Une leçon de la nature : qu’est-ce que la chimie et pourquoi a-t-elle remporté le prix Nobel | Bureau Science et Société

“Cette année [Nobel] Le prix de chimie essaie de ne pas trop compliquer les choses », déclare Johan Åqvist, président du comité Nobel de chimie. Il a un nom simple et accrocheur : Click Chemistry.

Il existe une certaine réaction chimique souvent appelée la Cliquez sur la réaction. Mais c’est un peu un abus de langage. Click chemistry est un cadre ou une méthodologie pour faire de la chimie. En particulier, les molécules organiques complexes, principalement pharmaceutiques.

Un aparté très rapide : le sens de “biologique” en chimie organique est très différent de celui de “aliment biologique”. Un aliment labellisé biologique signifie qu’il suit un ensemble de règles qui varient d’un pays à l’autre, mais sont généralement hypothétiquement meilleurs pour l’environnement (mais tout aussi nutritionnellement) et évitent l’utilisation de certains engrais et pesticides. Pendant ce temps, la chimie organique signifie que les molécules impliquées sont presque entièrement constituées de liaisons carbone-carbone et carbone-hydrogène, avec quelques atomes d’oxygène et d’azote ajoutés pour faire bonne mesure.

Avec cela à l’écart, jetons un coup d’œil à la sensation de chimie du clic qui balaie les nations !

Juste avant le 21St siècle, K. Barry Sharpless a commencé à réfléchir à la façon dont nous devrions explorer de nouvelles molécules médicamenteuses potentielles. Les structures chimiques les plus complexes ne sont pas créées par les chimistes, mais par la nature. Souvent, les chercheurs se sont inspirés de l’effet observé dans la nature. Les chimistes passeraient alors des mois ou des années à essayer de synthétiser le même composé qu’une plante, un animal ou un micro-organisme avait fabriqué presque sans effort.

Ce n’était pas facile pour les chercheurs. Pour créer une structure chimique complexe, on peut suivre des dizaines et des dizaines d’étapes, dont chacune doit être optimisée et qui génèrent des déchets et des sous-produits. Parce que l’équipement de laboratoire peut consommer beaucoup d’électricité, c’est aussi une perte de temps, d’argent et d’énergie pour les chercheurs. Le nettoyage de tout produit à chaque étape était pénible, et l’élimination appropriée des déchets toxiques générés à chaque étape était une préoccupation environnementale. Barry Sharpless s’est demandé s’il existait une meilleure façon d’aborder ce défi.

C’est en 2001 qu’il s’est rendu compte que la nature était la clé, mais pas de la façon dont nous avions l’habitude de penser. Alors que d’autres chimistes essayaient d’imiter la nature en utilisant une variété de réactions chimiques hautement spécialisées pour imiter parfaitement les composés naturels, Sharpless a adopté une approche différente. Il a observé que la nature construit toutes les molécules dont elle a besoin à partir d’environ 35 blocs de construction à base de carbone, dont aucun n’est vraiment si compliqué. Des composés presque infinis peuvent être formés à partir de plusieurs molécules relativement petites, simplement en les combinant avec un seul atome d’azote ou d’oxygène. C’est ainsi que l’ADN est fabriqué, tout comme le sucre et les protéines.

Sharpless a préconisé une approche minimaliste et simplifiée de la synthèse de molécules complexes, dans laquelle seules quelques très bonnes réactions (c’est-à-dire hautement productives et largement applicables) seraient utilisées. Il envisageait de synthétiser de grandes structures chimiques qui pourraient agir comme des médicaments ou avoir d’autres utilisations, en utilisant un petit ensemble de “blocs de construction” organiques dérivés de la pétrochimie combinés à ces très bonnes réactions.

Le comité Nobel la compare à l’approche IKEA flatpack. Après avoir construit la valeur d’un appartement de meubles IKEA la semaine dernière, j’adore cette analogie. Fondamentalement, les constructeurs (chimistes) disposent de tous les meubles nécessaires (blocs de construction), d’appareils faciles à utiliser tels que des clés Allen (très bonnes réactions) et d’instructions suffisamment faciles à suivre pour tout le monde. tous ensemble.

Barry Sharpless a défini les critères pour être considéré comme l’une de ces réactions remarquables – ce qu’il a appelé des “réactions de clic” – parce qu’elles fonctionnaient si bien qu’elles cliquaient sur des molécules ensemble comme des Legos. Pour être considérée comme faisant partie de la chimie du clic, une réaction nécessite plusieurs propriétés :

  • Modulaires (ils peuvent être utilisés avec de nombreux blocs de construction différents)
  • Haut rendement (ils ne fabriquent pas beaucoup de sous-produits, voire aucun, et fabriquent de grandes quantités du produit souhaité)
  • Simple à nettoyer (s’ils créent des sous-produits, ils doivent être non toxiques et faciles à éliminer)
  • Conditions de réaction simples (pas d’équipement sophistiqué ou travail sous vide)
  • Utilisez des matériaux de démarrage prêts à l’emploi (pas de combinaisons super bizarres et coûteuses)
  • N’utilisez pas de solvants ou quoi que ce soit de désagréable comme de l’eau qui s’enlève facilement
  • Se produit rapidement (aucune réaction durant des jours ou des semaines)

Source de l’image : https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/fig2_ke_en_22_clickReaction.pdf

Comme je l’ai écrit ci-dessus, il existe une réaction qui est devenue synonyme de chimie du clic, souvent simplement appelée “réaction du clic”: cycloaddition azide-alcyne catalysée par le cuivreou CuAAC (Cu est la forme abrégée du tableau périodique pour le cuivre). Barry Sharpless l’a découvert, mais dans le monde entier au Danemark, presque au même moment, Morten Meldal l’a également découvert. Bien que Sharpless ait qualifié son potentiel d’énorme, aucun chercheur ne savait vraiment qu’il inaugurait une nouvelle ère de la chimie organique.

CuAAC est rapidement devenu la quintessence de la chimie du clic. Avant longtemps, c’était la base pour lier presque deux molécules organiques ensemble. Parmi les nombreuses raisons pour lesquelles il est si largement accepté, il y a son efficacité et la liaison triazole qu’il crée. Les triazoles sont assez stables et font partie de plusieurs médicaments importants, tels que le fluconazole, un médicament antifongique largement utilisé. La réaction CuAAC a considérablement accéléré le développement de médicaments et permis toutes sortes de recherches qui étaient auparavant peu pratiques, voire impossibles.

Cependant, il y avait un problème avec la réaction CuAAC : son catalyseur au cuivre. Malheureusement, le cuivre est très toxique pour les êtres vivants. Certaines tentatives ont été faites pour développer et incorporer d’autres composés qui pourraient séquestrer le cuivre et l’empêcher d’endommager les cellules, mais la percée suivante a eu lieu en 2004. Voici Caroline R. Bertozzi, la troisième lauréate du prix Nobel de chimie 2022. .

Soucieux d’étudier les sucres complexes présents à la surface de certaines cellules, Bertozzi s’est inspiré du caractère simple et efficace de la chimie du clic. Mais vouloir appliquer la chimie du clic à des cellules vivantes signifiait trouver un moyen sans cuivre de catalyser la réaction. En regardant la littérature de 1961, il a été inspiré pour utiliser une molécule en forme d’anneau qui était assez malheureuse pour être un anneau.

Si vous roulez une nouille de piscine en cercle, les molécules peuvent souvent être enveloppées dans des anneaux. Mais comme les nouilles de piscine, elles sont clairement tendues. Au moment où on leur donne la chance, la molécule se déploiera, comme une nouille de piscine lorsque vous lâchez prise. Bertozzi a pu exploiter cette énergie et créer un outil incroyablement puissant pour étudier la biologie moléculaire : cycloaddition d’alcyne-azoture favorisée par la contrainte, ou SPAAC. Une fois le catalyseur au cuivre toxique éliminé, les chercheurs se sont lancés dans les courses ! Les applications pour marquer et générer des composés utilisables dans des cellules vivantes ou des animaux sont nombreuses. Je devrais le savoir – cela faisait partie intégrante de mes études supérieures. recherche de thèse !

Nous n’avons pas encore vu l’impact total de la chimie du clic sur la recherche, et nous en avons déjà vu beaucoup. Je suis convaincu que les innovations de Sharpless, Meldal et Bertozzi resteront des moments décisifs de l’histoire de la science. Leur impact sur la recherche scientifique ne peut être sous-estimé et ils ont donc le potentiel d’améliorer la vie de nombreuses personnes. Comme l’a écrit l’Académie royale des sciences de Suède, “en plus d’être élégant, intelligent, novateur et utile, il apporte le plus grand bénéfice à l’humanité”.


@AdaMcVean

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