Když se z buněk stanou baňky

Dovedete si představit, že chemické reakce známé z učebnic organické chemie dnes můžeme dělat přímo v lidech? Ano, loňským laureátům Nobelovy ceny se povedlo přenést chemické reakce z laboratoře do živých organismů. Na co je to dobré, co k tomu vedlo a proč objevy click chemie a bioortogonálních reakcí znamenají revoluci v moderní chemii…

Jenom málokdo zavzpomíná na hodiny výuky a laboratorní cvičení z chemie s hřejivým pocitem u srdce. Když se řekne organická chemie, většina lidí si představí složité strukturní vzorce, sadu výpočtů koncentrací, molekulárních hmotností, molového množství a dalších prapodivných veličin, které stejně nikdo nikdy k životu potřebovat nebude. A přece, kamkoliv se podíváme, chemie je všude kolem nás. Ano, jsou to ony postavy v bílých pláštích v laboratoři u stolu s kádinkami a baňkami obsahujícími bublající barevnou, mnohdy odpudivě páchnoucí tekutinu, nebo u digestoře plné kouřících baněk, které den co den usilovně pracují na tom, abychom měli barevné oblečení, čisticí a hygienické prostředky, stabilnější potraviny, dostatek účinných léků a vůbec spoustu věcí, které nás obklopují a na které jsme si všichni v moderní společnosti zvykli. Koneckonců i sama příroda je chemikem. V našem těle probíhá každou sekundu bezpočet chemických reakcí, které jsou absolutně klíčové pro správné fungování našich orgánů a buněk. Chemii se prostě nevyhneme. Je zřejmé, že studium chemie a práce v chemické laboratoři má smysl.

Nicméně uvařit tu správnou molekulu není úplně jednoduchá věc. Vyžaduje to nejenom dny, týdny a měsíce strávené v laboratoři, ale i hodiny plánování a přemýšlení o způsobu spojení nebo naopak rozpojení jednotlivých částí dané sloučeniny co nejefektivněji, nejrychleji a pokud možno i nejlevněji. Když navíc vědec někdy neví, co vlastně hledá (třeba jak by asi nový lék proti malárii měl vypadat), je těžké takovou molekulu navrhnout, a tudíž i připravit. Řešením je příprava celé série neboli knihovny látek, ve kterých se ta správná, s dostačující mírou štěstí, posléze „najde“. No a více látek znamená více plánování a více hodin, dnů a měsíců strávených v laboratoři. Navíc příprava složitějších molekul často vyžaduje mnohakrokové syntézy. Jakékoliv vylepšení a zjednodušení plánování a hlavně „vaření“ sloučenin má proto pro chemiky zcela zásadní význam. A přesně to, a ještě víc, se povedlo Barrymu Sharplessovi, Mortenu Meldalovi a Carolyně Bertozzi, loňským laureátům Nobelovy ceny za chemii.

Trochu historie

Jak už tomu u velkých objevů bývá, i k těm, za něž byla loňská cena udělena, vedla práce lidí, kteří si s největší pravděpodobností neuvědomovali, jaký dopad jejich studie budou mít po mnoha letech. Jednou z nejdůležitějších postav historie v souvislosti s loňskou Nobelovou cenou byl německý chemik a profesor Rolf Huisgen (1920–2020). Studoval reakce, které dnes zná každý student chemie a které měly a mají obrovský význam při syntéze heterocyklických sloučenin. Těmto reakcím se říká 1,3-dipolární cykloadice nebo taky Huisgenovy cykloadice. Tento typ chemických reakcí zahrnuje celou skupinu různých sloučenin, my se však soustředíme jenom na jednu z nich, a to na reakci azidů s alkyny.

Vlevo je původní verze Huisgenovy reakce mezi alkynem a azidem, kterou je potřeba zahřát. Vpravo je mědí katalyzovaná verze reakce, která je dnes nejznámější click reakcí, tzv. CuAAC .

Atomům, nebo spíše souboru atomů, které jsou součástí molekuly a přímo se účastní chemické reakce, se říká funkční skupiny. Některé funkční skupiny se mají rády a za vhodných podmínek spolu reagují za vzniku chemických vazeb. Azidová a alkynová funkční skupina k nim patří. Vůbec první zmínku o reakci azidů s alkyny obsahuje práce Arthura Michaela z roku 1893, mimo jiné objevitele známé konjugační Michaelovy adice. Rolf Huisgen na tuto práci navázal a zjistil, že když sloučeninu obsahující azidovou skupinu smíchá a zahřeje s látkou nesoucí alkynovou skupinu, dojde k chemické reakci a vzniku vazby nové; produktem je pak takzvaný triazol. Abychom byli přesní, v tomto případě dochází ke vzniku dvou velice podobných molekul triazolu, kterým se říká regioizomery. Jelikož se však alkynová funkční skupina s azidovou nemají až tak moc rády, je zcela zásadní podmínkou jejich vzájemné reakce právě zahřátí, čímž se reagentům dodá energie potřebná k reakci.

Tato reakce – ač nesmírně užitečná a zkušenému oku chemika lahodící – se nijak zásadně neliší od spousty jiných velice užitečných chemických reakcí; a přece, azidy a alkyny měly tou dobou před sebou zářnou budoucnost.