Amerikaans-Deens trio krijgt Nobelprijs voor Scheikunde voor het ontwikkelen van ingenieuze instrumenten om moleculen te bouwen

Scheikundigen proberen al lang om steeds ingewikkelder moleculen te bouwen. In farmaceutisch onderzoek gaat het daarbij vaak om het kunstmatig recreëren van natuurlijke moleculen met geneeskrachtige eigenschappen. Dat heeft geleid tot veel bewonderenswaardige moleculaire constructies, maar doorgaans is het erg tijdrovend en duur om die te produceren.

"De Nobelprijs voor Scheikunde draait dit jaar rond de zaken niet nodeloos moeilijk te maken maar in plaats daarvan te werken met wat makkelijk en eenvoudig is. Functionele molecules kunnen zelfs gebouwd worden door de eenvoudige weg te nemen", zei Johan Åqvist, de voorzitter van het Nobelcomité voor Scheikunde. 

Barry Sharpless - die voor de tweede keer een Nobelprijs krijgt, iets wat in totaal slechts vijf wetenschappers ooit te beurt is gevallen - bracht de bal aan het rollen. Rond het jaar 2000 bedacht hij het concept van de klikchemie, wat een vorm van eenvoudige en betrouwbare scheikunde is, waarbij reacties snel gebeuren en ongewenste bijproducten vermeden worden. 

Kort daarna presenteerden Morten Meldal en Barry Sharpless - onafhankelijk van elkaar - wat nu het kroonjuweel van de klikchemie is: de door koper gekatalyseerde azide-alkyn-cycloadditie. Dat is een elegante en efficiënte chemische reactie die nu veel gebruikt wordt. Naast veel andere toepassingen wordt ze gebruikt bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, om DNA in kaart te brengen en beter geschikte materialen te creëren. 

Carolyn Bertozzi bracht de klikchemie naar een nieuw niveau. Om belangrijke maar moeilijk te bestuderen biomoleculen op het oppervlak van cellen - complexe suikers die glycanen genoemd worden - in kaart te brengen, ontwikkelde ze klikreacties die in levende organismen werken. Haar bio-orthogonale reacties vinden plaats zonder de normale scheikundige processen van de cel te verstoren. 

Die reacties worden nu wereldwijd gebruikt om cellen te onderzoeken en biologische processen op te volgen. Dankzij bio-orthogonale reacties hebben onderzoekers de gerichtheid van kankermiddelen verbeterd. Die middelen worden nu getest in klinische studies. 

Klikchemie en bio-orthogonale reacties hebben de scheikunde in een tijdperk van doelgerichtheid gebracht. Dat is van zeer groot nut voor de mensheid, zegt het Nobelcomité. 

Het verhaal van de Nobelprijzen dit jaar bestaat uit twee hoofdstukken. Het eerste begint in 2001, het jaar waarin Barry Sharpless zijn eerste Nobelprijs voor Scheikunde kreeg.

Dat was nog niet gebeurd toen hij in een wetenschappelijk tijdschrift pleitte voor een nieuwe en minimalistische benadering in de scheikunde. Hij was ervan overtuigd dat het tijd was dat scheikundigen ermee zouden ophouden natuurlijke moleculen na te bootsen. Die aanpak gaf vaak als resultaat moleculaire constructies die erg moeilijk beheerst konden worden, wat een obstakel is voor het ontwikkelen van nieuwe geneesmiddelen. 

Als een potentieel geneesmiddel in de natuur gevonden wordt, kunnen er vaak kleine hoeveelheden van de substantie aangemaakt worden voor in-vitrotesten in het laboratorium en voor klinische testen. Als in een later stadium echter industriële productie in grote hoeveelheden vereist is, is daarvoor een veel hoger niveau van efficiënte nodig. 

Sharpless gebruikte een krachtig antibioticum, meropenem, als voorbeeld. Er waren zes jaar van chemisch onderzoek nodig om een manier te vinden om die molecule op grote schaal te produceren. 

Een struikelsteen voor scheikundigen waren volgens Barry Sharpless de verbindingen tussen koolstofatomen die zo essentieel zijn voor de chemie van het leven. 

In principe hebben alle biomoleculen - moleculen uit levende wezens - een raamwerk van verbonden koolstofatomen. Het leven heeft methoden ontwikkeld om die te creëren, maar voor scheikundigen is dat verduiveld moeilijk gebleken. De oorzaak daarvan is dat koolstofatomen van verschillende moleculen vaak geen chemische neiging hebben om verbindingen met elkaar te vormen en dus kunstmatig geactiveerd moeten worden. Die activering leidt vaak tot talrijke ongewenste nevenreacties en tot een kostbaar verlies van materiaal.

In plaats van te proberen de onwillige koolstofatomen te overhalen om met elkaar te reageren, moedigde Sharpless zijn collega's aan te starten met kleinere moleculen die reeds een complex koolstofraamwerk hadden. Deze eenvoudige moleculen zouden dan met elkaar verbonden kunnen worden met bruggen van waterstof- of zuurstofatomen, die makkelijker te controleren zijn. Als scheikundigen kiezen voor eenvoudige reacties - waar er een sterke intrinsieke neiging bestaat voor de moleculen om zich te verbinden - vermijden ze veel van de nevenreacties, met slechts een minimaal verlies aan materiaal.  

Sharpless noemde deze krachtige manier om moleculen op te bouwen 'klikchemie'. Hij zei dat zelfs als klikchemie er niet in slaagt exacte kopieën te maken van natuurlijke moleculen, het mogelijk zal zijn om moleculen te vinden die dezelfde functies kunnen uitoefenen. 

Eenvoudige chemische bouwstenen samenvoegen, maakt het mogelijk een bijna eindeloze verscheidenheid aan moleculen te creëren en dus was Sharpless ervan overtuigd dat klikchemie geneesmiddelen zou kunnen genereren die even geschikt zouden zijn als de middelen die in de natuur worden gevonden. En die klikmiddelen zouden op industriële schaal geproduceerd kunnen worden. 

In zijn publicatie van 2001 lijstte Sharpless een aantal criteria op waaraan voldaan zou moeten worden om een chemische reactie een klikreactie te kunnen noemen. Een daarvan is dat de reactie plaats zou moeten kunnen vinden in de aanwezigheid van zuurstof en water, wat een goedkoop en milieuvriendelijk oplosmiddel is. 

Hij gaf ook voorbeelden van verschillende bestaande reacties waarvan hij geloofde dat ze voldeden aan de nieuwe idealen die hij vooropgezet had. 

Niemand was echter toen al op de hoogte van de briljante reactie die nu bijna synomiem is geworden met klikchemie - de copper catalysed azide-alkyne cycloaddition, de door koper gekatalyseerde azide-alkyn-cycloadditie. Die stond op het punt ontdekt te worden in een laboratorium in Denemarken. 

Veel onbetwistbare wetenschappelijke vooruitgang vindt plaats als onderzoekers het allerminst verwachten en dat was ook het geval voor Morten Meldal.

In het begin van deze eeuw was Meldal methoden aan het ontwikkelen om potentiële farmaceutische substanties te vinden. Hij bouwde enorme moleculaire bibliotheken op, die honderdduizenden verschillende substanties konden bevatten en screende die dan allemaal om te zien of er bij zaten die ziekmakende processen konden blokkeren. 

Terwijl hij dit aan het doen was, voerden hij en zijn collega's op een dag een volkomen routinereactie uit. Hun doel was een alkyn te laten reageren met een acyl-halide. Die reactie verloopt gewoonlijk probleemloos, op voorwaarde dat de scheikundigen wat koperionen en mogelijk een snuifje palladium toevoegen als katalysatoren. 

Maar toen Meldal analyseerde wat er in het reactievat gebeurd was, vond hij iets dat hij niet verwacht had. Het bleek dat het alkyn gereageerd had met de verkeerde kant van de acyl-halide-molecule. Aan die kant bevindt zich een chemische groep die een azide genoemd wordt, en met die azide had het alkyn een structuur gecreëerd die een triazool genoemd wordt, een vijfring met drie stikstof(N)atomen.   

Scheikundigen weten dat triazolen nuttige chemische structuren zijn: ze zijn stabiel en worden onder meer gevonden in een aantal geneesmiddelen, verfstoffen en landbouwchemicaliën.  

Omdat triazolen gewilde chemische bouwstenen zijn, hadden onderzoekers al eerder geprobeerd om ze te maken uit alkynen en aziden maar dat had tot ongewenste bijproducten geleid. 

Meldal besefte dat de koperionen de reactie gecontroleerd hadden zodat er in principe slechts één substantie gevormd werd. Zelfs de acyl-halide - die zich had moeten verbinden met het alkyn - bleef min of meer onaangetast in het vat. Het was dan ook overduidelijk voor Meldal dat de reactie tussen de azide en het alkyn iets buitengewoons was. 

Hij stelde zijn ontdekking voor het eerst voor op een symposium in San Diego in juni 2001. Het volgende jaar publiceerde hij een artikel in een wetenschappelijk tijdschrift waarin hij aantoonde dat de reactie gebruikt kan worden om talrijke verschillende moleculen met elkaar te verbinden.

In hetzelfde jaar - onafhankelijk van Meldal - publiceerde Sharpless ook een artikel over de door koper gekatalyseerde reactie tussen aziden en alkynen, waarin hij aantoonde dat de reactie kan plaatsvinden in water en betrouwbaar is. Hij beschreef ze als de 'ideale' klikreactie. De reactie is krachtig en Sharples stelde voor dat scheikundigen de reactie zouden gebruiken om verschillende moleculen makkelijk aan elkaar te hangen. Hij beschreef haar potentieel als 'enorm'. 

Achteraf bekeken kunnen we vaststellen dat hij gelijk had. Als scheikundigen twee verschillende moleculen willen verbinden kunnen ze nu, tamelijk gemakkelijk, een azide in een molecule introduceren en een alkyn in de andere. Vervolgens klikken ze de moleculen aan elkaar met behulp van wat koperionen. 

De eenvoud van de reactie heeft ervoor gezorgd dat ze enorm populair is geworden, zowel in onderzoekslaboratoria als in de industrie. 

Zo vergemakkelijken klikreacties de productie van nieuwe nuttige materialen. Als een producent een klikbaar azide toevoegt aan een plastic of een vezel, is het eenvoudig om het materiaal in een later stadium aan te passen. Zo is het mogelijk er substanties in te klikken die elektriciteit geleiden, zonlicht opvangen, antibacteriële eigenschappen hebben, beschermen tegen ultraviolette straling of die andere wenselijke eigenschappen hebben. In plastics kunnen zachtmakers geklikt worden zodat die er later niet uitlekken. In farmaceutisch onderzoek wordt klikchemie gebruikt om substanties te produceren en te optimaliseren die potentieel geneesmiddelen kunnen worden. 

Er zijn veel voorbeelden van wat klikchemie kan bereiken. Iets wat Sharpless echter niet voorspeld had, was dat ze gebruikt zou worden in levende wezens. En daarmee zijn we aan het tweede hoofdstuk van het verhaal van de Nobelprijs voor Scheikunde van dit jaar gekomen. 

Dit deel van het verhaal begint in de jaren 90, toen de biochemie en de moleculaire biologie een explosieve vooruitgang kenden. Dankzij nieuwe methoden in de moleculaire biologie brachten onderzoekers wereldwijd genen en eiwitten in kaart om te begrijpen hoe cellen werken. Er heerste een pioniersgeest en elke dag werd er nieuwe kennis aan het licht gebracht over gebieden die tot dan toe terra incognita waren. 

Een groep van moleculen kreeg echter nauwelijks aandacht: glycanen. Dat zijn complexe koolhydraten die bestaan uit verschillende soorten suikers en die vaak op het oppervlak van eiwitten en cellen zitten. Ze spelen een belangrijke rol in tal van biologische processen, zoals wanneer virussen cellen infecteren of als het immuunsysteem geactiveerd wordt.

Glycanen zijn dus interessante moleculen maar het probleem was dat de nieuwe instrumenten voor de moleculaire biologie niet gebruikt konden worden om ze te bestuderen. Iemand die wilde weten hoe glycanen werken, stond dus voor een enorme uitdaging en slechts een paar onderzoekers waren bereid die berg te beklimmen. Een van hen was Carolyn Bertozzi. 

In de vroege jaren 90 begon Bertozzi een glycaan in kaart te brengen dat immuuncellen naar lymfeknopen aantrekt. Het gebrek aan efficiënte instrumenten betekende dat het vier jaar duurde voor ze een beeld kreeg van hoe het glycaan functioneerde. 

Dat moeizame proces maakte dat ze van iets beters droomde en ze had een idee. Tijdens een congres luisterde Bertozzi naar een Duitse wetenschapper die uitlegde hoe hij erin geslaagd was cellen een niet-natuurlijke variant van siaalzuur te laten produceren. 

Siaalzuur is een van de suikers waaruit glycanen bestaan en Bertozzi vroeg zich af of ze een gelijkaardige methode kon gebruiken om cellen ertoe te brengen een siaalzuur te produceren met een soort van chemisch handvat. Als de cellen het gemodificeerde siaalzuur zouden incorporeren in verschillende glycanen, zou ze het chemische handvat kunnen gebruiken om de glycanen in kaart te brengen. Ze zou bijvoorbeeld een fluorescerende molecule aan het handvat kunnen vastmaken en het uitgestraalde licht zou dan blootleggen waar de glycanen verstopt zaten in de cel. 

Dat was het begin van een lang en gefocust onderzoek. Bertozzi begon de wetenschappelijke literatuur uit te kammen naar chemische handvaten en een chemische reactie die ze zou kunnen gebruiken. Dat was geen eenvoudige opdracht want het handvat mocht niet reageren met een andere substantie in de cel, het moest ongevoelig zijn voor absoluut alles, op de moleculen na die ze aan het handvat ging vastmaken. Ze bedacht hier een uitdrukking voor: de reactie tussen het handvat en de fluorescerende molecule moest bio-orthogonaal zijn. 

Om een lang verhaal kort te maken, in 1997 slaagde Bertozzi erin te bewijzen dat haar idee echt werkte. De volgende doorbraak kwam er in 2000, toen ze het optimale chemische handvat vond: een azide. 

Ze paste op een ingenieuze manier een bestaande reactie aan - de Staudingerreactie - en gebruikte die om een fluorescerende molecule vast te maken aan de azide die ze in de glycanen van de cellen had ingebracht. Omdat de azide geen invloed heeft op de cellen, kan die zelfs in levende wezens ingebracht worden. 

Hiermee had ze al een belangrijk geschenk gegeven aan de bioscheikunde. Met een beetje chemische creativiteit kan haar aangepaste Staudingerreactie gebruikt worden om cellen op verschillende manieren in kaart te brengen, maar Bertozzi was nog niet tevreden. Ze was er zich immers van bewust geworden dat het chemische handvat dat ze gebruikte - de azide - nog veel meer te bieden had.  

Rond deze tijd begon het nieuws over de nieuwe klikchemie van Meldal en Sharpless zich te verspreiden onder scheikundigen en Bertozzi was er zich terdege van bewust dat haar handvat - de azide - zich snel aan een alkyn kan vastklikken als er maar koperionen beschikbaar zijn.  

Dat was echter een probleem want koper is giftig voor de meeste levensvormen. Bertozzi dook dus opnieuw diep in de literatuur en ontdekte dat in 1961 aangetoond was dat aziden en alkynen met elkaar kunnen reageren op een bijna explosieve manier - zonder de hulp van koper - als het alkyn gedwongen wordt in een ringvormige chemische structuur. De spanning daarvan geeft zo veel energie dat de reactie vlot verloopt. 

De reactie liep goed toen ze die uittestte in cellen. In 2004 publiceerde ze de kopervrije klikreactie - die de strain-promoted alkyne-azide cycloaddition genoemd werd, door spanning gestimuleerde alkyn-azide-cycloadditie. Ze toonde ook aan dat die gebruikt kan worden om glycanen op te volgen.  

Deze mijlpaal betekende ook het begin van iets veel groters. Bertozzi was haar klikreactie blijven verfijnen, zodat ze nog beter werkt in cellen. Parallel daarmee hebben zij en vele andere onderzoekers deze reacties gebruikt om te onderzoeken hoe biomoleculen met elkaar interageren in cellen en om ziekteprocessen te bestuderen.

Een gebied waarop Bertozzi zich concentreert, zijn glycanen op het oppervlak van tumorcellen. Haar studies hebben tot het inzicht geleid dat sommige glycanen tumoren lijken te beschermen tegen het immuunsysteem van het lichaam, doordat ze maken dat de immuuncellen zich uitschakelen. 

Om dit beschermende mechanisme te blokkeren, hebben Bertozzi en haar collega's een nieuw soort biogeneesmiddel gecreëerd. Ze hebben een glycaan-specifiek antilichaam gecombineerd met enzymen die de glycanen op het oppervlak van tumorcellen afbreken. Dat middel wordt nu getest in klinische studies met mensen met vergevorderde kankers. 

Veel onderzoekers zijn ook gestart met de ontwikkeling van klikbare antilichamen die een gamma van tumoren viseren. Eens de antilichamen zich vastgehecht hebben aan de tumor, wordt een tweede molecule ingespoten die zich vastklikt aan het antilichaam. Dat kan bijvoorbeeld een radio-isotoop zijn die gebruikt kan worden om tumoren te volgen met een PET-scanner of die een dodelijke dosis straling op de kankercellen kan richten. 

We weten nog niet of deze nieuwe therapieën zullen werken, maar één ding is duidelijk: het onderzoek is nog maar net begonnen met het ontginnen van het enorme potentieel van klikchemie en bio-orthogonale chemie.

Toen Barry Sharpless zijn eerste Nobelprijslezing gaf in Stockholm in 2001, sprak hij over zijn jeugd die gekleurd was door de eenvoudige waarden van de quakers en die zijn idealen beïnvloed heeft. 

"'Elegant' en 'slim waren de uitverkoren scheikundige lofbetuigingen toen ik onderzoek begon te doen, net zoals 'nieuw' nu de hoogste lof is. Misschien zijn de quakers er verantwoordelijk voor dat ik het meeste waarde hecht aan 'nuttig'", zei hij. 

Alle vier de lofbetuigingen zijn nodig om recht te doen aan de scheikunde waarvan hij, Carolyn Bertozzi en Morten Meldal de fundamenten hebben gelegd. Bovenop het feit dat die elegant is, slim, nieuw en nuttig, is ze ook van zeer groot nut voor de mensheid, zo zegt het Nobelcomité. 

Bron: The Royal Swedish Academy of Science.   

Het is Nobelprijsweek. Deze week wordt elke dag een winnaar wereldkundig gemaakt in een van de volgende thema’s: geneeskunde (eergisteren), natuurkunde (gisteren), scheikunde (vandaag), literatuur (donderdag), vrede (vrijdag) en economie (volgende week maandag). De eigenlijke uitreiking is pas op 10 december: de sterfdag van de Zweedse industrieel Alfred Nobel naar wie de prijzen genoemd zijn en die overigens ook het dynamiet heeft uitgevonden.

De prestigieuze prijzen worden sinds 1901 uitgereikt en waren een initiatief van Nobel. Hij liet in zijn testament opnemen dat na zijn overlijden er in vijf categorieën prijzen moesten worden uitgedeeld aan degenen die "in het afgelopen jaar het grootste nut hebben geleverd voor de mensheid". Sinds de jaren 60 geeft de Zweedse nationale bank ook een economische prijs die vernoemd is naar Nobel.

Met de prijs is naast veel prestige, een diploma en een medaille ook een geldbedrag gemoeid. De winnaar(s) van elke categorie krijgt dit jaar een bedrag van 10 miljoen Zweedse kronen, zowat 918.000 euro. Het geld is voor alle duidelijkheid bedoeld voor vervolgonderzoek.