Mezi chemií a smrtí

Jak se z biologie vytrácí, ale nikdy nevytratí představa životní síly.

Rozdíl mezi živou a neživou hmotou lidi fascinoval odjakživa. Strom v ohni shoří na popel ­ z látky živé se stala neživá. Ale co naopak? Lze učinit z látky „neživé“ (opět) takovou, která se účastní životních pochodů?

V roce 1806 vydal slavný švédský chemik Jöns Jacob Berzelius učebnici Živočišná chemie, která se na desítky let stala biblí organické chemie. A přestože právě on jako průkopník chemické analýzy dokázal, že organické sloučeniny se skládají ze stejných atomů a prvků jako sloučeniny minerální, anorganické, psal v ní: „V živé přírodě se zdá, že (chemické) prvky jsou pod vlivem zcela jiných zákonitostí nežli v přírodě mrtvé... Jakási pro nás nepostižitelná a mrtvé přírodě cizí síla již jednou toto ´Něco´ vnesla do anorganické hmoty; nikoli však náhodou, nýbrž s nejvyšší možnou moudrostí.“

To koneckonců hlásal už antický veleduch Aristoteles: „Vše, co pochází z živé přírody, nese v sobě cosi božského.“

Aristoteles ono cosi nazýval entelechií (řecky en telos echein, mít vnitřně daný cíl), jakýmsi nepostižitelným, božským organizátorem života; jakmile vyprchá, organismus umírá.

Berzelius a jeho současníci pak entelechii překřtili na latinskou vis vitalis (životní sílu). Šikovné, univerzální vysvětlení. Chemikům hovělo přímo dokonale: Omlouvalo totiž, proč se jim sice daří syntetizovat sloučeniny známé z nerostných látek, ale ne už ty, které byly nalezeny v rostlinách a zvířatech.

Ledviny ve zkumavce

V roce 1823 získává v Heidelbergu doktorát medicíny Friedrich Wöhler. Lékařskou praxi si však nikdy neotevřel, už na škole mu učarovala chemie. Během stáže u Berzelia ve Stockholmu se Wöhlerovi podařilo připravit sloučeninu kyanatan stříbrný. V téže době jeho krajan a později nejlepší přítel Justus Liebig připravil během stáže v Paříži třaskavou sloučeninu, kterou příhodně nazval fulminan stříbrný (fulminare je latinsky „blýskati se“). Analýzou pak zjistil, že jeho molekula obsahuje stejný počet stejných atomů, jako Wöhlerův kyanatan.

(Dnes víme, že kyanatan a fulminan neboli izokyanatan jsou chemické izomery, tedy sloučeniny ze stejného množství a druhu atomů, ale jinak uspořádaných; první má vzorec AgOCN, druhý AgNCO.)

Wöhler se tedy pouští do dalšího výzkumu svých kyanatanů stříbrných a snaží se z nich všelijak vyrobit Liebigův třaskavý fulminan. Když se počátkem roku 1828 pokouší z kyanatanu stříbrného a chloridu amonného získat kyanatan amonný, dostává zcela mu nepodobné třpytivě bílé krystalky, ve kterých identifikuje svou starou známou z dob studií ­ močovinu. Vida, ze sloučeniny anorganické vznikla látka organická.

Friedrich Wöhler.Litografie Rudolf Hoffmann, volné dílo.

Hned po zveřejnění v německém a francouzském vědeckém časopise (v článku nazvaném O umělé přípravě močoviny) o tom v únoru 1828 píše svému mistrovi Berzeliovi: „Musím Vám sdělit, že dovedu připravit močovinu a nepotřebuji k tomu ledvinu nebo zvíře, ať je to třeba člověk nebo pes...“

Příklady táhnou

„Wöhler syntetizoval močovinu! Co brání ostatním, aby vytvořili cukry, bílkoviny nebo dokonce protoplazmu, základ samotného života!“ jásá francouzský chemik Michel Chevreul. (Tento chlapík se dožil sta a tří let a poslední vědeckou práci publikoval v sedmadevadesáti. Na něm příroda vitální silou vskutku nešetřila.)

Chevreulovo nadšení pro syntézu však sdílí jen málo chemiků. Sám Wöhler zprvu dál zůstává přesvědčen o monopolu vitální síly na vznik organických sloučenin. Berzelius syntézu močoviny sice uznává, ale ještě ve své slavné učebnici organické chemie z roku 1837 tvrdí, že takováto napodobení zůstanou vždy nedokonalými a že navíc močovina je pouhým živočišným odpadem; látky opravdu biologicky aktivní se nepodaří připravit nikdy.

Jiní vitalisté zase namítají, že Wöhlerova močovina pochází vlastně z kyanatanu, který byl připraven z kostí, a proto musel obsahovat ještě zbytky životní síly.

Našli se však i tací, kdož Wöhlerův zdar brali jako doping v úsilí o další syntézy. Mezi nimi vynikla příprava octové kyseliny z jejích prvků přes sirouhlík, kterou uskutečnil roku 1845 velký německý chemik Hermann Kolbe.

Hermann KolbeVolné dílo

A tak to byla právě Kolbeho syntéza kyseliny octové, která bývá často považována za první pravou organickou syntézu.

(Ironií bylo, že již čtyři roky před močovinou Wöhler hydrolýzou dikyanu syntetizoval šťavelovou kyselinu – látku odpovědnou za kyselou chuť šťovíku, avšak považoval ji za anorganickou. V tom, co ještě je a co už není anorganická nebo organická sloučenina, tehdy – a vlastně ještě dlouho potom – panoval zmatek. Dnes jsou za organické považovány všechny sloučeniny uhlíku.)

V každém případě, špička vědeckého světa už v té době ví, že látky účastné v procesu života vznikají chemickými reakcemi podle stejných zákonů, jako třeba kyselina sírová. I když – tak úplně ještě ne. Mezi životem a chemií stála ještě jedna zásadní překážka. Na jejím zdolání se začalo pracovat zrovna v době Kolbeho syntézy.

Úkol pro Popelku

Při kvašení hroznů během výroby vína se usazují na dně kádí mrtvé kvasinky a různé kvasné zbytky. Leží-li víno delší dobu v sudu, vylučuje se na stěnách sudu surový vinný kámen. Z obou těchto látek získal roku 1770 zvídavý švédský lékárník Carl Wilhelm Scheele kyselou látku, kterou nazval příhodně kyselina vinná.

Jenže po čase se ukázalo, že kyseliny vinné jsou dvě, jedna „laboratorní Scheeleova“ a druhá „průmyslová Kestnerova“ podle továrníka, který ji po Scheeleho způsobu vyráběl v Alsasku ve velkém pro potravinářské účely. Tyto dvě co do chemického složení zcela stejné látky, i ve svých tehdy známých chemických a fyzikálních vlastnostech zcela shodné, se lišily v jedné maličkosti.

Na to náhodou přišli kolem roku 1823 francouzští fyzikové Jean-Baptiste Biot a Joseph Louis Gay-Lussac, když nechali roztoky obou kyselin procházet polarizované světlo: Zatímco Scheelova kyselina stáčela rovinu polarizovaného světla doprava, ta Kestnerova nikoli. To jim přišlo nepochopitelné – a tak po chvíli darmého mudrování zamkli své kyseliny vinné do almary a zapomněli na ně.

Carl Wilhelm ScheeleVolné dílo

Jenže – na zprávu o tom narazil někdy v polovině čtyřicátých let kromobyčejně bystrý student chemie Louis Pasteur. Výzva tajemné optické aktivity vinných kyselin ho zaujala natolik, že se na ni vrhl hned při první příležitosti, tedy po obhájení doktorátu v roce 1847.

Někdy v roce následujícím se u Biota objednal na návštěvu s tím, že odhalil ono tajemství kyseliny vinné.

„Scheelova kyselina vinná odchyluje polarizované světlo doprava proto, že všechny její molekuly i krystaly z nich jsou pravotočivé. Zato Kestnerova kyselina je rovnou směsí krystalů pravo- i levotočivých, takže se jejich optický účinek ruší...“ A ukázal Biotovi dřevěné modely obou izomerů: Lišily se stejně, jako se liší předmět a jeho obraz v zrcadle nebo jako pravá a levá ruka.

Potom společně s Biotem vyštrachal z jeho skříně čtvrt století starou průmyslovou kyselinu, rozpustil ji ve vodě a nechal čerstvě vykrystalovat. (Měl štěstí, kyselina vinná je jednou z mála opticky aktivních sloučenin, které při krystalizaci tvoří samostatné krystaly obou forem.) Potom přímo před Biotovýma očima vytáhl z kapsy lupu a po vzoru Popelčiných holoubků krystaly pod ní přebral pinzetou. Vzápětí obě hromádky rozpustil a Biot se na polaroskopu osobně přesvědčil, že jeden roztok točí rovinu polarizovaného světla po směru (stejně jako Scheeleho kyselina) a druhý proti směru hodinových ručiček.

Čtyřiasedmdesátiletý „zapadající“ učenec, oslněný prostotou a přesvědčivostí pokusu, podal šestadvacetiletému, vědecky „vycházejícímu“ Pasteurovi ruku a pronesl pohnutě: „Přiměl jste mé staré srdce vědce, aby se ještě jednou rozbušilo!“

Chemie v zrcadle

Proč ale vznikají dvě kyseliny? Dají se nějak převést jedna v druhou?

Po pěti letech intenzivního výzkumu všech možných průmyslových kyselin vinných (kvůli jedné navštívil i Prahu) na to Pasteur kápl: Zahřeje-li se opticky aktivní kyselina vinná se zředěnými kyselinami nebo zásadami nad 185 °Celsia, změní se v kyselinu neaktivní (pro odlišení se jí začalo říkat hroznová), což se stávalo při její průmyslové výrobě. A naopak, pokud se k opticky neaktivní kyselině hroznové přidají vhodné mikroorganismy (zde plíseň Penicillium glaucum), „vyjedí“ z ní pravotočivý izomer a levotočivého si ani nevšimnou. Tohle si Pasteur dal dohromady s už známým faktem, že jiné mikroorganismy, konkrétně vinné kvasinky, zase produkují vinnou kyselinu výhradně pravotočivou, a usoudil, že život upřednostňuje molekuly pouze jedné konfigurace.

Dokonce už tehdy v padesátých letech 19. století vyslovil přesvědčení, že „dobře patrnou linií, podle níž lze v současné době rozlišit chemii mrtvé hmoty a chemii živé hmoty“ je právě správná prostorová orientace zúčastněných aktivních molekul. Pro vlastnost charakterizovanou zrcadlově opačným prostorovým uspořádáním molekul pak navrhl termín chiralita, asi proto, že chirální molekuly se k sobě mají jako pravá a levá ruka a cheir je řecky „ruka“. (Podmínkou chirality, tedy i optické aktivity je, že molekula musí obsahovat takzvaný asymetrický uhlík, atom uhlíku vázaný se čtyřmi různými skupinami. Pokud je v molekule takových uhlíků víc, jejich optické účinky se skládají.)

Louis PasteurVolné dílo

Pasteur se potom dal na biologii a svým vynálezem aktivní imunizace se stal jedním z nejprospěšnějších lidí v dějinách světa.

Jím založenou (a poté opuštěnou) linii stereo-bio-chemie po něm rozvíjeli jiní – a nemohli než znovu a znovu potvrzovat Mistrovu předvídavost: Ano, živá příroda je z hloubi své molekulární struktury asymetrická. Ano, všechny základní strukturní i funkční látky života jsou chirální, přičemž v procesech života se vždy uplatňuje pouze jeden ze dvou možných optických antipodů, zatímco ten druhý je pro život neviditelný.

Aniž zabředneme do nadměrných podrobností, veškeré aminokyseliny (pokud mají zrcadlové izomery), tudíž i bílkoviny jsou v organismech levotočivé, zatímco naše DNA nebo sacharidy jsou naopak pravotočivé. Pokud by se tedy nějaký kosmický trosečník ocitl na planetě s chirálním „antiživotem“, nu, neanihiloval by v katastrofickém výbuchu jako při styku hmoty a s antihmotou, ale čekal by ho „pouze“ osud ne nepodobný Tantalovu: Obklopen dostatkem plodů a zvěře, umřel by de facto hlady, poněvadž bílkoviny utvořené z pravotočivých aminokyselin by jeho tělo možná vyvrhlo, možná natrávilo, ale rozhodně z nich nezískalo naprosto žádné živiny ke stavbě tkání.

Hezky to říká Alenka Lewise Carrolla v rozpravě se svou kočkou: „Jakpak by se ti líbilo žít v domě za zrcadlem? Nevím, zdali by ti tam dávali mlíčko. Ale je také možné, že mléko ze světa za zrcadlem se nehodí k pití!“

Život bez duchů a fluid

Zatím jsme se tedy naučili syntetizovat organické molekuly. Pokud ale byly chirální, dosavadní chemická syntéza urodila jejich racemickou směs, tedy stejná množství obou optických antipodů (říká se jim také enantiomery). Problém nastal, když každý izomer vykazoval jinou biologickou účinnost, například za charakteristickou vůni citronů a pomerančů odpovídá chemicky stejná látka – v prvním případě (+)-limonen, ve druhém (-)-limonen.

Horší ovšem je, když jeden enantiomer prospívá a druhý škodí. Klasickým a svou strašlivostí nezapomenutelným příkladem byla sloučenina zvaná thalidomid.

Před šedesáti lety se prodávala pod názvem Contergan proti těhotenské ranní nevolnosti. Molekula thalidomidu existuje ve dvou zrcadlových variantách, obsažených v léku ve stejném množství, neboť výrobce je nedokázal (a zprvu ani neměl důvod) oddělit. Pravotočivá forma léčila. Druhá, ta levá, jak ukázal čas, působila děsivé deformity plodů.

V době, kdy lidé ve světě oplakávali thalidomidové děti, se chemik William Knowles pokoušel v soukromé výzkumné laboratoři v St. Louis připravit sloučeninu nadějnou v léčbě degenerativních mozkových chorob, například Parkinsonovy nemoci. Syntéza katalyzovaná práškovým rhodiem spočívala v hydrogenaci výchozí molekuly, původně rovinné, která se ale po přijetí dvou atomů vodíku rozprostřela do prostoru a stala se chirální.

A přesně podle termodynamických zákonů (tedy ve snaze po maximální neuspořádanosti) vznikaly ve stejném poměru dva optické antipody, přičemž jeden měl žádoucí účinky a druhý byl jedovatý.

A tady Knowlese osvítil svatý Albert, patron vědců: Co zakomponovat atom rhodia do molekuly takového tvaru, aby výchozí molekule – až se k ní přiblíží kvůli katalýze – nechala v okolním prostoru místo jen pro vznik toho správného stereoizomeru?

To byla úžasná idea a neméně báječné bylo, že ji skvělý chemik Knowles dokázal naplnit. Tak se v roce 1968 zrodily asymetrické syntézy umožňující získat pouze jeden vybraný antipod.

William Knowles, otec chirální katalýzy, dostal v roce 2001 Nobelovu cenu. (Lék, který tehdy syntetizoval, je levo-dihydroxyfenylalanin neboli L-DOPA. Na parkinsoniky účinkoval, jak napsal neurolog a spisovatel Oliver Sacks, způsobem, „který si nikdo předtím neuměl představit“.)

William Knoiwles přebírá Nobelovu cenu, rok 2001.Hans Mehlin, The Nobel Foundation

Nekonečné jsou cesty vesmírem poznání...

Pokud to tedy shrneme: Před 190 lety Friedrich Wöhler syntetizoval formálně první organickou sloučeninu (močovinu) a uštědřil principu životní síly první zásah. Před 170 lety Louis Pasteur objevil vpravdě životní význam prostorového uspořádání molekul a první takovou molekulu, (+)-kyselinu vinnou, dokázal cíleně připravit (byť pouze za pomoci živoucích mikroorganismů, což vitalisty trochu vrátilo do hry). Nu a před lety padesáti William Knowles „uvařil“ první enantiomer v tom správném prostorovém uspořádání (L-DOPA), čímž vitalismus podruhé poslal do vědecké ilegality.

Jinak řečeno, za Berzelia, Liebiga, Wöhlera povstala biochemie jako věda takříkajíc plošná, s molekulami coby rovinnými obrazci.

Pasteur a Knowles ji rozvinuli do 3D a z molekul udělali tělesa. Pokud bychom měli v myšlenkách pokračovat dál, pak příštím stupněm by měla být biochemie 4D operující s organismy jako čtyř- či vícerozměrnými útvary, z nichž vnímáme jen trojrozměrné „stíny“ či „průměty“. (Jeden takový model života vytvořili za druhé světové války dva čeští vědci, matematik Otakar Borůvka a biolog Ferdinand Herčík.)

Vizuálně nepředstavitelné, ale fyzikálně možné a po objevu temné hmoty ve vesmíru možná dokonce pravděpodobné. Otázka zní: Je v takovéto supervědě o životě ještě vůbec místo pro vitalismus? Ovšemže ano, jen chtít – vždyť onen „zavinutý“ čtvrtý, popřípadě další rozměr nebo vlastně už sama existence molekulové asymetrie života i příčiny jejího vzniku skýtají vítanou záminku pro další, „pokročilejší“ vitalistické či dokonce náboženské spekulace...