Skip to content
Home » 2022 Nobelprijswinnaars in scheikunde, natuurkunde en geneeskunde

2022 Nobelprijswinnaars in scheikunde, natuurkunde en geneeskunde

    590636.jpg
    590636.jpg

    © Johan Jarnestad/De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen

    Vanmorgen vroeg heeft de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen de Nobelprijs voor Scheikunde 2022 toegekend aan Carolyn Bertozzi, Morten Meldal en K. Barry Sharpless “voor de ontwikkeling van klikchemie en bioorthogonale chemie.”

    De aankondiging betekende het einde van de wetenschappelijke onderscheidingen die tijdens de Nobelprijsweek werden uitgereikt, aangezien Svante Pääbo maandag de Nobelprijs voor de Fysiologie 2022 won en Alain Aspect, John F. Clauser en Anton Zeilinger dinsdag de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2022 kregen. . De Nobelprijs voor Literatuur en Vrede wordt respectievelijk op donderdag en vrijdag uitgereikt.

    Klik op chemie

    Sinds de geboorte van de moderne scheikunde hebben wetenschappers naar de natuur gekeken voor aanwijzingen. Het imiteren van moleculaire structuren in planten, micro-organismen en dieren heeft een grote rol gespeeld in farmaceutisch onderzoek, met name de ontwikkeling van antibiotica. Maar het imiteren van natuurlijke moleculen is tijdrovend, veeleisend, duur en resulteert in ongewenste bijproducten. Er was bijvoorbeeld zes jaar chemisch ontwikkelingswerk nodig om een ​​manier te vinden om het op de natuur geïnspireerde molecuul achter het krachtige antibioticum meropenem op grote schaal te produceren.

    Dit is waar Sharpless de toen naamloze klikchemie-scène betrad. In 2001 – hetzelfde jaar dat hij zijn eerste Nobelprijs voor scheikunde won – schreef hij een tijdschriftartikel waarin hij pleitte voor een nieuwe, meer minimalistische benadering van scheikunde.

    Sharpless is nu pas de tweede persoon die ooit tweemaal de Nobelprijs voor Scheikunde heeft gekregen, eerder voor zijn werk aan chiraal gekatalyseerde oxidatiereacties. Nu wordt hij erkend voor het ontwikkelen van het concept van klikchemie, een vorm van eenvoudige en betrouwbare chemie waarbij reacties snel plaatsvinden en ongewenste bijproducten worden vermeden.

    In plaats van te proberen onwillige koolstofatomen te wurgen om met elkaar te reageren, moedigde Sharpless zijn collega’s aan om te beginnen met kleinere moleculen die al een volledig koolstofframe hadden. Deze eenvoudige moleculen kunnen dan aan elkaar worden gekoppeld met behulp van bruggen van stikstofatomen of zuurstofatomen, die gemakkelijker te controleren zijn. Als chemici kiezen voor eenvoudige reacties – waarbij er een sterke intrinsieke drang is om de moleculen aan elkaar te binden – vermijden ze veel van de nevenreacties, met een minimaal verlies aan materiaal. Door eenvoudige chemische bouwstenen te combineren, is het mogelijk om een ​​bijna eindeloze verscheidenheid aan moleculen te creëren. Sharpless was ervan overtuigd dat klikchemie geneesmiddelen kon genereren die net zo geschikt waren voor hun doel als die in de natuur worden aangetroffen – en dat ze gemakkelijk op industriële schaal kunnen worden geproduceerd.

    Datzelfde jaar presenteerde Morten Meldal wat nu het kroonjuweel van de klikchemie is: de door koper gekatalyseerde azide-alkyncycloadditie. Tijdens het werken aan een routinereactie om een ​​alkyn te laten reageren met een acylhalogenide, merkte Meldal iets op dat duidelijk niet routineus was: het alkyn had gereageerd met het verkeerde uiteinde van het acylhalogenidemolecuul. Aan de andere kant bevond zich een chemische groep die een azide werd genoemd. Samen met het alkyn creëerde het azide een ringvormige structuur, een triazool. Omdat triazolen wenselijke chemische bouwstenen zijn, hadden onderzoekers eerder geprobeerd ze te maken uit alkynen en aziden, maar dit leidde tot ongewenste bijproducten. Meldal realiseerde zich dat de koperionen de reactie hadden gestuurd, zodat er in principe maar één stof ontstond.

    Vreemd genoeg publiceerde Sharpless tegelijkertijd ook een artikel over de door koper gekatalyseerde reactie tussen aziden en alkynen, waaruit blijkt dat de reactie in water werkt en betrouwbaar is. Tegenwoordig wordt de efficiënte chemische reactie veel gebruikt, vooral bij de ontwikkeling van geneesmiddelen voor het in kaart brengen van DNA en het maken van materialen die geschikter zijn voor hun doel.

    De klikchemie die Sharpless pionierde, kan veel dingen doen, maar zelfs hij voorspelde niet dat het in levende wezens zou kunnen worden gebruikt. Die ongelooflijk moeilijke taak werd overgelaten aan Bertozzi, die pas de achtste vrouw is die de Nobelprijs voor scheikunde wint sinds de start van het programma in 1901.

    Begin jaren negentig begon Bertozzi met het in kaart brengen van een glycaan dat immuuncellen naar lymfeklieren trekt. Er bestonden echter geen efficiënte instrumenten voor een dergelijk doel. Bertozzi wilde cellen een siaalzuur laten produceren met een soort chemisch handvat. Als de cellen het gemodificeerde siaalzuur in verschillende glycanen zouden kunnen opnemen, zouden ze het chemische handvat kunnen gebruiken om ze in kaart te brengen. Ze zou bijvoorbeeld een fluorescerend molecuul aan het handvat kunnen bevestigen. Het uitgestraalde licht zou dan onthullen waar de glycanen in de cel verborgen waren.

    In 1997 slaagde Bertozzi erin haar idee te bewijzen en bedacht ze onderweg de term ‘bioorthogonaal’. Haar volgende doorbraak vond drie jaar later plaats toen ze het optimale chemische handvat vond: een azide. Ze paste een bekende reactie aan – de Staudinger-reactie – en gebruikte die om een ​​fluorescerend molecuul te verbinden met het azide dat ze aan de glycanen van de cellen had toegevoegd. Omdat het azide de cellen niet aantast, kan het in levende wezens worden geïntroduceerd, wat een geheel nieuwe dimensie toevoegt aan klikchemie.

    Naast een baanbrekende kopervrije klikreactie die in 2004 werd gepubliceerd, is Bertozzi haar reacties blijven verfijnen om ervoor te zorgen dat ze nog beter werken in celomgevingen. Zij en nu vele andere onderzoekers hebben deze reacties gebruikt om te onderzoeken hoe biomoleculen in cellen interageren en om ziekteprocessen te bestuderen.

    In de eerste Nobellezing van Sharpless in 2001 gebruikte hij vier trefwoorden om scheikundeonderzoek te beschrijven: elegant, slim, nieuw en nuttig.

    “Alle vier deze lovende woorden zijn nodig om recht te doen aan de chemie waarvoor hij, Carolyn Bertozzi en Morten Meldal de basis hebben gelegd. Behalve dat het elegant, slim, nieuw en nuttig is, brengt het ook het grootste voordeel voor de mensheid”, aldus de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen in een verklaring.

    Oud DNA

    Op maandag werd Svante Pääbo slechts de 47e natuurkunde prijst de toekenning van de Nobelprijs niet met anderen te delen. Pääbo werd erkend voor zijn decennialange onderzoek en ontdekkingen met betrekking tot het genoom van uitgestorven mensachtigen en de menselijke evolutie, wat hem ertoe bracht het gebied van paleonomica te vestigen.

    Al vroeg in zijn carrière raakte Pääbo gefascineerd door de mogelijkheid om moderne genetische methoden te gebruiken om het DNA van Neanderthalers te bestuderen. Dit was natuurlijk makkelijker gezegd dan gedaan dankzij de toestand van het oude DNA – doorgaans enorm aangetast en besmet. Toch begon Pääbo als postdoctoraal student methoden te ontwikkelen om wat nu bekend staat als oud DNA (aDNA) te bestuderen – een onderneming die tientallen jaren zou duren.

    In 1990 slaagde Pääbo er met zijn verfijnde methoden in om een ​​gebied van mitochondriaal DNA te sequensen van een 40.000 jaar oud stuk bot. Dit was de eerste keer dat onderzoekers een DNA-sequentie konden lezen van een uitgestorven familielid – wat leidde tot de conclusie dat Neanderthalers genetisch verschillend waren van moderne mensen en chimpansees.

    Pääbo kreeg toen de kans om een ​​Max Planck Instituut op te richten in Leipzig, Duitsland. Daar verbeterden hij en zijn team gestaag de methoden om DNA uit archaïsche botresten te isoleren en te analyseren. Ze maakten gebruik van nieuwe technische ontwikkelingen en schakelden verschillende kritische medewerkers in met expertise op het gebied van populatiegenetica en geavanceerde sequentieanalyses.

    In 2008 extraheerden en analyseerden Pääbo en zijn team goed volhardend DNA van een 40.000 jaar oud vingerbot dat werd ontdekt in de Denisova-grot in het zuidelijke deel van Siberië. De resultaten waren even onverwacht als buitengewoon: de DNA-sequentie was uniek in vergelijking met alle bekende sequenties van Neanderthalers en de huidige mens. Pääbo had een voorheen onbekende mensachtigen ontdekt, die de naam Denisova kreeg. Vergelijkingen met sequenties van hedendaagse mensen uit verschillende delen van de wereld toonden aan dat er ook sprake was van gene flow tussen Denisova en homo sapiens. Deze relatie werd voor het eerst gezien in populaties in Melanesië en andere delen van Zuidoost-Azië, waar individuen tot 6% Denisova-DNA bij zich dragen.

    In 2010 zag Pääbo de realisatie van zijn ultieme doel toen hij de Neanderthaler-genoomsequentie publiceerde. Vergelijkende analyses toonden aan dat de meest recente gemeenschappelijke voorouder van Neanderthalers en homo sapiens leefde ongeveer 800.000 jaar geleden.

    “Pääbo’s ontdekkingen hebben geleid tot een nieuw begrip van onze evolutionaire geschiedenis”, aldus de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen in een verklaring.

    Verstrengelde staten

    Dinsdag kregen Alain Aspect, John F. Clauser en Anton Zeilinger de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2022 “voor experimenten met verstrengelde fotonen, het vaststellen van de schending van Bell-ongelijkheid en baanbrekende kwantuminformatiewetenschap.”

    In de kwantummechanica bepaalt wat er met een van de deeltjes in een verstrengeld paar gebeurt wat er met het andere deeltje gebeurt, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Lange tijd was de vraag waarom? Was de correlatie omdat de deeltjes in een verstrengeld paar verborgen variabelen bevatten, of instructies die hen vertellen welk resultaat ze in een experiment zouden moeten geven?

    In de jaren zestig ontwikkelde John Stewart Bell de wiskundige ongelijkheid die zijn naam draagt, die stelt dat als er verborgen variabelen zijn, de correlatie tussen de resultaten van een groot aantal metingen nooit een bepaalde waarde zal overschrijden. De kwantummechanica voorspelt echter dat een bepaald type experiment de ongelijkheid van Bell zal schenden, wat resulteert in een sterkere correlatie dan anders mogelijk zou zijn.

    Clauser, van JF Clauser & Assoc., werd bekroond met 1/3 van de prijs van 2022 voor zijn ontwikkeling van Bell’s ideeën, wat leidde tot een praktisch experiment. Toen Clauser de metingen deed, ondersteunden ze de kwantummechanica door duidelijk een Bell-ongelijkheid te schenden. Dit betekent dat de kwantummechanica niet kan worden vervangen door een theorie die gebruik maakt van verborgen variabelen.

    Er bleven echter enkele mazen in de wet over na het experiment van Clauser, dat Alain Aspect van de Université Paris-Saclay heeft verholpen. Hij kon de meetinstellingen wijzigen nadat een verstrengeld paar de bron had verlaten, dus de instelling die bestond toen ze werden uitgezonden, kon het resultaat niet beïnvloeden.

    Ten slotte demonstreerden de Universiteit van Wenen met behulp van verfijnde hulpmiddelen en lange reeksen experimenten, Anton Zeilinger van de Universiteit van Wenen en zijn onderzoeksgroep een fenomeen dat kwantumteleportatie wordt genoemd, wat het mogelijk maakt om een ​​kwantumtoestand van het ene deeltje naar het andere op afstand te verplaatsen.

    “Het wordt steeds duidelijker dat er een nieuw soort kwantumtechnologie in opkomst is. We kunnen zien dat het werk van de laureaten met verstrengelde toestanden van groot belang is, zelfs buiten de fundamentele vragen over de interpretatie van de kwantummechanica”, zegt Anders Irbäck, voorzitter van het Nobelcomité voor Natuurkunde.

    De fundamenten van de kwantummechanica zijn niet alleen theoretisch of filosofisch. In de technologisch geavanceerde wereld van vandaag is er steeds meer onderzoek en ontwikkeling gaande om de speciale eigenschappen van individuele deeltjessystemen te gebruiken om kwantumcomputers te bouwen, metingen te verbeteren, kwantumnetwerken te bouwen en veilige kwantumgecodeerde communicatie tot stand te brengen.

    Informatie verstrekt door de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen.

    .