Nagroda Nobla w dziedzinie chemii [aktualizacja 2024 rok]

Od niego się wszystko zaczęło – Alfred Nobel

Pomysłodawcą przyznawania nagród za wybitne osiągnięcia był Alfred Nobel. Był on wynalazcą, przedsiębiorcą, naukowcem i biznesmenem. Pisał również wiersze i dramaty. Niezwykle ciekawe i barwne życie tego szwedzkiego inżyniera nie sposób opisać w kilku zdaniach.

Przyszły fundator Nagrody Nobla w 1862 roku otworzył fabrykę do produkcji wybuchowej i silnie niestabilnej nitrogliceryny. Jeden z niekontrolowanych wybuchów w fabryce doprowadził do śmierci jego brata. Po skonstruowaniu detonatora zyskał sławę wynalazcy, a jednocześnie powiększał fortunę jako producent materiałów wybuchowych. Najbardziej jest znany z wynalezienia dynamitu w 1867 roku. Wśród licznie przez niego opracowywanych wynalazków jest spłonka, wybuchowa żelatyna, a także balistyt. W sumie Noblowi zawdzięczany ponad 350 patentów w różnych krajach.

Jego różnorodne zainteresowania stały się fundamentem i odzwierciedleniem ustanowionej przez niego nagrody, dla której podwaliny stworzył w 1895 roku. Wtedy to spisał swój testament, w którym zaznaczył iż znaczną część swojego dużego majątku przeznacza na jej ufundowanie. Nagroda jego imienia jest przyznawana za wybitne osiągnięcia, gdyż on sam miał niemałe zasługi dla ludzkości.

Można tylko spekulować, dlaczego postanowił swoją fortunę przeznaczyć na rzecz odkryć i świata nauki. Jako człowiek, Alfred Nobel był niezwykle małomówny. Prawdopodobnie nikomu nie zwierzył się ze swojej decyzji w miesiącach poprzedzających śmierć. Obecnie zakłada się, że istotny wpływ na niego miał pewien incydent z 1888 roku, który mógł zapoczątkować szereg refleksji,  a zakończył się zapisem na rzecz Nagrody Nobla. W 1888 roku, brat Alfreda, Ludvig zmarł w Cannes, we Francji. Gazety donosiły o śmierci Ludviga, jednak pomyliły go z Alfredem, umieszczając nagłówek „Handlarz śmiercią nie żyje”.

Kto był pierwszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii?

Po raz pierwszy laureaci otrzymali swoje Nagrody Nobla w 1901 roku, cztery lata po śmierci Alfreda Nobla. Nobel z chemii trafił w ręce Holendra, Jacoba van’t Hoffa. Był on twórcą nowoczesnej chemii fizycznej. Komitet Noblowski wybór van’t Hoffa uzasadnił słowami: „w uznaniu nadzwyczajnych zasług, jakie położył w odkryciu praw dynamiki chemicznej i ciśnienia osmotycznego w roztworach”. Ten holenderski chemik miał niebagatelny udział w rozwoju chemii, a z zaproponowanych przez niego teorii korzysta się do dziś.

W 1874 roku wyjaśnił zjawisko aktywności optycznej, zakładając, że wiązania chemiczne pomiędzy atomami węgla i ich sąsiadami są skierowane w stronę narożników czworościanu foremnego. Co ciekawe nie otrzymał za tą przełomową propozycje Nagrody Nobla z  chemii. W wieku 22 lat opublikował swoje rewolucyjne idee, które spowodowały, że chemicy zaczęli postrzegać molekuły jako obiekty o określonej strukturze i trójwymiarowych kształtach.

Wprowadził również nowoczesne pojęcie jakim jest powinowactwo chemiczne. Wykazał podobieństwo pomiędzy zachowaniem rozcieńczonych roztworów i gazów. Jacob van’t Hoff pracował także nad teorią dysocjacji elektrolitów, którą w 1889 roku wprowadził Svante Arrhenius. Van’t Hoff w efekcie swoich badań dostarczył fizycznego uzasadnienia dla równania Arrheniusa.

Maria Skłodowska-Curie

Wśród laureatów Nagrody Nobla z chemii znalazła się Maria Skłodowska-Curie. Laureatką tej prestiżowej nagrody została dwa razy. Drugi raz otrzymała ją wspólnie z mężem, z dziedziny fizyki za badania nad promieniotwórczością. Ogromny podziw budzą jej nadzwyczajne dokonania naukowe i szacunek jaki zdobyła w czasach, gdy większość uniwersytetów nawet nie przyjmowała kobiet na studia, a ona sama musiała walczyć o należne jej miejsce w świecie nauki.

W 1911 roku Maria Skłodowska-Curie otrzymuje Nagrodę Nobla z chemii, tym razem indywidualnie. Komitet noblowski postanowił uhonorować ją za odkrycie dwóch pierwiastków promieniotwórczych – radu i polonu. Po tym odkryciu Maria kontynuowała badania nad ich właściwościami. W 1910 roku udało jej się wyprodukować rad w czystej postaci. Dzięki temu udowodniła ponad wszelką wątpliwość istnienie nowego pierwiastka. Prowadząc dalsze badania udokumentowała również właściwości jakimi charakteryzują się pierwiastki promieniotwórcze i ich związki. Dzięki pracom badawczym polskiej laureatki Nagrody Nobla z chemii, związki radioaktywne stały się ważnym źródłem promieniowania zarówno w eksperymentach naukowych, jak i w medycynie, gdzie są wykorzystywane do leczenia nowotworów.

Noblistka do końca życia utrzymywała kontakty z Polską. W powstałym z jej inicjatywy Instytucie Radowym w Paryżu pracowali polscy stypendyści. Ona sama często wygłaszała w naszym kraju odczyty, a także publikowała wiele prac przedstawiających efekty jej eksperymentów w polskich czasopismach naukowych. Maria Skłodowska-Curie jest pierwszą kobietą, ale także pierwszą Polką, która zdobyła tą prestiżową nagrodę, miejmy nadzieje, że nie ostatnią.

Najciekawsze odkrycia nagrodzone Nagrodą Nobla z chemii w ostatnich latach

Komitet Noblowski wybierając laureatów Nagrody Nobla, kieruje się kryterium, w którym doceniane są przede wszystkim odkrycia przełomowe dla ludzkości, poszerzające poziom aktualnej wiedzy w danej dziedzinie. Rzadziej nagrodę otrzymuje się za konkretne wynalazki. Ale należy jednocześnie pamiętać, że  rewolucyjne teorie często pociągają za sobą wiele patentów zmieniających nasze codzienne życie.

W 2015 roku laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie chemii zostali Tomas Lindahl, Paul Modrich oraz Aziz Sancar. Swoje wyróżnienie otrzymali za mechanistyczne badania naprawy DNA. Przeprowadzone przez nich badania wyjaśniły na poziomie molekularnym, w jaki sposób komórki są w stanie naprawić uszkodzone DNA i dzięki temu jak chronią informację genetyczną. Laureaci Nagrody Nobla z chemii w ten sposób przyczynili się do poznania mechanizmów rozwoju nowotworów. Wynika z tego, że są one efektem zaburzeń procesów naprawy. Takie uszkodzenia pojawiają się w naszym organizmie nieustannie. Najczęściej są spowodowane przez takie czynniki jak wolne rodniki czy promieniowanie. Badania uczonych stworzyły fundament do zrozumienia mechanizmu ewolucji świata ożywionego. Ich osiągnięcia mają zastosowanie przy opracowywaniu nowoczesnych terapii nowotworów.

Amerykanin Roger D. Kornberg ze Stanów Zjednoczonych, w 2006 roku otrzymał Nobla z chemii za badania molekularnego mechanizmu transkrypcji w komórkach eukariotycznych. Jego praca naukowa obejmuje zagadnienia kopiowania materiału genetycznego, który jest zapisywany w DNA komórek. Aby materiał genetyczny mógł działać, niezbędne jest ‘’przepisanie” go z DNA na RNA, a później na białka. Laureat Nagrody Nobla z chemii wykazał, że jest to podstawowy proces dla życia wszystkich komórek. Ponadto stworzył model, który wyjaśnia jego działanie. Również te badania przyczyniają się do rozwoju medycyny. Zdecydowanie ułatwią prace nad leczeniem wielu chorób, a także zaburzeń genetycznych. Takie zaburzenia są nie tylko niebezpiecznym podłożem do rozwoju nowotworów, ale również chorób serca czy różnych stanów zapalnych.

W 2011 roku Nagroda Nobla w dziedzinie chemii została przyznana za wyjątkowo niezwykłe w świecie nauki odkrycie. Pochodzący z Izraela Daniel Shechtman odkrył tak zwane kwazikryształy, struktury chemiczne, które swoją budową przypominają mozaikę. To wydarzenie jest bardzo przełomowe, ponieważ wcześniej ich istnienie w przyrodzie uznawano za niemożliwe. Kwazikryształy mają szczególną formę ciała stałego, gdzie atomy układają się w pozornie regularną, ale nie w powtarzającą się strukturę. Przez to niemożliwe jest wyróżnienie ich komórek elementarnych.  Shechtman odkrył kwazikryształy w 1982 roku. Świat naukowy odniósł się wtedy do tego odkrycia bardzo sceptycznie. Przez kilka miesięcy bezskutecznie starał się przekonać kolegów do swoich racji. Finalnie został nawet poproszony o opuszczenie zespołu badawczego. Dopiero 1987 roku francuscy i japońscy naukowcy potwierdzili odkrycie Schechtmana sprzed pięciu lat.

Nobel z chemii w 2024 roku

Decyzją Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk Nagroda Nobla w dziedzinie Chemii w 2024 roku została podzielona kolejno między: Davidem Bakerem, a Demisem Hassabisem i Johnem Jumperem. Dokonania laureatów łączy wspólny pierwiastek – prace nad strukturą i projektowaniem białek.

Pierwszą połowę Nagrody odebrał – David Baker. Amerykański biochemik został wyróżniony za swoje badania nad obliczeniowym projektowaniem białek, co pozwala naukowcom tworzyć zupełnie nowe kombinacje tych struktur, niewystępujące w naturze. Przez wiele lat zespół pod przewodnictwem Bakera pochylał się nad sposobami tworzenia nietypowych struktur białkowych. W 1999 roku naukowcy opracowali algorytm o nazwie Rosetta umożliwiający składanie krótkich fragmentów niespokrewnionych ze sobą budową białek, a co za tym idzie – również przewidywanie ich ułożenia, połączeń i innych interakcji. Wdrożenie i udoskonalanie Rosetty było ważnym krokiem, który stanowił istotne narzędzie w dalszych badaniach. Już kilka lat później – w 2003 roku David Baker wraz ze współpracownikami opublikowali projekt białka o rozbudowanej, wyspecjalizowanej strukturze, oryginalnym falowaniu, a także sekwencji całkowicie różnej od znanych jak do tej pory białek. Od tego czasu jego zespół badawczy nieustannie opracowuje innowacyjne białka o szerokim potencjale zastosowania: od farmaceutyków, szczepionek po nanomateriały i miniaturowe czujniki.

Z kolei Brytyjczyk Demis Hassabis i Amerykanin John Jumper, związani z Google DeepMind, zostali nagrodzeni za opracowanie modelu sztucznej inteligencji AlphaFold2, który umożliwia dokładne przewidywanie trójwymiarowych struktur białek na podstawie sekwencji ich aminokwasów. Program wdrożony po raz pierwszy w 2018 roku (znany obecnie jako AlphaFold1), następnie przeprojektowany i udoskonalony w roku 2020 został oparty na technologii deep learning sztucznej inteligencji. Wyspecjalizowana sieć neuronowa z niezwykłą precyzją wskazuje ułożenie modelu 3D nawet dla bardzo skomplikowanych cząsteczek. Odkrycie to rozwiązało problem, który naukowcy próbowali rozwikłać przez dekady, przyczyniając się do zrozumienia funkcji białek w organizmach i przyspieszenia prac nad nowymi lekami.

Prace tej trójki naukowców mają ogromne znaczenie dla takich dziedzin jak medycyna, biotechnologia oraz badania nad opornością bakterii na antybiotyki, czy chociażby degradacją plastiku w środowisku. Dzięki ich badaniom możliwe jest projektowanie białek o nowych, wcześniej nieznanych funkcjach, co otwiera drzwi do wielu innowacji naukowych i technologicznych.

Nagrodzone badania pokazują, jak połączenie sztucznej inteligencji z biochemią może rewolucjonizować naukę o białkach i przynosić korzyści w wielu aspektach życia.

Nobel z chemii w 2023 roku

Rok 2023 przyniósł nam dobre wieści ze świata nauki! Zespół trzech uczonych – Moungi G. Bawendi z Massachusetts Institute of Technology, Louis E. Brus z Columbia University oraz Alexei I. Ekimov z Nanocrystals Technology Inc., zostali uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie Chemii w roku 2023. Wyróżnienie zostało przyznane za „odkrycie i syntezę kropek kwantowych”. Naukowcy przyczynili się do rozwoju mechaniki kwantowej opracowując nanocząstki o niezwykle ogromnym potencjale.

Kropki kwantowe to nanocząstki o wielkości zaledwie kilku do kilkudziesięciu nanometrów, charakteryzujące się szczególnymi właściwościami fizyko-chemicznymi. Należą one do grupy półprzewodnikowych nanokryształów, a ich rozmiar kwalifikuje je do wykorzystania w zakresie nanotechnologii. Ich główne działanie opiera się na absorbcji i emisji promieniowania.

W 1981 roku, kropki kwantowe po raz pierwszy zsyntezował w szklanej matrycy tegoroczny laureat – Alexei Ekimov. Dwa lata później, tę samą strukturę otrzymał w zawiesinie koloidalnej kolejny z wyróżnionych – Louis Brus. Obecnie nanocząstki te można otrzymać w wyniku wielu różnych reakcji chemicznych. Jednak jednym z najpopularniejszych i najszerzej stosowanych współcześnie sposobów syntezy jest metoda opatentowana przez zespół badawczy pod przewodnictwem Moungiego G. Bawendiego, która pozwala uzyskać niemal idealne cząsteczki.

Nietypowe właściwości optyczne oraz elektroniczne tych nanostruktur (m.in. wysoki współczynnik ekstynkcji czy też zachodzące w nich nieliniowe procesy), dają szerokie pole do wykorzystania ich w wielu dziedzinach nauki i techniki. Ulepszona fotostabilność kropek kwantowych umożliwia ich efektywne zastosowanie w diagnostyce medycznej. Wykazują dłuższe i lepsze działanie w porównaniu do powszechnych środków kontrastujących, barwników oraz innych wskaźników. Wspomniane właściwości pozwalają na użycie tych nanocząstek w skomplikowanych zabiegach onkologicznych. Trwają również badania nad potencjałem antybakteryjnym tych struktur.

Kropki kwantowe są również wykorzystywane do emisji światła z ekranów telewizorów o wysokiej dokładności obrazu, a także z lamp LED. Znajdują także zastosowanie w urządzeniach fotowoltaicznych i wielu innych sprzętach. Według naukowców, kropki kwantowe to przyszłość rozwijającej się „elastycznej elektroniki”, czujników o małych rozmiarach czy też kryptografii kwantowej.

Nobel z chemii w 2022 roku

W 2022 roku, Królewska Szwedzka Akademia Nauk postanowiła uhonorować Nagrodą Nobla w dziedzinie Chemii trzy osoby. Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal oraz K. Barry Sharpless to tegoroczni laureaci tej prestiżowej nagrody. Zostali oni docenieni „za rozwój technologii 'click chemistry’ oraz chemii bioortogonalnej”.

Karl Barry Sharpless oraz Morten Meldal szczególnie przyczynili się do rozwoju funkcjonalnej formy „chemii kliknięć” (click chemistry). Komitet podkreślił wyjątkowość tej metody, która pozwala w nieskomplikowany sposób uzyskać proste, szybko zachodzące reakcje, pozbawione produktów ubocznych. Jednocześnie warto podkreślić, że Karl Barry Sharpless po raz drugi został uhonorowany Nagrodą Nobla. Pierwsze wyróżnienie otrzymał w 2001 roku za badania wykorzystane do syntezy nasercowych leków, tzw. beta-blokerów.

Carolyn Ruth Bertozzi zawdzięczamy zaś wprowadzenie do naukowego słownika terminu „chemia bioortogonalna”. Po raz pierwszy termin ten został użyty już w 2003 roku i od tamtej pory dziedzina ta jest skutecznie rozwijana przynosząc rozwój w zakresie wiedzy na temat procesów zachodzących w żywych komórkach.

„Chemia kliknięć” jest porównywana do budowania z klocków LEGO. Wykorzystując określone fragmenty cząsteczek, można je ze sobą łączyć, aby tworzyć związki o dużej złożoności oraz zróżnicowaniu. Kombinacja stosunkowo prostych „klocków chemicznych” pozwala na niemal nieskończoną różnorodność cząsteczek. Natomiast chemia bioortogonalna umożliwia monitorowanie procesów chemicznych zachodzących w żywych komórkach bez ich uszkadzania. Daje to szanse na badanie chorób wewnątrz komórek lub w złożonych organizmach.

Jaki wpływ na codzienne życie mają badania prowadzane przez tegorocznych laureatów Nagrody Nobla? Bardzo istotne! Opisane przez badaczy mechanizmy znajdą zastosowanie szczególnie w farmacji i medycynie np. do uefektywnienia procesów wytwarzania leków. Obecnie są one bardzo często skomplikowane, przez co czasochłonne i kosztowne. Technologia „click chemistry” i chemia bioortogonalna usprawnią między innymi ukierunkowanie leków przeciwnowotworowych, ale również poszerzą wiedzę i osiągnięcia z zakresu antybiotyków, herbicydów czy testów diagnostycznych. Umożliwią także postęp w syntezie tzw. inteligentnych materiałów dzięki możliwości łatwego łączenia ze sobą poszczególnych elementów. Już teraz chemia bioortagonalna znana jest na całym świecie i wykorzystywana do śledzenia poszczególnych procesów biologicznych, szczególnie w zakresie walki z nowotworami. Połączenie opracowanych przez naukowców technologii pozwala dowiedzieć się jeszcze więcej o komórkach i procesach biologicznych. Tworzenie skomplikowanych cząsteczek przez łączenie elementów ze sobą, w znaczny sposób ograniczy lub wyeliminuje powstawanie produktów ubocznych.

Nobel z chemii w 2021 roku

W 2021 roku Komitet Noblowski podjął decyzje odmienną od panujących spekulacji, jakoby nagrodę mieli otrzymać uczeni, dzięki którym powstały innowacyjne szczepionki RNA. Nagroda Nobla z chemii trafiła jednak w ręce Benjamina Lista oraz Davida McMillana. Otrzymali oni wyróżnienie za opracowanie asymetrycznej katalizy organicznej. Niektórzy wprost nazywają ją genialnym narzędziem do budowania cząsteczek chemicznych. Dodatkowo stworzona przez nich metoda przyczyniła się do dalszego rozwoju „Zielonej Chemii”, w której dąży się do utrzymania harmonii ze środowiskiem naturalnym.

Budowanie molekuł to trudna sztuka. Laureaci z 2021 roku stworzyli precyzyjne narzędzie do budowy molekularnej, czyli organokatalizy. Wiele obszarów badawczych i gałęzi przemysłu zależy od zdolności chemików do konstruowania molekuł, które mogą tworzyć elastyczne i trwałe materiały, magazynować energię w bateriach lub hamować rozwój chorób. Praca ta wymaga katalizatorów, czy substancji kontrolujących i przyspieszających reakcje chemiczne. Jednocześnie nie są one częścią produktu końcowego. Katalizatory są więc podstawowymi narzędziami, którymi dysponują chemicy. Jednak naukowcy przez długi czas uważali, że istnieją tylko dwa rodzaje katalizatorów: metale i enzymy.

Benjamin List oraz David MacMillam otrzymali w 2021 roku Nagrodę Nobla z chemii, ponieważ w 2020 roku opracowali trzeci rodzaj katalizy. Należy zaznaczyć, że obaj naukowcy  swoje badania prowadzili niezależnie od siebie. W efekcie ich prac naukowych stworzyli asymetryczną organokatalizę. Idea opiera się na małych cząsteczkach organicznych. Do jej zalet należy niewątpliwie duża prostota. Katalizatory organiczne posiadają stabilny szkielet z atomów węgla. Do niego mogą być przyłączane bardziej aktywne grupy chemiczne. Te grupy zawierają często wspólne pierwiastki, takie jak tlen, azot, siarkę lub fosfor. Finalnie takie katalizatory nie tylko są przyjazne środowisku, ale również ich koszty produkcji nie są duże.

Wzrost zastosowania katalizatorów organicznych wynika głównie z ich zdolności do napędzania właśnie katalizy asymetrycznej. Najogólniej mówiąc, w trakcie powstawania molekuły często dochodzi do sytuacji, gdzie mogą powstać dwie różne cząsteczki, będące swoimi lustrzanymi odbiciami. Szczególnie w branży farmaceutycznej chemikom zależy na otrzymaniu tylko jednego z nich, ponieważ nierzadko jedna ze struktur ma działanie terapeutyczne, natomiast druga z nich silnie toksyczne. Rozwój asymetrycznej katalizy organicznej w znaczący sposób przyczyni się do rozwiązania tego problemu.

Nobel z chemii w 2020 roku

W 2020 roku tą prestiżową nagrodę otrzymały dwie kobiety. Wspomniane laureatki to Emmanuelle Charpentier oraz Jennifer A. Doudna. Obie panie odkryły jedno z najostrzejszych narzędzi w technologii genowej: nożyczki genetyczne CRISPR/Cas9. Dzięki ich innowacyjnemu odkryciu naukowcy mają narzędzie do zmieniania DNA zwierząt, roślin i mikroorganizmów z niezwykle wysoką precyzją. Ta technologia zrewolucjonizowała nauki przyrodnicze, przyczyniła się do powstania nowych terapii antynowotworowych i pomaga realizować marzenia o leczeniu chorób dziedzicznych. Jeśli naukowcy chcą dowiedzieć się czegoś o wewnętrznym funkcjonowaniu życia, muszą modyfikować geny w komórkach. Dotąd była to praca niezwykle żmudna i czasochłonna. Czasami wręcz niemożliwa do wykonania. Z pomocą nożyczek genetycznych CRISPR/Cas9 możliwa jest zmian kodu życia w ciągu kilku tygodni.

Ciekawostką jest, że odkrycie tych genetycznych nożyczek było niespodziewane. Emmanuelle Charpentier prowadząc badania nad jedną z bakterii, która wyrządza największe szkody ludzkości – Streptococcus pyogenes, odkryła nieznaną dotąd cząsteczkę – tracrRNA, która jest częścią systemu odpornościowego bakterii CRISPR/Cas, niszczącego wirusy poprzez rozszczepienie ich DNA. Charpentier opublikowała swoje odkrycie w 2011 roku i kilka miesięcy później nawiązała współpracę z Jennifer Doudna, doświadczoną biochemiczką, posiadającą ogromną wiedze na temat RNA. Współpracując odtworzyły genetyczne nożyczki bakterii i uprościły molekularne składniki nożyczek tak, aby były jak najłatwiejsze w użyciu. Laureatki Nagrody Nobla z chemii udowodniły, że można kontrolować genetyczne nożyczki tak, aby przecinały dowolną cząsteczkę DNA w określonym miejscu. Osiągnęły to dzięki przeprogramowaniu pierwotnych, genetycznych nożyczek. Charpentier i Doudna pokazały, że w miejscu, w którym DNA jest przecięte, łatwo jest przepisać kod życia. Odkąd tego dokonały użycie CRISPR/Cas9 gwałtownie wzrosło.

Opracowane przez badaczki narzędzie przyczyniło się do wielu odkryć. Naukowcy, którzy zajmują się roślinami są w stanie opracować uprawy odporne na pleśń, szkodniki czy suszę. W medycynie trwają badania nad nowatorskimi terapiami przeciwnowotworowymi. Jest duża szansa, że leczenie chorób dziedzicznych nie będzie teraz problemem. Nie ulega wątpliwości, że te genetyczne nożyczki wprowadziły nauki przyrodnicze w zupełnie nową epokę pod wieloma względami. Odkrycie dokonane przez laureatki Nagrody Nobla z chemii przyniesie ludzkości duże korzyści.