2022 Nobel Kimya Ödülü: Foksiyonel (İşlevsel) Kimya Harikalar Yaratıyor

Barry Sharpless, bir emniyet kemerinin tokasının yuvaya girerek kilitlenmesi sırasında çıkan ve İngilizce’de “click”, Türkçe’deyse “tık” sözcüğüyle ifade edilen sesten esinlenerek, iki molekülün birbirine kilitlendiği bu tepkimelere “click reactions” yani “tık tepkimeleri” adını vermiştir (ç.n.)

On sekizinci yüzyılda modern kimyanın doğuşundan beri, birçok kimyager doğayı rol modeli olarak kullanmıştır. Yaşamın kendisi, doğanın kimyasal karmaşıklık yaratma konusundaki üstün yeteneğinin nihai kanıtıdır. Bitkilerde, mikroorganizmalarda ve hayvanlarda bulunan muhteşem moleküler yapılar, araştırmacıları aynı molekülleri yapay olarak oluşturmaya teşvik etti. Doğal molekülleri taklit etmek çoğu zaman ilaç geliştirmede önemli bir rol oynamıştır, çünkü ilaçların birçoğunda doğal maddelerden esinlenilmiştir. Yüzlerce yılda biriken kimya bilgisi değerini kanıtlamıştır. Kimyagerler, geliştirdikleri karmaşık araçları kullanarak artık laboratuvarlarında en şaşırtıcı molekülleri yaratabiliyorlar. Bununla birlikte, zorlu bir sorun, karmaşık moleküllerin inşasının pek çok adımı gerektirmesidir. Her adım istenmeyen yan ürünler yaratır- bazen biraz daha fazla ve bazen biraz daha az. Sürecin ilerlemesi için bu yan ürünler ortadan kaldırılmalıdır ve bazı zor yapılar için malzeme kaybı o kadar büyük olabilir ki geriye neredeyse hiçbir şey kalmaz. Kimyagerler genellikle zorlu amaçlarına ulaşırlar, ancak oradaki yol hem zaman alıcı hem de pahalı olabilir. Bu yılki Ödül, yeni kimyasal idealler bulmak ve basitlik ve işlevselliğin öncelik kazanmasını sağlamakla ilgilidir.

Kimyada, Fonksiyonalizm (İşlevselcilik) Devri Başladı

Bu yılkiyle birlikte ikinci kez Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülen Barry Sharpless, giderek büyüyen kartopunu yuvarlanmaya başlayan ilk kişiydi. 21. Yüzyıla girdiğimizde, fonksiyonel kimyada moleküler yapı taşlarının hızlı ve verimli bir şekilde bir araya getirilmesini sağlayacak olan “tık kimyası=click chemistry” kavramını icat etti. Morten Meldal ve Barry Sharpless - birbirinden bağımsız olarak - tık kimyasının baş tacı haline gelen “bakırın katalizlediği azid-alkin sikloadisyonu”nu bulduklarında kartopu çığa dönüştü.

Biyoortogonal tepkime terimi, canlı bir systemin içinde, doğal biyokimyasal süreçlere müdahale etmeden gerçekleşen kimyasal tepkimeler için kullanılır.

Carolyn Bertozzi, canlı organizmaların içinde kullanılabilecek tık reaksiyonlarını geliştirdi. Hücrenin normal kimyasını bozmadan gerçekleşen biyoortogonal tepkimeler, hücrelerin nasıl çalıştığını haritalamak için kullanılmaktadır. Bazı araştırmacılar şimdi bu reaksiyonların kanseri teşhis etmek ve tedavi etmek için nasıl kullanılabileceğini araştırıyorlar, buna geri döneceğiz. Şimdi 2022 Nobel Kimya Ödülü'ne götüren iki başlıktan ilkini izleyelim.

Sharpless, Kimyacıların Yeni İdeallere İhtiyaçları Olduğuna İnanıyordu

İlmik, Barry Sharpless'ın ilk Nobel Kimya Ödülü'nü aldığı yıl olan 2001 yılında çözülmeye başlandı. Ancak, bir bilimsel dergide kimyada yeni ve minimalist bir yaklaşımı gündeme getirdiğinde çözüm süreci henüz başlamamıştı. Kimyacıların doğal molekülleri taklit etmeyi bırakma zamanının geldiğine inanıyordu. Ama, bu girişimler genellikle, yeni ve ustalaşılması çok zor olan moleküler yapılarla sonuçlanıyordu. Bu da yeni ilaçların geliştirilmesinin önünde bir engel yaratıyordu.

Potansiyel bir ilaç doğada bulunursa, maddeyi in vitro testler ve klinik deneyler için genellikle küçük hacimlerde üretmek mümkün olur. Ancak daha sonraki aşamada sınai boyutta üretime ihtiyaç duyulursa, çok daha verimli üretim yapılması gereklidir. Sharpless, örnek olarak güçlü bir antibiyotik olan meropenemi kullandı. Molekülün büyük ölçekte üretilmesinin bir yolunu bulmak için altı yıl süren kimyasal geliştirme çalışması gerekliydi.

Uzlaşmaz Moleküllerle Çalışmak Pahalıdır

Barry Sharpless'a göre kimyacılar için engellerden biri, yaşamın kimyası için hayati önem taşıyan karbon atomları arasındaki bağlardı. Prensip olarak, tüm biyomoleküller bağlı karbon atomlarından oluşan bir iskelete sahiptir. Hayat, bunları yaratmak için yöntemler geliştirdi, ancak bunun, kimyacılar için herkesin bildiği gibi zor olduğu görüldü. Bunun nedeni, farklı moleküllerden gelen karbon atomlarının genellikle birbirleriyle bağ oluşturmak yönünde kimyasal eğilime sahip olmamasıdır, bu nedenle bunların yapay olarak etkinleştirilmeleri gerekir. Bu etkinleştirme ise genellikle çok sayıda istenmeyen yan tepkimeye ve maliyetli malzeme kayıplarına yol açar.

Barry Sharpless, tepkime yatkınlığı olmayan karbon atomlarını birbirleriyle tepkimeye sokmaya çalışmak yerine, meslektaşlarını zaten eksiksiz bir karbon iskeletine sahip olan küçük moleküllerle işe başlamaya teşvik etti. Bu basit moleküller daha sonra, kontrol edilmesi daha kolay olan azot veya oksijen atomu köprüleri kullanılarak birbirine bağlanabilirler. Kimyacılar, iştirak eden moleküllerin birbirlerine bağlanmak için güçlü yatkınlık gösterdiği basit tepkimeleri seçerlerse, minimum malzeme kaybıyla birçok yan tepkimeden de kaçınmış olurlar.

Tık Kimyası – Büyük Potansiyele Sahip Fonksiyonel Yeşil Kimya

Barry Sharpless, moleküller oluşturmaya yarayan bu sağlam yöntemi tık kimyası olarak adlandırdı. Tık kimyasıyla, doğal moleküllerin tam kopyaları elde edilemese de aynı işlevlere sahip moleküller bulmanın mümkün olacağını söylüyordu. Basit kimyasal yapı taşlarını birleştirmek, neredeyse sonsuz çeşitlilikte molekül yaratmayı mümkün kılar. Bu yüzden, tık kimyasını kullanarak hem doğada bulunanlar kadar amaca uygun hem de sanayi ölçeğinde üretilmesi mümkün ilaçlar üretilebileceğine inandı.

Sharpless, 2001 tarihli yayınında, bir kimyasal tepkimenin tık kimyası olarak adlandırılması için yerine getirilmesi gereken birkaç kriteri sıraladı. Bunlardan biri, tepkimenin oksijen varlığında ve hem ucuz hem de çevre dostu bir çözücü olan su içinde gerçekleşebilmesinin gerektiği idi.

Ayrıca ortaya koyduğu yeni idealleri yerine getirdiğine inandığı birkaç mevcut tepkimeden örnekler verdi. Ama, henüz kimse, tık kimyası ile neredeyse eşanlamlı hale gelen parlak reaksiyonu yani bakırın katalizörlüğünde yürüyen azid-alkin sikloadisyonunu bilmiyordu. Bu tepkime, Danimarka'daki bir laboratuvarda keşfedilmek üzereydi.

Kimyayı Değiştiren Tık Tepkimesi

Azidler ve alkinler, bakır iyonu eklendiğinde çok verimli biçimde tepkime verirler. Şimdi bu tepkime, tüm dünyada, molekülleri basit biçimde birbirlerine bağlamakta kullanılıyor.

Meldal'ın Tepkime Kabında Beklenmedik Bir Madde

Sonucu belirleyen çoğu bilimsel ilerleme, araştırmacıların hiç beklemediği bir zamanda gerçekleşir ve bu Morten Meldal için geçerliydi. Bu yüzyılın ilk yıllarında, potansiyel ilaç maddeleri bulmak için yöntemler geliştiriyordu. Yüzbinlerce farklı maddeyi içerebilen devasa molekül kütüphaneleri kurdu ve daha sonra herhangi birinin hastalığa yol açan süreçleri engelleyip engelleyemeyeceğini görmek için hepsini taradı.

Bu sıralarda bir gün Meldal ve meslektaşları tamamen sıradan bir tepkimeyi gerçekleştiriyorlardı. Bu kısmı hatırlamanıza gerek yok ama, amaçları bir alkini bir açil halojenür ile reaksiyona sokmaktı. Kimyacılar katalizör olarak biraz bakır iyonu ve belki bir tutam paladyum eklendiğinde tepkime genellikle sorunsuz ilerler. Ancak Meldal tepkime kabında olanları analiz ettiğinde beklenmedik bir şey buldu. Alkinin, açil halojenür molekülünün yanlış ucuyla tepkimeye girdiği ortaya çıktı. Karşı uçta (yukarıdaki şekilde de gösterilen) azid adı verilen kimyasal bir grup vardı. Alkin ile birlikte azid, halka şeklinde bir yapı, bir triazol oluşturmuştu.

Bu Özel Bir Tepkimeydi

Biraz kimyadan anlayan kişiler, triazollerin yararlı kimyasal yapılar olduğunu bilebilir. Kararlıdırlar ve diğer şeylerin yanı sıra bazı ilaçlarda, boyalarda ve tarım kimyasallarında bulunurlar. Triazoller arzu edilen kimyasal yapı taşları olduğundan, araştırmacılar daha önce onları alkinlerden ve azidlerden oluşturmaya çalışmışlardı, ancak bu girişim istenmeyen yan ürünlere yol açıyordu. Morten Meldal, bakır iyonlarının reaksiyonu kontrol ettiğini, böylece prensipte sadece bir maddenin oluştuğunu fark etti. Aslında alkine bağlanması gereken açil halojenür bile kapta hemen hemen dokunulmadan kalmıştı. Bu nedenle Meldal için azid ve alkin arasındaki tepkimenin istisnai bir şey olduğu açıktı.

Keşfini ilk olarak Haziran 2001'de San Diego'daki bir sempozyumda sundu. Ertesi yıl, 2002’de, bilimsel bir dergide, tepkimenin çok sayıdaki farklı molekülü birbirine bağlamak için kullanılabileceğini gösteren bir makale yayımladı.

Moleküller Hızlı ve Verimli Bir Şekilde Bir Araya Geliyor

Aynı yıl, Morten Meldal'dan bağımsız olarak, Barry Sharpless, azidler ve alkinler arasında, bakırın katalizörlüğündeki tepkime hakkında, tepkimenin su içinde ilerlediğini ve güvenilir biçimde gerçekleştiğini gösteren bir makale yayınladı. Bunu “ideal” bir tık tepkimesi olarak nitelendirdi. Azid, kuvvetin bakır iyonu tarafından serbest bırakıldığı yüklü bir yay gibi davranıyordu. Proses sağlamdı ve Sharpless, kimyacıların farklı molekülleri de kolayca bağlamak için tepkimeyi kullanabileceğini öne sürdü. Tepkimenin potansiyelini muazzam olarak nitelendirdi. Geriye dönüp baktığımızda, haklı olduğunu görüyoruz. Kimyacılar iki farklı molekülü birbirine bağlamak istiyorlarsa, artık nispeten kolay bir şekilde bir moleküle bir azid ve diğerine bir alkin grubu ekleyebilirler ve sonra da bazı bakır iyonlarının yardımıyla molekülleri birbirlerine tuttururlar.

Tık Tepkimeleri Yeni Malzemeler Oluşturmak için Kullanılabilir

Bu basitlik, tepkimenin hem araştırma laboratuvarlarında hem de sanayi alanında son derece popüler hale gelmesine yol açmıştır. Diğer şeylerin yanı sıra, tık tepkimeleri belli bir amaca yönelik yeni malzemelerin üretimini kolaylaştırmaktadır. Bir üretici bir plastiğe veya elyafa tıklanabilir bir azid eklerse, malzemeyi daha sonraki bir aşamada değiştirmek kolayca yapılabilir; elektriği ileten, güneş ışığını soğuran, antibakteriyel olan, ultraviyole radyasyondan koruyan veya arzu edilen diğer özelliklere sahip olan maddeleri tıklamayla oluşturmak mümkündür. Ayrıca, plastikleri yumuşatmakta kullanılan katkılar da tıklama yoluyla eklenebilir. Böylece, zamanla plastik malzemenin “kusması” sonucunda yitirilmezler. İlaç araştırmalarında, potansiyel olarak ilaç hammaddesi olabilecek maddeleri üretmek ve optimize etmek için tık kimyası kullanılır.

Tık kimyasının neler başarabileceğine dair birçok örnek var. Ancak Barry Sharpless'ın öngörmediği şey bu yöntemin canlılarda kullanılabileceğiydi. Şimdi 2022 Nobel Kimya Ödülü'nün ikinci ipliğini çözeceğiz.

Bertozzi, bulunması zor karbonhidratları araştırmaya başladı

İşin bundan sonraki parçası, biyokimya ve moleküler biyolojinin adeta patlayarak ilerleme gösterdiği 1990'larda başlıyor. Dünyanın dört bir yanında, moleküler biyolojideki yeni yöntemleri kullanan araştırmacılar, hücrelerin nasıl çalıştığını anlama girişimlerinde, genlerin ve proteinlerin haritasını çıkarıyorlardı. Öncü bir ruh vardı ve bir zamanlar terra incognita (yani “keşfedilmemiş topraklar”) olan alanlar hakkında hergün yeni bilgiler üretiliyordu.

Bununla birlikte, bir grup molekül neredeyse hiç dikkat çekmedi: glikanlar. Bu moleküller çeşitli şeker türlerinden yapılan ve genellikle proteinlerin ve hücrelerin yüzeyine tutunan kompleks karbonhidratlardır. Glikanlar, virüslerin hücreleri enfekte etmesi veya bağışıklık sisteminin etkinleştirilmesi gibi birçok biyolojik süreçte önemli bir rol oynarlar. Bu nedenle ilginç moleküllerdir, ancak sorun moleküler biyolojide kullanılan yeni araçların gilkanları incelemekte kullanılamıyordu. Bu yüzden, glikanların nasıl çalıştığını anlamak isteyen herkes çok büyük bir zorlukla karşı karşıya kalıyordu. Bu dağa tırmanmaya hazır durumda olan sadece birkaç araştırmacı vardı ve bunlardan biri Carolyn Bertozzi'ydi.

Bertozzi Parlak Bir Fikir Geliştiriyor…

1990'ların başında Carolyn Bertozzi, bağışıklık hücrelerini lenf düğümlerine çeken bir glikanın haritasını çıkarmaya başladı. Etkili araçların olmaması, glikanın nasıl çalıştığını anlamanın dört yıl sürmesi anlamına geliyordu. Bu zorlu süreç onun daha iyi şeyler hayal etmesini sağladı ve aklına bir fikir geldi. İzlediği bir seminerde, bir Alman bilim adamından, glikanları oluşturan şekerlerden biri olan sialik asidin doğal olmayan bir çeşidini hücrelere ürettirmeyi nasıl başardığını dinlemişti. Bu nedenle Bertozzi, hücrelerin kimyasal yolla sialik asit üretmesini sağlamak için benzer bir yöntem kullanıp kullanamayacağını merak etmeye başladı. Hücreler, modifiye edilmiş sialik asidi farklı glikanlara dahil edebilseydi, bir “kimyasal kulp” (: chemical handle) kullanarak onların bulundukları konumların haritalamasını yapabilirdi. Örneğin, kimyasal kulpa bir floresan molekülü bağlayabilirdi ve yayılan ışık daha sonra glikanların hücrede nerede saklandığını ortaya çıkarabilirdi.

Bu, uzun sürecek olan odaklanmış geliştirme çalışmalarının başlangıcıydı. Bertozzi, kimyasal kulplar ve kullanabileceği kimyasal tepkime için bilimsel literatürü araştırmaya başladı. Bu kolay bir iş değildi, çünkü kulpun hücredeki başka herhangi bir madde ile tepkimeye girmemesi gerekliydi. Kimyasal kulpun, bağlanacağı moleküller dışında kesinlikle hiçbir şeye ilgisi olmamalıydı. Bunun için bir terim belirledi: kulpla floresan molekül arasındaki tepkime “biyoortogonal” olmak zorundaydı.

…ve Saklanan Glikanların Görünür Olmalarını Sağlıyor

Uzun lafın kısası, 1997'de Carolyn Bertozzi, fikrinin gerçekten işe yaradığını kanıtlamayı başardı. Bir sonraki atılım 2000 yılında, en uygun kimyasal kulpu bulduğunda gerçekleşti: bir azid. Bilinen bir tepkime olan Staudinger tepkimesini ustalıklı bir şekilde modifiye etti ve bunu, hücreledeki glikanların arasına soktuğu azide bir floresan molekülünü bağlamak için kullandı. Azid hücreleri etkilemediği için canlılara da verilebiliyordu.

Bununla biyokimyaya zaten önemli bir hediye vermiş oldu. Biraz kimyasal yaratıcılıkla, modifiye ettiği Staudinger tepkimesi, hücrelerde neyin nerede olduğunu haritalamak için kullanılabilirdi, ama Bertozzi yine de tatmin olmadı. Kullandığı kimyasal kulptan yani azidden daha da fazla yararlanabileceğini fark etmişti.

Eski bir Tepkime Yeniden Hayat Buluyor

O sıralarda, Morten Meldal ve Barry Sharpless'ın yeni tık kimyası kimyacılar arasında dilden dile dolaşıyordu. Bu nedenle Carolyn Bertozzi, kimyasal kulpu yani azidi, ortamda bakır iyonları olduğu sürece bir alkinin üzerine hızla tıklayabileceğinin farkındaydı. Sorun, bakırın canlılar için toksik olmasıydı. Böylece bir kez daha literatürün derinliklerine inmeye başladı ve 1961'de, alkinin halka biçimindeki bir kimyasal yapıya bürünmeye zorlanabilmesi halinde, azidlerin ve alkinlerin, bakırın yardımı olmadan, son derece hızlı bir biçimde tepkimeye girebildiğinin gösterildiğini buldu. Bükülmenin oluşturduğu gerinme o kadar büyük bir enerji yaratacaktı ki tepkime  hiç sorunsuz ilerleyecekti..

Tepkime, hücrelerde test edildiğinde iyi çalıştı. 2004 yılında, gerinimin sürüklediği (: strain promoted) alkin-azid sikloadisyonu olarak adlandırılan ve bakır içermeyen tık tepkimesiyle ilgili çalışmasını yayımladı ve ardından da bunun glikanları izlemek için kullanılabileceğini gösterdi (bkz. yukarıdaki resim)

Tık Tepkimeleri Hücreye Işık Tutuyor

Bu dönüm noktası aynı zamanda çok daha büyük bir şeyin başlangıcıydı. Carolyn Bertozzi, tık tepkimesini iyileştirmeye devam etti, bu nedenle hücre ortamlarında tepkime daha da iyi çalışabilir oldu. Buna paralel olarak, Bertozzi ve diğer birçok araştırmacı, bu tepkimeleri, biyomoleküllerin hücrelerde nasıl etkileşime girdiğini araştırmak ve hastalık süreçlerini incelemek için de kullandılar.

Bertozzi'nin odaklandığı bir alan, tümör hücrelerinin yüzeyindeki glikanlar oldu. Yaptığı çalışmalar sayesinde, tümör hücrelerindeki bazı glikanların, bağışıklık hücrelerini çalışmaz hale getirdiği ve tümörleri vücudun bağışıklık sisteminden koruduğu anlaşıldı. Bu koruyucu mekanizmayı engellemek için Bertozzi ve meslektaşları yeni bir biyolojik ilaç türü yarattılar. Tümör hücrelerinin yüzeyindeki glikanları parçalayan enzimlere glikana duyarlı bir antikor eklediler. Bu ilaç şu anda ileri kanserli kişilerdeki klinik deneylerde test ediliyor.

Birçok araştırmacı, çeşitli tümörleri hedef alan tıklanabilir antikorlar geliştirmeye de başladı. Bu çalışmalarda, antikorlar tümöre bağlandığında, antikora tıklanma özelliğindeki ikinci bir molekül hastaya enjekte edilir. Örneğin bu, bir PET tarayıcı kullanarak tümörleri izlemek için kullanılabilen veya kanser hücrelerine ölümcül dozda radyasyon vermeyi hedefleyebilen bir radyoizotop olabilir.

Zarif, Zekice ve Özgün, Ama En Önemlisi Kullanışlı

Bu yeni tedavilerin işe yarayıp yaramayacağını henüz bilmiyoruz, ancak bir şey açık: Bu araştırmalar, tık kimyası ve biyoortogonal kimyanın muazzam potansiyelini ortaya koyuyor. Barry Sharpless 2001 yılında Stockholm'de ilk Nobel Konferansını verdiğinde, Quaker’ların (ç.n: Quaker’lar, bir tür tasavvuf inancına sahip olan Protestan’ların mensup olduğu bir tarikattır) basit değerleriyle renklenen ve ideallerini etkileyen çocukluğundan bahsetti. Dedi ki: Araştırma yapmaya başladığım yıllarda, araştırmalarla ilgili övgü sözleri arasında "zarif" ve "zekice" sıfatları bulunurdu, şimdi lerde “özgün” sıfatı da buna eklendi. Benim, en değerli bulduğum sıfat ise faydalı” olmuştur. Bunda belki Quaker’ların etkisi vardır.

Bu övgü sözlerinin dördü de Barry Sharpless, Carolyn Bertozzi ve Morten Meldal'ın temellerini attıkları kimyanın hakkını vermek için gereklidir. Çalışmaları zarif, zeki, özgün ve yararlı olmalarının yanı sıra insanlığa da en büyük faydayı sağlıyor.

Hazırlayan: Mustafa Tunçgenç

Kaynak
Peter Brzezinski, Olof Ramström, Johan Åqvist, The Nobel Committee for Chemistry, Oct 5, 2022, https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-chemistryprize2022-2.pdf