גישה חדשנית לסינתזת תרופות

מחקר חדש מדגים כיצד משטחי מתכת כיראליים עשויים לספק גישה חדשנית להכנת חומרים רפואיים

מחקר חדש מדגים כיצד משטחי מתכת כיראליים עשויים לספק גישה חדשנית להכנת חומרים רפואיים.

משטחי מתכת אלו, בעלי כיראליות מקורית, מספקים דרכים חדשות לבקרה על כימיה כיראלית, תוך פתיחת הצוהר לאפשרויות מסקרנות של שימוש בזרזים הטרוגניים בסינתזת תרופות. משטחים שכאלו יוכלו גם להפוך לבסיס לטכנולוגיות ביו-חישה חדשניות.

עצם כיראלי, כמו כל אחת מהידיים שלנו, הוא כזה שלא יכול לחפוף את תמונת הראי שלו. כיראליות היא מאפיין בסיסי בביוכימיה – אבני-הבניין של החיים, חומצות האמינו והסוכרים, הינן מולקולות כיראליות: המבנים המולקולאריים המרחביים שלהם יכולים להתקיים או בצורה “שמאלית” או בצורה “ימנית” (מה שמכונה “אננטיומרים”).

יצור חי עשוי להגיב באופן שונה לכל אחד משני האננטיומרים של חומר כיראלי. עובדה זו חשובה באופן מכריע במקרה של תרופות, לגביהן ההשפעה הרפואית לרוב קשורה הדוקות רק לאחד מהאננטיומרים של מולקולת התרופה. לפיכך, הבקרה על הכיראליות הינה גורם מכריע בסינתזת תרופות.

המחקר בנוגע לבקרה על סינתזה כיראלית מתמקד בעיקר בשימוש בזרזים הומוגניים, כאשר הזרז נמצא באותו התווך כשל המגיבים והתוצרים של התגובה, כגון תמיסה נוזלית המוספת לתגובה המתרחשת בתמיסה נוזלית אחרת. אולם, בתהליך זה כרוכים אתגרים מעשיים רציניים לשם שחזור הזרז יקר הערך מתוך התערובת. על-מנת להימנע מבעיה זו, חלופה יעילה תהיה השימוש בזרז הטרוגני ע”ג משטח מוצק – סוג הזרזים המשמשים בממירים קטליטיים המצויים במערכת הפליטה של הרכבים, וכן בתהליכים תעשייתיים כגון ההכנה של אמוניה ודלק סינתטי. במקרה זה, השאלה היא כיצד להשיג בררנות אננטיומרית על-גביי המשטח – כלומר, הקבלה של אננטיומר אחד בבלעדיות או בעודף ניכר, יחסית לאננטיומר השני.

על-מנת לסייע ולהשיב על שאלה זו, מדענים מאוניברסיטת קיימברידג’ חוקרים את הארגון-העצמי הספונטני של חומצת אמינו כיראלית פשוטה, אלנין, לכדי מערכים מולקולאריים סדורים על-גבי משטחים של חד-גבישי נחושת. תודות למיקרוסקופ מנהור סורק עוצמתי, המסוגל להבחין באטומים ובמולקולות פרטניים, המחקר שלהם חושף את המנגנונים השונים לקבלת כיראליות תוך השגת תובנות חשובות בנוגע לקבלתה של הכיראליות, הבקרה עליה, וניצולה למטרות מדעיות.

ד”ר Stephen Driver, מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת קיימברידג’, אשר הוביל את החלק הניסיוני של המחקר, אומר: “התחלנו לחקור שני תרחישים מובדלים – באחד התרחישים, המשטח אינו-כיראלי, כך שכל כיראליות שתצוץ לה חייבת לנבוע מהכיראליות של מולקולת האלנין עצמה בלבד. בתרחיש השני, השתמשנו במשטח שהוא עצמו כיראלי. כעת השאלה הצטמצמה לכדי: האם שני האננטיומרים של האלנין יתנהגו באופן שונה בתגובה עם המשטח הכיראלי?”

החוקרים מצאו כי כאשר נעשה שימוש במשטח בלתי-כיראלי, האלנין יכול להתארגן עצמאית לכדי שתי תבניות נפרדות. עבור אחת מהן, הארגון-העצמאי מונע על-ידי קשרי מימן בין המולקולות, כאשר למרכז הכיראלי אין כל השפעה מבדלת על המערך הסדור המתקבל. עבור המבנה השני, מתקבלת רשת של גבולות כיראליים ארוכי-טווח המשובצים בתוככי המערך, וכיראליות הגבול עצמו היא המשפיעה על הכיראליות המולקולארית.

מסביר החוקר: “המשמעות היא שהמרכז הכיראלי הוא בעל השפעה ישירה על מערך האריזה של שתי מולקולות אלנין שכנות בגבול, וכי הכיראליות של צמד זה מתקדמת לצמד השכן לו, וכן הלאה והלאה, כך שהגבול הכיראלי נבנה והולך לטווח ארוך.”

המשטח הכיראלי נוצר פשוט על-ידי בחירת כיווניות משטח הרחוקה מכל משטחי הסימטריה של הגביש המתכתי. כאשר החוקרים הוסיפו אלנין, הם מצאו כי המשטח משנה את הכיווניות המקומית שלו לכדי יצירת פאות ננומטריות. שני האננטיומרים הנפרדים של אלנין מתארגנים-עצמאית לכדי תבניות כיראליות שונות, מה שמצביע על קבלת השפעה מבנית עוצמתית בעלת בררנות אננטיומרית. “הוכחת עיקרון” זו תוכל להיות מנוצלת בתחומים של הכרה כיראלית, בסינתזה כיראלית (יצירת תוצר כיראלי מתוך מגיבים לא-כיראליים), ובהפרדה כיראלית.

מוסיף החוקר: “נראה כאילו אלנין מסוגל ליצור אתר קישור כיראלי נוח לעצמו. למשטח הנחושת יש את הגמישות הנדרשת לסיגול הצורה של מולקולת האלנין, וצורה זו שונה עבור כל אחד מהאננטיומרים הנפרדים.” הממצאים מצביעים על כך כי כיווניות משטח מסוימת תוכל להוביל לקבלת מבנים מסודרים ויציבים מתוך אחד מהאננטיומרים, אולם לא מתוך השני: התנאים המתאימים בדיוק לקבלת השפעות כימיות כיראליות.

מוסיף אחד מהחוקרים: “התאמת המשטח המדויק למולקולה המתאימה לו תוכל להוביל לקבלת השפעות חזקות של בררנות אננטיומרית. יש כאן בסיס אמיתי לטכנולוגיה פורצת דרך במגזר התרופות. המחקר שלנו עשוי לעניין מאוד את חברות התרופות כולן.”

הידיעה על המחקר