Wielkie odkrycia zaczynają się w laboratoriach: Nagrody Nobla z chemii

• Strona główna
• Artykuły
• Wielkie odkrycia zaczynają się w laboratoriach: Nagrody Nobla z chemii

2025-07-16

2016 rok

Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart i Bernard Feringa za zaprojektowanie i syntezę maszyn molekularnych.

Nagrodę przyznano za zaprojektowanie i wyprodukowanie maszyn molekularnych. Nagrodzeni naukowcy opracowali cząsteczki o kontrolowanych ruchach, które mogą wykonywać zadanie po dodaniu energii. Rozwój informatyki pokazał, jak miniaturyzacja technologii może prowadzić do rewolucji. Badacze zminiaturyzowali maszyny i przenieśli chemię w nowy wymiar.

Pierwszy krok w kierunku maszyny molekularnej wykonał Jean-Pierre Sauvage w 1983 r., kiedy udało mu się połączyć dwie cząsteczki w kształcie pierścienia, tworząc łańcuch zwany katenanem. Zwykle cząsteczki są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, w których atomy dzielą elektrony, ale w tym przypadku w łańcuchu były połączone swobodniejszym wiązaniem mechanicznym. Aby maszyna mogła wykonać zadanie, musi składać się z części, które mogą się poruszać względem siebie. Dwa zazębiające się pierścienie spełniły dokładnie ten wymóg.

Drugi krok wykonał Fraser Stoddart w 1991 r., kiedy opracował rotaksan, czyli klasę związków chemicznych, których cząsteczki stanowią układ dwóch niepowiązanych chemicznie jednostek chemicznych, przy czym jeden z nich ma strukturę liniową i stanowi oś rotaksanu, drugi zaś cykliczną i jest makrocyklem. Stoddart nawlekł pierścień molekularny na cienką oś molekularną i wykazał, że pierścień jest w stanie poruszać się wzdłuż osi. Wśród jego osiągnięć opartych na rotaksanach znajdują się podnośnik molekularny, mięsień molekularny i chip komputerowy oparty na cząsteczkach.

Bernard Feringa był pierwszą osobą, która opracowała silnik molekularny. Dokonał tego w 1999 r. i tym samym sprawił, że łopatka wirnika molekularnego obracała się nieustannie w tym samym kierunku. Używając silników molekularnych, obrócił szklany cylinder, który jest 10 tys. razy większy od silnika, a także zaprojektował nanosamochód.

W uzasadnieniu wyboru Akademia oznajmiła, że Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2016 r. wyprowadzili układy molekularne z impasu równowagi do stanów wypełnionych energią, w których ich ruchy można kontrolować. Jeśli chodzi o rozwój, silnik molekularny jest obecnie na tym samym etapie, na jakim silnik elektryczny był w latach 30. XIX wieku, kiedy naukowcy prezentowali różne wirujące korby i koła, nieświadomi, że doprowadzą one do powstania pralek, wentylatorów i robotów kuchennych. Maszyny molekularne najprawdopodobniej zostaną wykorzystane w rozwoju takich rzeczy, jak nowe materiały, czujniki i systemy magazynowania energii.

2017 rok

Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson za opracowanie kriomikroskopii elektronowej do określania struktury biocząsteczek w roztworze z wysoką rozdzielczością.

Dzięki pracy laureatów możliwe ma być uzyskanie szczegółowych obrazów skomplikowanych mechanizmów życia w rozdzielczości atomowej. Rozwijana przez badaczy kriomikroskopia elektronowa zarówno upraszcza, jak i ulepsza obrazowanie biocząsteczek. Metoda ta przeniosła biochemię w nową erę. Obraz jest kluczem do zrozumienia wszelakich zjawisk. Przełomy naukowe często opierają się na udanej wizualizacji obiektów niewidocznych dla ludzkiego oka. Jednak mapy biochemiczne od dawna były wypełnione pustymi miejscami, ponieważ dostępna technologia miała trudności z generowaniem obrazów większości molekularnych mechanizmów życia. Kriomikroskopia elektronowa wszystko to zmienia. Naukowcy mogą teraz zamrażać biocząsteczki w trakcie ruchu i wizualizować procesy, których nigdy wcześniej nie widzieli, co jest decydujące zarówno dla podstawowego zrozumienia chemii życia, jak i dla rozwoju leków.

Długo uważano, że mikroskopy elektronowe nadają się jedynie do obrazowania martwej materii, ponieważ potężna wiązka elektronów niszczy materiał biologiczny.

Jednak w 1990 roku Richardowi Hendersonowi udało się użyć mikroskopu elektronowego do wygenerowania trójwymiarowego obrazu białka o rozdzielczości atomowej. To przełomowe odkrycie udowodniło potencjał tej technologii.

Joachim Frank uczynił tę technologię powszechnie stosowalną. W latach 1975- 1986 opracował metodę przetwarzania obrazu, w której rozmyte dwuwymiarowe obrazy mikroskopu elektronowego są analizowane i łączone w celu ujawnienia ostrej trójwymiarowej struktury.

Jacques Dubochet dodał wodę do mikroskopii elektronowej. Ciekła woda paruje w próżni mikroskopu elektronowego, co powoduje zapadanie się biocząsteczek. Na początku lat 80. Dubochetowi udało się zeszklić wodę – schłodził wodę tak szybko, że zestaliła się w swojej ciekłej postaci wokół próbki biologicznej, umożliwiając biocząsteczkom zachowanie ich naturalnego kształtu nawet w próżni.

Po tych odkryciach zoptymalizowano każdą śrubę i nakrętkę mikroskopu elektronowego. Pożądaną rozdzielczość atomową osiągnięto w 2013 r., a naukowcy mogą teraz rutynowo wytwarzać trójwymiarowe struktury biocząsteczek. W ciągu ostatnich kilku lat literatura naukowa została wypełniona obrazami: od białek powodujących oporność na antybiotyki, po powierzchnię wirusa Zika, co tylko wzmaga przyszły potencjał biochemii.

2018 rok

Frances Arnold za ukierunkowaną ewolucję enzymów oraz wspólnie George Smith i Gregory Winter za prezentację fagową peptydów i przeciwciał

Jak napisała Akademia Noblowska, siła ewolucji ujawnia się poprzez różnorodność życia. Laureaci przejęli kontrolę nad ewolucją i wykorzystali ją do celów, które przynoszą ludzkości korzyści. Enzymy wytwarzane poprzez ukierunkowaną ewolucję są wykorzystywane do różnorakiej produkcji: od biopaliw, po produkty farmaceutyczne. Przeciwciała wyewoluowane przy użyciu metody zwanej ekspozycją fagową, mogą zwalczać choroby autoimmunologiczne, a w niektórych przypadkach leczyć przerzutowe nowotwory.

- Od czasu, gdy pojawiły się na Ziemi pierwsze oznaki życia, prawie każda szczelina wypełniła się różnymi organizmami. Życie rozprzestrzeniło się na gorące źródła, głębokie oceany i suche pustynie, a wszystko to dlatego, że ewolucja rozwiązała szereg problemów chemicznych. Chemiczne narzędzia życia – białka – zostały zoptymalizowane, zmienione i odnowione, tworząc niesamowitą różnorodność – napisano w uzasadnieniu do Nagrody.

Laureaci zainspirowali się siłą ewolucji i wykorzystali te same zasady – zmiany genetyczne i selekcję – do opracowania białek, które rozwiązują problemy chemiczne ludzkości.

Pierwsza połowa nagrody przypadła Frances Arnold. W 1993 r. przeprowadziła ona pierwszą ukierunkowaną ewolucję enzymów, czyli białek katalizujących reakcje chemiczne. Od tego czasu udoskonaliła metody, które są obecnie rutynowo stosowane do opracowywania nowych katalizatorów. Enzymy Frances Arnold są wykorzystywane w bardziej przyjaznej dla środowiska produkcji substancji chemicznych, takich jak produkty farmaceutyczne oraz w produkcji paliw odnawialnych dla bardziej ekologicznego sektora transportu.

Drugą połowę nagrody otrzymali George Smith i Gregory Winter. W 1985 r. ten pierwszy opracował metodę znaną jako ekspozycja fagowa, w której bakteriofag – wirus infekujący bakterie – może być używany do ewolucji nowych białek. Z kolei Winter wykorzystał ekspozycję fagową do ukierunkowanej ewolucji przeciwciał w celu produkcji nowych produktów farmaceutycznych. Pierwszy oparty na tej metodzie, adalimumab, został zatwierdzony w 2002 r. i jest stosowany w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów, łuszczycy i chorób zapalnych jelit. Od tego czasu wyświetlacz fagowy wytworzył przeciwciała, które mogą neutralizować toksyny, przeciwdziałać chorobom autoimmunologicznym i leczyć raka przerzutowego.

Naukowcy uważają, że dzięki ich odkryciu jesteśmy na wczesnym etapie rewolucji ukierunkowanej ewolucji, która na wiele różnych sposobów przynosi i przyniesie ludzkości korzyści.

2019 rok

John B. Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino za rozwój baterii litowo-jonowych

Lekkie, ładowalne i wydajne baterie są obecnie używane w szeregu aplikacji, począwszy od telefonów komórkowych po laptopy i pojazdy elektryczne. Mogą również magazynować znaczne ilości energii ze słońca i wiatru, umożliwiając budowę gospodarki wolnej od paliw kopalnych. Baterie litowo-jonowe umożliwiły również rozwój samochodów elektrycznych.

Podwaliny pod powstanie baterii litowo-jonowej położono podczas kryzysu naftowego w latach 70. ubiegłego wieku. Stanley Whittingham pracował nad stworzeniem metod, które mogłyby doprowadzić do technologii energetycznych wolnych od paliw kopalnych. Zaczął badać nadprzewodniki i odkrył niezwykle bogaty w energię materiał, którego użył do stworzenia innowacyjnej katody w baterii litowej. Została ona wykonana z disiarczku tytanu, który na poziomie molekularnym ma przestrzenie, w których mogą gromadzić się – interkalowane – jony litu. Anoda baterii została częściowo wykonana z metalicznego litu, który ma silny napęd do uwalniania elektronów. Skutkowało to powstaniem baterii, która miała od samego początku bardzo duży potencjał, nieco ponad dwa wolty. Jednak metaliczny lit jest reaktywny, a bateria była zbyt wybuchowa, aby stać się komercyjnie opłacalną.

John Goodenough przewidział, że katoda będzie miała jeszcze większy potencjał, jeśli zostanie wykonana z tlenku metalu zamiast siarczku metalu. Po systematycznych poszukiwaniach w 1980 roku wykazał, że tlenek kobaltu z interkalowanymi jonami litu może wytwarzać aż cztery wolty. Był to ważny przełom, który doprowadził do powstania znacznie mocniejszych baterii.

Bazując na katodzie Goodenougha, Akira Yoshino opracował pierwszą komercyjnie opłacalną baterię litowo-jonową w 1985 roku. Zamiast używać reaktywnego litu w anodzie, użył koksu naftowego, materiału węglowego, który, podobnie jak tlenek kobaltu katody, może interkalować jony litu.

W rezultacie powstała lekka, wytrzymała bateria, którą można było ładować setki razy, zanim jej wydajność uległa pogorszeniu. Zaletą baterii litowo-jonowych jest to, że nie opierają się one na reakcjach chemicznych, które rozbijają elektrody, ale na jonach litu przepływających tam i z powrotem między anodą a katodą.

Baterie litowo-jonowe niewątpliwie zrewolucjonizowały nasze życie od czasu, gdy po raz pierwszy weszły na rynek w 1991 roku.

2020 rok

Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudna za opracowanie metody edycji genomu

Emmanuelle Charpentier i Jennifer A. Doudna odkryły jedno z najostrzejszych narzędzi technologii genetycznej: nożyczki genetyczne CRISPR/Cas9. Za ich pomocą naukowcy mogą zmieniać DNA zwierząt, roślin i mikroorganizmów z niezwykle wysoką precyzją. Technologia ta wywarła rewolucyjny wpływ na nauki przyrodnicze, przyczynia się do nowych terapii nowotworowych i może spełnić marzenie o leczeniu chorób dziedzicznych.

- Naukowcy muszą modyfikować geny w komórkach, jeśli chcą dowiedzieć się więcej o wewnętrznym funkcjonowaniu życia. Kiedyś było to czasochłonne, trudne, a czasami niemożliwe. Za pomocą nożyczek genetycznych CRISPR/Cas9 można teraz zmienić kod życia w ciągu kilku tygodni. W tym narzędziu genetycznym tkwi ogromna moc, która dotyczy nas wszystkich. Nie tylko zrewolucjonizowało to podstawową naukę, ale także doprowadziło do powstania innowacyjnych upraw i przełomowych nowych metod leczenia – mówi Claes Gustafsson, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii.

Jak to często bywa w nauce, odkrycie tych genetycznych nożyczek było nieoczekiwane. Podczas badań Emmanuelle Charpentier nad Streptococcus pyogenes, jedną z bakterii wyrządzających największe szkody ludzkości, odkryła ona nieznaną dotąd cząsteczkę, tracrRNA.

Jej praca wykazała, że tracrRNA jest częścią starożytnego układu odpornościowego bakterii, CRISPR/Cas, który rozbraja wirusy poprzez rozszczepianie ich DNA.

Charpentier opublikowała swoje odkrycie w 2011 roku. W tym samym roku rozpoczęła współpracę z Jennifer Doudna, doświadczoną biochemiczką o ogromnej wiedzy na temat RNA. Wspólnie udało im się odtworzyć genetyczne nożyczki bakterii w probówce i uprościć ich składniki molekularne, aby były łatwiejsze w użyciu.

W przełomowym eksperymencie przeprogramowano następnie genetyczne nożyczki. W swojej naturalnej formie nożyczki rozpoznają DNA wirusów, ale Charpentier i Doudna udowodniły, że można je kontrolować, tak aby mogły przeciąć dowolną cząsteczkę DNA w ustalonym miejscu. Tam, gdzie DNA jest przecinane, łatwo jest przepisać kod życia.

Od czasu odkrycia przez Charpentier i Doudnę genetycznych nożyczek CRISPR/ Cas9 w 2012 r. ich zastosowanie gwałtownie wzrosło. Narzędzie to przyczyniło się do wielu ważnych odkryć w badaniach podstawowych, a naukowcy zajmujący się roślinami byli w stanie opracować uprawy odporne na pleśń, szkodniki i suszę.

W medycynie prowadzone są badania kliniczne nowych terapii nowotworowych, a marzenie o możliwości leczenia chorób dziedzicznych może się spełnić.

2021 rok

Benjamin List i David MacMillan za rozwój asymetrycznej organokatalizy

Benjamin List i David MacMillan zostali uhonorowani za opracowanie precyzyjnego nowego narzędzia do budowy cząsteczek, tzw. organokatalizy. Miało to ogromny wpływ na badania farmaceutyczne i uczyniło chemię bardziej ekologiczną.

Wiele obszarów badawczych i gałęzi przemysłu jest zależnych od zdolności chemików do konstruowania cząsteczek, które mogą tworzyć elastyczne i trwałe materiały, magazynować energię w bateriach lub hamować postęp chorób. Ta praca wymaga katalizatorów, czyli substancji kontrolujących i przyspieszających reakcje chemiczne, bez stawania się częścią produktu końcowego. Na przykład katalizatory w samochodach przekształcają toksyczne substancje w spalinach w nieszkodliwe cząsteczki. Nasze ciała zawierają również tysiące katalizatorów w postaci enzymów, które wycinają cząsteczki niezbędne do życia.

Katalizatory są zatem podstawowymi narzędziami dla chemików, ale naukowcy od dawna wierzyli, że w zasadzie dostępne są tylko dwa rodzaje katalizatorów: metale i enzymy. Benjamin List i David MacMillan w 2000 roku, niezależnie od siebie, opracowali trzeci rodzaj katalizy. Nazywa się on asymetryczną organokatalizą i opiera się na małych cząsteczkach organicznych.

- Ta koncepcja katalizy jest tak prosta, jak genialna, a faktem jest, że wiele osób zastanawiało się, dlaczego nie wpadliśmy na nią wcześniej – stwierdził Johan Åqvist, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii, wręczając nagrodę.

Katalizatory organiczne mają stabilny szkielet atomów węgla, do którego mogą przyłączać się bardziej aktywne grupy chemiczne. Często zawierają one wspólne pierwiastki, takie jak tlen, azot, siarkę lub fosfor. Oznacza to, że te katalizatory są przyjazne dla środowiska i tanie w produkcji. Gwałtowny wzrost wykorzystania katalizatorów organicznych wynika przede wszystkim z ich zdolności do napędzania katalizy asymetrycznej.

Kiedy powstają cząsteczki, często zdarzają się przypadki, w których mogą powstać dwie różne cząsteczki – podobnie jak ludzkie dłonie – są swoimi lustrzanymi odbiciami. Chemicy często będą chcieli tylko jednej z nich, szczególnie podczas produkcji farmaceutyków.

Organokataliza rozwijała się z zadziwiającą szybkością od 2000 roku. Benjamin List i David MacMillan wykazali, że katalizatory organiczne można stosować do napędzania wielu reakcji chemicznych. Wykorzystując te reakcje, naukowcy mogą teraz wydajniej konstruować niemal wszystko – od nowych farmaceutyków po cząsteczki mogące wychwytywać światło w ogniwach słonecznych.

CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 1/2025

"Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.

przemysł chemicznyNagroda Noblabadania i rozwójenzymybiotechnologiatechnologielaboratorium