liniowo ułożonych elementów budulcowych – nukleotydów, które z kolei są zbudowane z trzech składowych: cząsteczki pięciowęglowego cukru, zasady azotowej (razem tworzących nukleozyd) oraz kwasu fosforanowego. Wspomniane zasady azotowe występujące w nukleotydach to adenina, cytozyna, guanina i tymina w przypadku cząsteczki DNA, natomiast w cząsteczce mRNA zamiast tyminy występuje uracyl.

Aby przejść do dalszych informacji, warto również bardzo krótko i w dużym uproszczeniu przypomnieć, jakiego rodzaju szczepionki przeciwwirusowe są obecnie dostępne i jak są one produkowane.

Większość dotychczas produkowanych przeciwwirusowych szczepionek wykorzystuje inaktywowane („zabite”) lub osłabione (atenuowane) wirusy. Jest to najstarszy i przed pandemią COVID-19 najczęściej wykorzystywany sposób uzyskiwania szczepionek.

Wraz z rozwojem metod biotechnologicznych część szczepionek zaczęto wytwarzać z wykorzystaniem także tych nowszych technologii, m.in. technologii produkcji białek rekombinowanych (tzw. szczepionki rekombinowane). Szczepionki takie nie zawierają całych wirusów, lecz jedynie ich pojedyncze składniki białkowe. W taki sposób wyprodukowano np. szczepionki przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B (HBV) i ludzkiemu wirusowi brodawczaka (HPV).

Innym typem nowszych szczepionek są tzw. szczepionki wektorowe, w których wykorzystuje się platformę opartą na łagodnych wirusach, dodatkowo jeszcze pozbawionych niektórych części swojego materiału genetycznego. Niosą one zakodowany antygen dla wirusa powodującego poważne choroby i na który odporność ma uzyskać zaszczepiona osoba. Syntetyzowany jest on już w komórkach tej osoby. Takie rozwiązanie wykorzystywane jest w szczepionkach przeciw wirusowi ebola.

Produkcja szczepionek wymaga sporych nakładów pracy, czasu i zasobów, w tym wykorzystania kultur komórkowych. Dlatego naukowcy od dawna zastanawiali się nad możliwością uzyskiwania szczepionek w inny sposób. Jednym z rozważanych rozwiązań było dostarczenie do komórek osób szczepionych fragmentu materiału genetycznego wirusa (DNA lub RNA). Taka cząsteczka byłaby wystarczająca, aby z jej wykorzystaniem komórka sama podjęła się syntezy białek/podjednostek wirusów (przeciwko którym szczepionka miałaby działać), co z kolei zaindukowałoby odpowiednią odpowiedź immunologiczną przeciwko zsyntetyzowanym w komórce antygenom wirusowym.

Koncepcja takiego wykorzystywania mRNA do syntezy białek terapeutycznych lub do produkcji szczepionek pojawiła się pod koniec poprzedniego stulecia. W przypadku DNA, jak wspomniano wyżej, pierwszy etap syntezy białek odbywa się w jądrze komórkowym, a kolejny w cytoplazmie. Zatem dostarczane DNA musiałoby najpierw pokonać dwie bariery (błonę komórkową i błonę jądrową), by dostać się do jądra komórkowego, a następnie przejść przez kolejne etapy, które kończyłyby się zsyntetyzowaniem pożądanego białka. Natomiast w przypadku mRNA – bariera przy wprowadzeniu tej cząsteczki byłaby jedna (błona komórkowa), a dodatkowo mRNA jest już bezpośrednią matrycą do syntezy białka, gdy dostanie się na rybosomy.

Jednakże wykorzystanie zsyntetyzowanego w warunkach laboratoryjnych mRNA do produkcji określonych białek okazało się problematyczne. Po pierwsze ze względu na niską stabilność tej cząsteczki, a po drugie ze względu na silną reakcję zapalną organizmu, do którego ją wprowadzano.

I tu rozpoczyna się historia współpracy Karikó i Weissmana – najbardziej są widoczne korzyści z badań interdyscyplinarnych, wytrwałego dążenia do celu oraz wykorzystania wiedzy i szeregu rozwiązań zebranych wcześniej przez świat nauki. Od pewnego czasu dostępne są między innymi technologie umożliwiające syntezę w warunkach laboratoryjnych (czyli in vitro, poza organizmami) kwasów nukleinowych (zarówno RNA, jak i DNA) o zadanej sekwencji.

Tekst dostępny na łamach Wszystko co Najważniejsze: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/aleksandra-obrepalska-steplowska-potencjal-aplikacyjny-ukryty-w-mrna-nobel-w-dziedzinie-fizjologii-lub-medycyny-2023/

PAP/MB