Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran 2022

Pengumuman Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran 2022 oleh Profesor Thomas Perlmann, Sekretaris Jenderal Majelis Nobel, pada 3 Oktober 2022.

Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran 2022 dianugerahkan kepada Svante Pääbo "atas penemuannya mengenai genom hominin yang punah dan evolusi manusia"

Untuk penemuannya tentang genom hominin punah dan evolusi manusia

Umat ​​manusia selalu tertarik dengan asal-usulnya. Dari mana kita berasal, dan bagaimana hubungan kita dengan mereka yang datang sebelum kita? Apa yang membuat kita,  Homo sapiens , berbeda dari hominin lainnya?

Melalui penelitian perintisnya, Svante Pääbo mencapai sesuatu yang tampaknya mustahil: mengurutkan genom Neanderthal, kerabat manusia masa kini yang telah punah. Penting, Pääbo juga menemukan bahwa transfer gen telah terjadi dari hominin yang sekarang sudah punah ini ke Homo sapiens setelah migrasi keluar dari Afrika sekitar 70.000 tahun yang lalu. Aliran gen purba ke manusia masa kini memiliki relevansi fisiologis saat ini, misalnya mempengaruhi bagaimana sistem kekebalan tubuh kita bereaksi terhadap infeksi.

Penelitian Pääbo memunculkan disiplin ilmiah yang sama sekali baru; paleogenomik . Dengan mengungkap perbedaan genetik yang membedakan semua manusia yang hidup dari hominin yang punah, penemuannya memberikan dasar untuk mengeksplorasi apa yang membuat kita menjadi manusia yang unik.

 

Dari mana kita berasal?

Pertanyaan tentang asal usul kita dan apa yang membuat kita unik telah melibatkan umat manusia sejak zaman kuno. Paleontologi dan arkeologi penting untuk studi evolusi manusia.

Penelitian memberikan bukti bahwa manusia modern secara anatomis,  Homo sapiens,  pertama kali muncul di Afrika sekitar 300.000 tahun yang lalu, sementara kerabat terdekat kita, Neanderthal, berkembang di luar Afrika dan menghuni Eropa dan Asia Barat dari sekitar 400.000 tahun hingga 30.000 tahun yang lalu, pada titik mana mereka punah.

Sekitar 70.000 tahun yang lalu, kelompok  Homo sapiens  bermigrasi dari Afrika ke Timur Tengah dan, dari sana mereka menyebar ke seluruh dunia. Homo sapiens dan Neanderthal hidup berdampingan di sebagian besar Eurasia selama puluhan ribu tahun.[1]

Tapi apa yang kita ketahui tentang hubungan kita dengan Neanderthal yang sudah punah? Petunjuk mungkin berasal dari informasi genomik. Pada akhir 1990-an, hampir seluruh genom manusia telah diurutkan. Ini adalah pencapaian yang cukup besar, yang memungkinkan penelitian selanjutnya tentang hubungan genetik antara populasi manusia yang berbeda. Namun, studi tentang hubungan antara manusia masa kini dan Neanderthal yang punah akan membutuhkan pengurutan DNA genom yang dipulihkan dari spesimen kuno.

 

Tugas yang tampaknya mustahil

Di awal karirnya, Svante Pääbo terpesona oleh kemungkinan penggunaan metode genetik modern untuk mempelajari DNA Neanderthal. Namun, ia segera menyadari tantangan teknis yang ekstrem, karena seiring waktu DNA menjadi termodifikasi secara kimiawi dan terdegradasi menjadi fragmen-fragmen pendek. Setelah ribuan tahun, hanya sejumlah jejak DNA yang tersisa, dan yang tersisa terkontaminasi secara besar-besaran dengan DNA dari bakteri dan manusia kontemporer (Gambar 1). Sebagai mahasiswa postdoctoral dengan Allan Wilson-pelopor dalam bidang biologi evolusioner, Pääbo mulai mengembangkan metode untuk mempelajari DNA dari Neanderthal, sebuah upaya yang berlangsung selama beberapa dekade.

Gambar 1. DNA terlokalisasi dalam dua kompartemen berbeda di dalam sel. DNA nuklir menyimpan sebagian besar informasi genetik, sedangkan genom mitokondria yang jauh lebih kecil hadir dalam ribuan salinan. Setelah kematian, DNA terdegradasi dari waktu ke waktu dan akhirnya hanya sejumlah kecil yang tersisa. Hal ini juga menjadi terkontaminasi dengan DNA dari misalnya bakteri dan manusia kontemporer.

Pada tahun 1990, Pääbo direkrut ke Universitas Munich, diangkat sebagai Profesor yang baru, ia melanjutkan pekerjaannya pada DNA kuno. Dia memutuskan untuk menganalisis DNA dari mitokondria Neanderthal – organel dalam sel yang mengandung DNA mereka sendiri. Genom mitokondria kecil dan hanya berisi sebagian kecil dari informasi genetik dalam sel, tetapi hadir dalam ribuan salinan, meningkatkan peluang keberhasilan.

Dengan metodenya yang disempurnakan, Pääbo berhasil mengurutkan wilayah DNA mitokondria dari sepotong tulang berusia 40.000 tahun. Jadi, untuk pertama kalinya, kami memiliki akses ke urutan dari kerabat yang punah. Perbandingan dengan manusia kontemporer dan simpanse menunjukkan bahwa Neanderthal secara genetik berbeda.

 

Mengurutkan genom Neanderthal

Pääbo sekarang menghadapi tantangan besar untuk mengurutkan genom nuklir Neanderthal. Saat ini, ia ditawari kesempatan untuk mendirikan Max Planck Institute di Leipzig, Jerman. Di Institut baru, Pääbo dan timnya terus meningkatkan metode untuk mengisolasi dan menganalisis DNA dari sisa-sisa tulang kuno. Tim peneliti mengeksploitasi perkembangan teknis baru, yang membuat pengurutan DNA menjadi sangat efisien. Pääbo juga melibatkan beberapa kolaborator kritis dengan keahlian dalam genetika populasi dan analisis urutan lanjutan.

Usahanya berhasil.

Pääbo menyelesaikan hal yang tampaknya mustahil dan dapat menerbitkan urutan genom Neanderthal pertama pada tahun 2010. Analisis komparatif menunjukkan bahwa nenek moyang Neanderthal dan Homo sapiens  hidup sekitar 800.000 tahun yang lalu.

Gambar 2. A. Pääbo mengekstraksi DNA dari spesimen tulang dari hominin yang punah. Dia pertama kali memperoleh fragmen tulang dari Neandertal di Jerman, situs yang memberi nama pada Neanderthal. Kemudian, ia menggunakan tulang jari dari Gua Denisova di Siberia selatan, situs yang memberi nama Denisova. B. Pohon filogenetik yang menunjukkan evolusi dan hubungan antara Homo sapiens dan hominin yang telah punah. Pohon filogenetik juga menggambarkan aliran gen yang ditemukan oleh Pääbo.

Pääbo dan rekan kerjanya sekarang dapat menyelidiki hubungan antara Neanderthal dan manusia modern dari berbagai belahan dunia. Analisis komparatif menunjukkan bahwa urutan DNA dari Neanderthal lebih mirip dengan urutan dari manusia kontemporer yang berasal dari Eropa atau Asia daripada manusia kontemporer yang berasal dari Afrika.[2]

Ini berarti bahwa Neanderthal dan  Homo sapiens  kawin silang selama ribuan tahun hidup berdampingan. Pada manusia modern dengan keturunan Eropa atau Asia, sekitar 1-4% genom berasal dari Neanderthal (Gambar 2).

 

Penemuan sensasional: Denisova

Pada tahun 2008, sebuah fragmen berusia 40.000 tahun dari tulang jari ditemukan di gua Denisova di bagian selatan Siberia.[3] Tulang itu mengandung DNA yang terawetkan dengan sangat baik, yang diurutkan oleh tim Pääbo. Hasilnya menimbulkan sensasi: urutan DNA itu unik jika dibandingkan dengan semua urutan yang diketahui dari Neanderthal dan manusia masa kini. Pääbo telah menemukan hominin yang sebelumnya tidak dikenal, yang diberi nama Denisova. Perbandingan dengan urutan dari manusia kontemporer dari berbagai belahan dunia menunjukkan bahwa aliran gen juga terjadi antara Denisova dan  Homo sapiens . Hubungan ini pertama kali terlihat pada populasi di Melanesia dan bagian lain Asia Tenggara, di mana individu membawa hingga 6% DNA Denisova.[4]

Penemuan Pääbo telah menghasilkan pemahaman baru tentang sejarah evolusi kita. Pada saat  Homo sapiens  bermigrasi keluar dari Afrika, setidaknya dua populasi hominin yang punah menghuni Eurasia. Neanderthal tinggal di Eurasia barat, sedangkan Denisovan menghuni bagian timur benua. Selama ekspansi  Homo sapiens  di  luar Afrika dan migrasi mereka ke timur, mereka tidak hanya bertemu dan kawin dengan Neanderthal, tetapi juga dengan Denisovan (Gambar 3).

Gambar 3. Penemuan Pääbo telah memberikan informasi penting tentang bagaimana dunia dihuni pada saat Homo sapiens bermigrasi keluar dari Afrika dan menyebar ke seluruh dunia. Neanderthal tinggal di barat dan Denisovan di timur di benua Eurasia. Perkawinan silang terjadi ketika Homo sapiens menyebar ke seluruh benua, meninggalkan jejak yang tertinggal dalam DNA kita.

Paleogenomik dan relevansinya

Melalui penelitiannya yang inovatif, Svante Pääbo mendirikan disiplin ilmu yang sama sekali baru,  paleogenomik . Setelah penemuan awal, kelompoknya telah menyelesaikan analisis beberapa urutan genom tambahan dari hominin yang punah. Penemuan Pääbo telah membentuk sumber daya yang unik, yang digunakan secara luas oleh komunitas ilmiah untuk lebih memahami evolusi dan migrasi manusia.

Metode baru yang kuat untuk analisis urutan menunjukkan bahwa hominin kuno mungkin juga telah bercampur dengan  Homo sapiens  di Afrika. Namun, belum ada genom dari hominin yang punah di Afrika yang diurutkan karena percepatan degradasi DNA kuno di iklim tropis.

Berkat penemuan Svante Pääbo, kita sekarang memahami bahwa urutan gen kuno dari kerabat kita yang telah punah mempengaruhi fisiologi manusia masa kini.

Salah satu contohnya adalah versi Denisovan dari gen EPAS1, yang memberikan keuntungan untuk bertahan hidup di ketinggian dan umum di antara orang Tibet masa kini. Contoh lain adalah gen Neanderthal yang memengaruhi respons imun kita terhadap berbagai jenis infeksi.[5]

 

Apa yang membuat kita unik sebagai manusia?

Homo sapiens  dicirikan oleh kemampuannya yang unik untuk menciptakan budaya yang kompleks, inovasi canggih dan seni figuratif, serta kemampuannya untuk melintasi perairan terbuka dan menyebar ke seluruh bagian planet kita (Gambar 4).

Neanderthal juga hidup berkelompok dan memiliki otak besar (Gambar 4). Mereka juga menggunakan alat, tetapi alat ini berkembang sangat sedikit selama ratusan ribu tahun. Perbedaan genetik antara  Homo sapiens  dan kerabat terdekat kita yang punah tidak diketahui sampai mereka diidentifikasi melalui karya mani Pääbo.

Penelitian intensif yang sedang berlangsung berfokus pada analisis implikasi fungsional dari perbedaan-perbedaan ini dengan tujuan akhir untuk menjelaskan apa yang membuat kita menjadi manusia yang unik.

Gambar 4. Karya mani Pääbo memberikan dasar untuk menjelaskan apa yang membuat kita menjadi manusia yang unik.

video youtube

 

Hadiah Nobel Fisika 2022

Pengumuman Hadiah Nobel Fisika 2022 oleh Profesor Hans Ellegren, Sekretaris Jenderal Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia, pada 4 Oktober 2022. 

Hadiah Nobel dalam Fisika 2022 dianugerahkan bersama kepada Alain Aspect, John F. Clauser dan Anton Zeilinger "untuk eksperimen dengan foton terjerat, menetapkan pelanggaran ketidaksetaraan Bell dan mempelopori ilmu informasi kuantum"

Keterikatan dan paradoks Einstein, Podolsky dan Rosen

Dalam artikelnya tahun 1935 'Diskusi tentang hubungan probabilitas antara sistem yang terpisah' [1], Erwin Schrödinger menyatakan:

Ketika dua sistem, yang kita tahu negara bagian oleh perwakilan masing-masing, masuk ke dalam interaksi fisik sementara karena kekuatan yang diketahui di antara mereka, dan ketika setelah waktu saling mempengaruhi sistem terpisah lagi, maka mereka tidak dapat lagi digambarkan dalam persamaan yang sama. cara seperti sebelumnya, yaitu. dengan menganugerahkan masing-masing dari mereka dengan perwakilannya sendiri. Saya tidak akan menyebut itu satu melainkan sifat karakteristik mekanika kuantum, yang memaksa seluruh keberangkatannya dari garis pemikiran klasik. Dengan interaksi, dua perwakilan (atau fungsi-ψ) menjadi terjerat.

Bahwa keadaan kuantum murni terjerat berarti tidak dapat dipisahkan; untuk kasus paling sederhana dari dua partikel tak berputar yang berbeda bergerak pada garis, yang dapat dipisahkan berarti bahwa fungsi gelombang dapat ditulis sebagai

sedangkan bentuk umum dari fungsi gelombang adalah

Dimana  adalah bilangan kompleks. Definisi dasar ini dapat digeneralisasi tidak hanya untuk negara-negara dengan banyak partikel, dan banyak bilangan kuantum (seperti putaran atau muatan), tetapi juga untuk apa yang disebut keadaan campuran yang menggambarkan campuran statistik klasik dari keadaan murni, biasanya keadaan termal.

Dari awal mekanika kuantum, elektron dalam sebuah atom diketahui terjerat karena interaksi Coulomb timbal baliknya. Kasus yang paling sederhana adalah atom helium, yang memiliki dua elektron. Untuk menentukan spektrum helium, efek belitan harus: dimasukkan, dan perhitungan pertama yang berhasil dibuat oleh Hylleraas pada tahun 1928 [2]. Ini dulu tidak di perhitungkan, namun, apa yang mendorong Schrödinger menyebut keterjeratan sebagai karakteristik sifat mekanika kuantum. Lebih tepatnya, dia diminta oleh sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 1935 oleh Albert Einstein, Boris Podolsky dan Nathan Rosen (EPR) [3].

Makalah mani ini menggambarkan konsekuensi yang tampaknya paradoks dari keterikatan antara partikel yang sangat jauh sehingga interaksi apa pun di antara mereka dapat diabaikan sama sekali Di makalah lain dari tahun 1935, Schrödinger menggambarkan paradoks tambahan yang jelas terkait dengan keterikatan antara sistem mikroskopis dan makroskopik — yang terakhir dilambangkan dengan Kucing malang Schrödinger.

Gagasan dasar dalam eksperimen pemikiran EPR adalah bahwa anggota jauh dari pasangan terjerat adalah diukur menggunakan operator yang tidak melakukan perjalanan (lihat Gambar 1). Dalam formulasi aslinya, posisi , dan momentum , partikel yang bergerak puas . Eksperimennya adalah dirumuskan kembali pada tahun 1951 oleh David Bohm [4], yang malah menganggap sepasang partikel setengah putaran terjerat yang dapat diukur oleh operator , memuaskan , dimana  adalah simbol Levi-Civita yang sepenuhnya anti-simetris.

Gambar 1. Skema percobaan EPR. Pasangan partikel terjerat disiapkan dalam keadaan spin singlet dan dikirim dalam arah yang berlawanan dari sumber S. (Pada gambar, pasangan terjerat ditunjukkan terhubung dengan kurva merah putus-putus.) Arah putaran setiap partikel, dalam keadaan awal ini, sama sekali tidak ditentukan. Pada jarak tertentu dari sumber, satu partikel dari setiap pasangan melewati alat pengukur yang dioperasikan oleh A, atau Alice (ditunjukkan oleh jendela hijau), yang mengukur komponen putaran dalam arah-z (panah biru). Setelah melewati alat pengukur, partikel muncul dengan putaran terkuantisasi dalam arah z, dengan putaran ke atas, seperti yang ditunjukkan pada gambar, atau dengan putaran ke bawah. Karena anti-korelasi yang ketat antara orientasi spin partikel berpasangan, pada saat yang sama ketika partikel Alice muncul dengan putaran ke atas pada arah z, maka partikel B atau Bob akan muncul dengan putaran ke bawah pada arah z. Dengan cara ini, pengukuran yang dilakukan oleh Alice secara efektif bertindak sebagai pengukuran partikel lain (ditunjukkan oleh jendela hijau putus-putus) bahkan jika tidak ada alat pengukur yang bekerja pada partikel ini. Paradoks EPR muncul jika Bob memilih untuk mengukur dalam arah x (panah merah). Tampaknya ada nilai tajam untuk putaran dalam arah tegak lurus, yang jelas bertentangan dengan mekanika kuantum.

Dalam eksperimen EPR versi Bohm, sepasang partikel berputar satu setengah dibuat dalam keadaan terjerat  , di mana fungsi gelombang spin disebut tipe Bell,

Dalam konfigurasi eksperimental seperti pada Gambar 1, anti-korelasi sempurna sekarang diketahui ada antara hasil yang diperoleh A dan B, jika diukur dalam arah yang sama, . Untuk orientasi semuanya, probabilitas mengukur nilai putaran yang berlawanan adalah .  Perhatikan bahwa Persamaan. (3) tidak tergantung pada sumbu kuantisasi mana yang dipilih untuk putaran.

Teka-teki konseptual yang disajikan dalam makalah EPR adalah sebagai berikut: Jika kita mengambil  operator putaran yang diukur oleh Alice dan Bob tidak akan bolak-balik. Sebagai contoh, untuk , dan  kita punya . Menurut mekanika kuantum, seseorang tidak dapat secara bersamaan menetapkan bilangan kuantum yang tajam untuk pengamatan non-komuter, tetapi dalam hal ini, ini tampaknya mengarah ke kontradiksi. Asumsikan bahwa pengukuran oleh Alice memberikan  . Kemudian dari Persamaan. (3) maka jika Bob akan mengukur  juga di B,  kita akan mendapatkan  dengan 100% kemungkinan ; ini benar peristiwa demi peristiwa. Tapi Bob bisa memilih untuk mengukur, dan dapatkan jawaban yang pasti  atau .

Dengan demikian tampaknya kita dapat menetapkan nilai tajam untuk kedua komponen putaran. Einstein, Podolsky dan Rosen menyimpulkan: : ‘Dari sini berikut bahwa baik (1) deskripsi mekanika kuantum dari realitas yang diberikan oleh fungsi gelombang tidak lengkap atau (2) ketika operator yang berkorespondensi dengan dua besaran fisis tidak bolak-balik, kedua besaran tersebut tidak dapat memiliki realitas simultan[3]. 

Jelas, Einstein dan rekan-rekannya yang lebih muda percaya pada alternatif pertama, meskipun mereka mengakui kemungkinan logis dari yang kedua: 'Memang, seseorang tidak akan sampai pada kesimpulan kami jika seseorang bersikeras bahwa dua atau lebih kuantitas fisik dapat dianggap sebagai elemen realitas simultan hanya ketika mereka dapat diukur atau diprediksi secara bersamaan' [3]. Ini memang posisi Niels Bohr, dan perdebatan antara tokoh-tokoh fisika modern ini akan membentuk pemahaman mekanika kuantum untuk generasi fisikawan berikutnya.

 

Ketidaksetaraan Bell

Sebagian besar fisikawan yang bekerja, jika mereka tertarik pada masalah ini, memihak Bohr, dan terutama setelah John von Neumann menyajikan bukti yang menunjukkan bahwa tidak mungkin untuk melengkapi mekanika kuantum dengan 'variabel tersembunyi' yang akan menentukan hasil eksperimen apa pun.

Misalnya, pada tahun 1957, Hugh Everett mengusulkan 'interpretasi banyak dunia' dari mekanika kuantum [5] sebagai alternatif dari 'interpretasi Kopenhagen' yang saat itu dominan. Yang terakhir datang dalam variasi yang berbeda, tetapi klaim dasar, mengikuti Bohr, adalah bahwa ada perbedaan tajam antara fenomena mikroskopis yang dijelaskan oleh mekanika kuantum dan detektor makroskopik yang digunakan untuk mempelajarinya, yang dianggap mematuhi hukum fisika klasik.

Penafsiran banyak dunia tidak membuat pembagian seperti itu, tetapi sebaliknya menyatakan bahwa setiap kali pengukuran terjadi, dunia yang berbeda diciptakan dan bahwa tidak ada hubungan antara dunia yang berbeda. Dalam interpretasi ini, kucing Schrödinger akan hidup di satu dunia dan mati di dunia lain.

 

Hadiah Nobel Kimia 2022

Pengumuman Hadiah Nobel Kimia 2022 oleh Profesor Hans Ellegren, Sekretaris Jenderal Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia, pada 4 Oktober 2022.

Hadiah Nobel Kimia 2022 dianugerahkan bersama kepada Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal dan K. Barry Sharpless "untuk pengembangan kimia klik dan kimia bioorthogonal"

Terkadang jawaban sederhana adalah yang terbaik. Barry Sharpless dan Morten Meldal dianugerahi Hadiah Nobel Kimia 2022 karena mereka membawa kimia ke era fungsionalisme dan meletakkan dasar kimia klik.  Mereka berbagi hadiah dengan Carolyn Bertozzi, yang membawa kimia klik ke dimensi baru dan mulai menggunakannya untuk memetakan sel. Reaksi bioorthogonalnya sekarang berkontribusi pada perawatan kanker yang lebih bertarget, di antara banyak aplikasi lainnya.

Sejak kelahiran kimia modern pada abad kedelapan belas, banyak ahli kimia telah menggunakan alam sebagai panutan mereka. Kehidupan itu sendiri adalah bukti pamungkas dari kemampuan tertinggi alam untuk menciptakan kompleksitas kimiawi. Struktur molekul luar biasa yang ditemukan pada tumbuhan, mikroorganisme, dan hewan telah mendorong para peneliti untuk mencoba membangun molekul yang sama secara artifisial. Meniru molekul alami sering juga menjadi bagian penting dalam pengembangan obat-obatan, karena banyak di antaranya yang terinspirasi dari bahan alam.

Berabad-abad akumulasi pengetahuan dalam kimia telah membuktikan nilainya. Menggunakan alat canggih yang mereka kembangkan, ahli kimia sekarang dapat membuat molekul yang paling menakjubkan di laboratorium mereka. Namun, satu masalah yang menantang adalah bahwa molekul kompleks harus dibangun dalam banyak langkah, dengan setiap langkah menciptakan produk sampingan yang tidak diinginkan – terkadang lebih banyak dan terkadang lebih sedikit. Produk sampingan ini harus dihilangkan sebelum proses dapat dilanjutkan dan, untuk konstruksi yang menuntut, kehilangan material bisa sangat besar sehingga hampir tidak ada yang tersisa. Ahli kimia sering mencapai tujuan mereka yang menantang, tetapi rute ke sana bisa memakan waktu dan mahal. Hadiah Nobel dalam Kimia 2022 adalah tentang menemukan cita-cita kimia baru dan membiarkan kesederhanaan dan fungsionalitas diutamakan. 

GAMBAR 1

 

Kimia telah memasuki era fungsionalisme

Barry Sharpless, yang sekarang dianugerahi Hadiah Nobel keduanya di bidang Kimia, adalah orang yang mulai menggelindingkan bola salju. Sekitar pergantian abad, dia menciptakan konsep kimia klik untuk bentuk kimia fungsional, di mana blok pembangun molekul menyatu dengan cepat dan efisien. Bola salju menjadi longsoran salju ketika Morten Meldal dan Barry Sharpless - secara independen satu sama lain - menemukan apa yang telah menjadi permata mahkota kimia klik: sikloadisi azida-alkuna yang dikatalis tembaga.

Carolyn Bertozzi mengembangkan reaksi klik yang dapat digunakan di dalam organisme hidup. Reaksi bioorthogonalnya – yang terjadi tanpa mengganggu kimia normal sel – digunakan secara global untuk memetakan bagaimana sel berfungsi. Beberapa peneliti sekarang sedang menyelidiki bagaimana reaksi ini dapat digunakan untuk mendiagnosis dan mengobati kanker, suatu yang akan kembali ke kita. Mari kita ikuti yang pertama dari dua utas yang mengarah pada Hadiah Nobel Kimia 2022.

 

Sharpless percaya ahli kimia membutuhkan cita-cita baru

Kami mulai mengungkap utas ini pada tahun 2001, tahun yang sama ketika Barry Sharpless menerima Hadiah Nobel Kimia pertamanya. Namun, itu belum terjadi ketika dia, dalam jurnal ilmiah, berpendapat untuk pendekatan baru dan minimalis dalam kimia. Dia percaya sudah waktunya bagi ahli kimia untuk berhenti meniru molekul alami. Hal ini sering mengakibatkan konstruksi molekul yang sangat sulit untuk dikuasai, yang menjadi penghambat pengembangan obat baru.     

Jika obat potensial ditemukan di alam, volume kecil zat sering dapat diproduksi untuk pengujian in vitro dan uji klinis. Namun, jika produksi industri diperlukan pada tahap selanjutnya, tingkat efisiensi produksi yang jauh lebih tinggi diperlukan. Sharpless menggunakan antibiotik yang kuat, sebagai contoh meropenem. Enam tahun kerja pengembangan kimia diperlukan untuk menemukan cara memproduksi molekul dalam skala besar.

 

Molekul yang bertengkar itu mahal

Satu batu sandungan bagi ahli kimia,  menurut Barry Sharpless adalah ikatan antara atom karbon yang begitu vital bagi kimia kehidupan. Pada prinsipnya, semua biomolekul memiliki kerangka atom karbon terkait. Kehidupan telah mengembangkan metode untuk menciptakan ini, tetapi telah terbukti sangat sulit bagi ahli kimia. Alasannya adalah atom karbon dari molekul yang berbeda sering kekurangan dorongan kimiawi untuk membentuk ikatan satu sama lain, jadi mereka perlu diaktifkan secara artifisial. Aktivasi ini sering menyebabkan banyak reaksi samping yang tidak diinginkan dan kerugian material yang mahal. 

Alih-alih mencoba untuk memperdebatkan atom karbon yang enggan untuk bereaksi satu sama lain, Barry Sharpless mendorong rekan-rekannya untuk memulai dengan molekul yang lebih kecil yang sudah memiliki kerangka karbon lengkap. Molekul sederhana ini kemudian dapat dihubungkan bersama menggunakan jembatan atom nitrogen atau atom oksigen, yang lebih mudah dikendalikan. Jika ahli kimia memilih reaksi sederhana – di mana ada dorongan intrinsik yang kuat bagi molekul untuk terikat bersama – mereka menghindari banyak reaksi samping, dengan kerugian material yang minimal.

 

Klik kimia – kimia hijau fungsional dengan potensi besar    

Barry Sharpless menyebut metode kuat ini untuk membangun molekul klik kimia, mengatakan bahwa bahkan jika kimia klik tidak dapat memberikan salinan yang tepat dari molekul alami, itu akan mungkin untuk menemukan molekul yang memenuhi fungsi yang sama. Menggabungkan blok bangunan kimia sederhana memungkinkan untuk membuat berbagai molekul yang hampir tak ada habisnya, jadi dia yakin bahwa kimia klik dapat menghasilkan obat-obatan yang sesuai dengan tujuan seperti yang ditemukan di alam, dan yang dapat diproduksi dalam skala industri.    

Dalam publikasinya dari tahun 2001, Sharpless mencantumkan beberapa kriteria yang harus dipenuhi agar reaksi kimia disebut kimia klik. Salah satunya adalah bahwa reaksi harus dapat terjadi dengan adanya oksigen dan dalam air, yang merupakan pelarut yang murah dan ramah lingkungan.

Dia juga memberikan contoh dari beberapa reaksi yang ada yang dia yakini memenuhi cita-cita baru yang dia susun. Namun, belum ada yang tahu tentang reaksi brilian yang sekarang menjadi hampir identik dengan kimia klik – sikloadisi azida-alkuna yang dikatalis tembaga. Ini akan ditemukan di laboratorium di Denmark.

 

Zat tak terduga dalam wadah reaksi Meldal

Banyak kemajuan ilmiah yang menentukan terjadi ketika para peneliti tidak mengharapkannya, dan ini adalah kasus untuk Morten Meldal. Pada tahun-tahun awal abad ini, ia mengembangkan metode untuk menemukan zat farmasi potensial. Dia membangun perpustakaan molekuler yang sangat besar, yang dapat mencakup ratusan ribu zat yang berbeda, dan kemudian menyaring semuanya untuk melihat apakah ada di antara mereka yang dapat memblokir proses patogen.

 

Reaksi klik yang mengubah kimia

 Azida dan alkuna bereaksi sangat efisien ketika ion tembaga ditambahkan. Reaksi ini sekarang digunakan secara global untuk menghubungkan molekul bersama-sama dengan cara yang sederhana.

GAMBAR2

Saat melakukan ini, suatu hari dia dan rekan-rekannya melakukan reaksi yang murni rutin. Anda tidak perlu mengingat sedikit ini, tetapi tujuan mereka adalah untuk mereaksikan alkuna dengan asil halida. Reaksi biasanya berjalan lancar, selama ahli kimia menambahkan beberapa ion tembaga dan mungkin sejumput paladium sebagai katalis. Tetapi ketika Meldal menganalisis apa yang terjadi di bejana reaksi, dia menemukan sesuatu yang tidak terduga. Ternyata alkuna telah bereaksi dengan ujung yang salah dari molekul asil halida. Di ujung yang berlawanan adalah kelompok kimia yang disebut azida (diilustrasikan di atas).Bersama dengan alkuna, azida menciptakan struktur berbentuk cincin, triazol.

 

Reaksi ini adalah sesuatu yang istimewa

Orang yang memahami beberapa kimia mungkin tahu bahwa triazol adalah struktur kimia yang berguna; mereka stabil dan ditemukan di beberapa obat-obatan, pewarna dan bahan kimia pertanian, antara lain. Karena triazol adalah blok bangunan kimia yang diinginkan, peneliti sebelumnya telah mencoba untuk membuat mereka dari alkuna dan azida, tetapi ini menyebabkan produk sampingan yang tidak diinginkan. Morten Meldal menyadari bahwa ion tembaga telah mengendalikan reaksi sehingga, pada prinsipnya, hanya satu zat yang terbentuk. Bahkan asil halida – yang seharusnya terikat pada alkuna – kurang lebih tidak tersentuh di dalam wadah. Oleh karena itu jelas bagi Meldal bahwa reaksi antara azida dan alkuna adalah sesuatu yang luar biasa.

Dia pertama kali mempresentasikan penemuannya di sebuah simposium di San Diego, pada Juni 2001. Tahun berikutnya 2002, ia menerbitkan sebuah artikel di jurnal ilmiah, menunjukkan bahwa reaksi dapat digunakan untuk mengikat banyak molekul yang berbeda.

 

Molekul menyatu dengan cepat dan efisien

Pada tahun yang sama – terlepas dari Morten Meldal – Barry Sharpless juga menerbitkan makalah tentang reaksi katalis tembaga antara azida dan alkuna, menunjukkan bahwa reaksi bekerja dalam air dan dapat diandalkan. Dia menggambarkannya sebagai reaksi klik yang “ideal”. Prosesnya kuat dan Sharpless mengusulkan agar ahli kimia dapat menggunakan reaksi untuk dengan mudah menghubungkan molekul yang berbeda. Dia menggambarkan potensinya sangat besar.

Dalam retrospeksi, kita dapat melihat bahwa dia benar. Jika ahli kimia ingin menghubungkan dua molekul yang berbeda, mereka sekarang dapat, dengan relatif mudah, memasukkan azida dalam satu molekul dan alkuna di molekul lainnya. Mereka kemudian menyatukan molekul dengan bantuan beberapa ion tembaga.

 

Reaksi klik dapat digunakan untuk membuat materi baru

Kesederhanaan ini telah menyebabkan reaksi menjadi sangat populer, baik di laboratorium penelitian maupun dalam pengembangan industri. Antara lain, reaksi klik memfasilitasi produksi material baru yang sesuai dengan tujuan. Jika produsen menambahkan azida yang dapat diklik ke plastik atau fbre, mengubah bahan pada tahap selanjutnya sangatlah mudah; mungkin untuk mengklik zat yang menghantarkan listrik, menangkap sinar matahari, antibakteri, melindungi dari radiasi ultraviolet atau memiliki sifat lain yang diinginkan. Pelunak juga bisa diklik ke plastik, sehingga tidak bocor nanti. Dalam penelitian farmasi, click chemistry digunakan untuk memproduksi dan mengoptimalkan zat-zat yang berpotensi menjadi obat-obatan.

Ada banyak contoh yang bisa dicapai oleh click chemistry. Namun, sesuatu yang tidak diprediksi oleh Barry Sharpless adalah bahwa itu akan digunakan pada makhluk hidup. Sekarang kita akan mengungkap utas kedua dalam Hadiah Nobel Kimia 2022.