Создавая новые материалы, химикам нужно быть осторожнее

Валерий Фокин, один из 100 лучших химиков десятилетия, поведал о создании новых материалов, занятиях химиков и финансировании проектов в передаче «Наука 2.0» — совместном проекте «Полит.ру» и радиостанции «Вести FM».

 

Искусство химии заключается в том, чтобы интуитивно изготовить и синтезировать очень интересные молекулы. Многие проекты начинаются именно с интуиции, а не с какого-то известного рецепта или реакции, которую мы хотим использовать.

Когда химики создают молекулы, синтезируют некое соединение, у них возникает удовлетворение от красоты, от узора. Но главное удовольствие - в том, для чего полученное соединение нужно. Это значительно важнее, чем сама молекулярная архитектура.

Химия должна заниматься сейчас тем, чтобы создавать соединения, у которых есть свойства, которые могут помочь понять научную проблему или достигнуть чего-то полезного.

Откуда возникают идеи? Наверное, есть вдохновение. Но, прежде всего - любопытство, простое любопытство. Если вы хорошо делаете свою работу, то со временем она к чему-то приведёт.

Мы живём не в замкнутом мире, хотя в Академии наук ученые в какой-то мере изолированы от проблем промышленности. Дело в том, что задачи ставятся по-разному. В промышленности или в компаниях, куда вы приходите работать, есть определенная задача – например, сделать новое лекарство от конкретного заболевания или новый материал, у которого были бы определенные свойства.

Например, те же самые стволовые клетки – совсем новое направление, которое появилось из биологии и биомедицины. Многие факторы и многие молекулы, которые заставляют стволовые клетки превращаться в определённые ткани, а затем - в определённые органы, – это часть химии. Сейчас методом проб и ошибок, работая с биологами и с медиками, мы пытаемся узнать, что можно сделать, каким образом мы можем заставить молекулы вести себя определенным образом.

Как химия функционировала весь прошедший век? Несмотря на то, что учёные - люди креативные и творческие, по большей части мы смотрели на природу и пытались повторить природные молекулы. Благодаря этому возникла область так называемого синтеза природных продуктов. Эта область очень помогла химии развиваться, но по большому счёту, по готовому образу и подобию сделать что-то оригинальное и новое – достаточно сложно.

У нас совершенно другие, нежели у природы, подходы к синтезу молекул. У природы подход очень простой: когда она собирает молекулы, все реакции должны находиться в равновесии, то есть они должны быть обратимы. Если вы из аминокислот собираете белок, то у вас должны быть такие же ферменты, чтобы его разобрать обратно. Единственное природное необратимое состояние - это смерть.

Современная наука работает иначе. Есть некоторые пластмассы, которые мы научились делать лучше, чем делает природа. Есть молекулы, которые никогда не собирались в такие связи. У природы не было никаких методов для того, чтобы их собрать. Соответственно, если мы можем такой химией пользоваться, мы получаем совершенно другой уровень контроля над молекулами.

Мы можем использовать исходные соединения, на которые повешены, привязаны химические, функциональные группы, небольшие функциональные группы, которые природа, в общем-то, не использует в своём арсенале. У неё эти реакции никогда не возникали. Например, три азота, связанные в одну группу, - таких связей в природе просто не существует. Они не настолько стабильны и не настолько полезны для неё…

Мы можем каждую молекулу на молекулярном уровне изменить самым минимальным образом. Её функция нуклеиновой кислоты так и останется, она может участвовать в трансляции, в транскрипции, клетка будет жить, организм будет жить с ней.

Благодаря этому мы можем делать уникальные вещи: создать, например, клей, который будет склеивать живые ткани. Например, кость и сухожилие, то, что сделать очень сложно; или, например, кожу и подкожную жировую клетчатку, что только механически сейчас можно сделать. Мы можем склеивать другие материалы, например, металлы, совершенно уникальным образом, и эти связи могут, например, проводить электричество.

Нефть - это почти все, что у нас есть

Мы должны помнить, что работать необходимо аккуратно, не так, как сейчас происходит с пластиками, которые не перерабатываются природой. В принципе, ортогональная химия совершенно не подразумевает, что ученые сделают нечто такое, что будет жить своей жизнью, никогда не распадётся и не разложится в природе. Когда мы работаем в народном хозяйстве, мы должны использовать соединения, которые нам более всего доступны. Но, кроме нефти и некоторых растительных материалов и растительных масел, нам ничего не доступно на таком большом уровне. Это всё, что у нас есть.

Нефть на сегодняшний день - самое базовое сырьё. 90% всех химикатов во всём мире получаются из нефти и материалов ее переработки. Нефть используется для того, чтобы получить буквально несколько, 7-8, исходных материалов, потом уже из этого базиса получается все то, что мы видим в своей жизни ежедневно.

Создавая каждый новый материал, ученый должен думать о том, что будет с циклом жизни этого продукта. Сейчас, к сожалению, чаще всего продукт просто закапывается в землю и лежит там, по крайней мере, сотню лет. Так в Тихом океане плавают целые пластиковые острова. Мусор, который попал в океан, собирается в большие конгломераты: много квадратных километров пластикового мусора плавает по океану, поскольку он не распадается.

Но постепенно эта ситуация достаточно радикально меняется: появляется много пластиков, которые, попав в землю или на солнце, будут очень легко распадаться и превращаться в те самые природные продукты, которые практически безвредны. Пока это не совсем реально и чрезвычайно дорого, но работа идет.

Химики разрабатывают новые методы лечения СПИДа

Наша лаборатория занимается "варкой" молекул и разработкой новых реакций. Мы разрабатываем новые реакции, которые были бы полезны для нахождения новых молекул с интересными свойствами.

В частности, мы работаем с проектами, цель которых - новые методы лечения ВИЧ-инфекции. Соответственно, мы разрабатываем новые подходы, новые лекарства и новые ключи к пониманию того, почему вирус иммунодефицита человека мутирует, каким образом он отвечает на внешние стимулы, почему мы сейчас имеем некоторые вирусы, к которым резистентны новые пациенты, никогда не лечившиеся препаратами, представленными сейчас на рынке. То есть они не могут быть вылечены этими препаратами, но каким образом вирус об этом узнает? Это немножко другое понимание биологии, а именно – взаимодействие разных препаратов на разных уровнях.

Также мы работаем над интересными молекулами, которые можно использовать как обезболивающие, но совершенно другого уровня. Это не просто обезболивающие, как наркотик или аспириноподобные соединения. Они работают с рецепторами в центральной нервной системе, в мозге, но они не наркотического ряда и останавливают болевые импульсы. Это очень сложная задача.

Наука - вещь очень дорогая

Наука, особенно химия и биология, – сейчас вещь очень дорогая. Поэтому мы должны получать финансовую поддержку и гранты от государственных организаций, от министерства здравоохранения США, Фонда науки и так далее.

Когда мы пишем заявку на грант, мы обосновываем, почему мы думаем, что именно этот подход - правильный. Собирается группа других учёных, которые читают проект и решают, на самом ли деле мы говорим дельную вещь, или это нереально. Это достаточно анонимный, закрытый процесс: ученые пишут свои выводы и решение, стоит ли на данный проект давать деньги. После этого вы получаете деньги на четыре-пять лет, а если вы не закончили проект, можете попросить ещё. За использование средств мы несем некую ответственность перед налогоплательщиками: собственно, это те же деньги, которые мы сами платим в виде налогов.

Есть и объективные, и субъективные факторы в оценке нового проекта. Невозможно предсказать наверняка, будет ли проект работать. Экспертиза состоит в том, что группа людей, которая оценивает проект, основываясь на своих знаниях и ощущениях, делает предположение, что, вероятно, те люди, которые его написали, во-первых, имеют достаточно знаний и оборудования, и в этой области уже себя зарекомендовали неким образом; во-вторых, то, что они предлагают, кажется достаточно правильным и резонным.

Конечно, это взвешенный риск. И даже сейчас, в современном мире, те проекты, которые почти гарантировано будут работать, очень часто не получают финансирования.