جوائز نوبل
الاستثمار في إنجازات جائزة نوبل – التحفيز العضوي غير المتناظر
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
تاريخ جائزة نوبل
جائزة نوبل من أشهر الجوائز العلمية. أُنشئت بموجب وصية ألفريد نوبل لتكريم «من قدموا أعظم فائدة للبشرية» في الفيزياء والكيمياء وعلم وظائف الأعضاء أو الطب والأدب والسلام. وغالبًا ما تُمنح الجائزة بعد سنوات طويلة من الاكتشاف.
أنشأ البنك المركزي السويدي لاحقًا جائزة العلوم الاقتصادية في ذكرى ألفريد نوبل. وهي لا تنتمي إلى الجوائز التي نصت عليها وصيته الأصلية.
تختار مؤسسات سويدية متعددة الفائزين في المجالات العلمية والأدب، بينما تختار لجنة نوبل النرويجية الفائز بجائزة السلام.
التفكير في الإرث
تروي قصة شائعة أن ألفريد نوبل تأثر بنعي خاطئ نُشر بعد وفاة أخيه. لكن تفاصيل القصة ودورها في الوصية غير مؤكدة. اخترع نوبل الديناميت وعمل على متفجرات أخرى؛ والديناميت ليس هو البارود عديم الدخان. كما اشترى شركة بوفورس. وقد عبّرت وصيته عن رغبته في مكافأة الأعمال النافعة للبشرية.
جائزة نوبل
تُدار ثروة نوبل لتمويل الجوائز وأعمال مؤسسة نوبل. وتشمل الجائزة ميدالية وشهادة ومبلغًا ماليًا. في الفترة التي يتناولها المقال، بلغت قيمة الجائزة الكاملة 11 مليون كرونة سويدية، أي نحو مليون دولار. وقد تتغير القيمة وأسعار الصرف.
المصدر: Britannica
قد تُقسم الجائزة بين عدة فائزين، وغالبًا بين شخصين أو ثلاثة في العلوم. ولا يعني ذلك تكريم جميع المساهمين في المجال.
كرّمت جوائز نوبل اكتشافات أساسية وتطبيقية أسهمت في تشكيل العالم الحديث، مثل النشاط الإشعاعي، المضادات الحيوية، الأشعة السينية وتفاعل البوليميراز المتسلسل، وكذلك الأبحاث المتعلقة بـمصدر طاقة الشمس وشحنة الإلكترون والبنية الذرية والميوعة الفائقة.
السعي لمزيد من المحفزات
بحث الكيميائيون طويلًا عن وسائل لتسريع التفاعلات وتوجيهها نحو منتجات محددة. ويمكن تغيير الحرارة أو الضغط، كما توفر المحفزات طرقًا أخرى للتحكم في السرعة والانتقائية.
يُسرّع المحفز التفاعل بتوفير مسار ذي حاجز تنشيط أقل. وقد يزيد أيضًا انتقائية تكوين المنتج المطلوب.
يشارك المحفز في التفاعل ثم يُستعاد ضمن الدورة التحفيزية، فلا يُستهلك وفق النسب الستوكيومترية للمتفاعلات. لكنه قد يتدهور أو يفقد نشاطه عمليًا.
للتحفيز دور أساسي في تكرير النفط وتصنيع البلاستيك وتنقية الهواء والماء وإنتاج الأدوية والعطور والمنكهات والمواد الغذائية.
تقدّر الخلفية العلمية المبسطة لجائزة نوبل أن التحفيز الكيميائي يدخل، بطريقة ما، في نحو 35% من الناتج المحلي الإجمالي العالمي.
أنواع عديدة من المحفزات
تُستخدم معادن مثل الفضة والنيكل والبلاتين والبلاديوم في التحفيز. وبعضها مرتفع التكلفة، لكن انتقائيتها تعتمد على المعدن والربيطات وظروف التفاعل؛ وليست المحفزات المعدنية ضعيفة الانتقائية بالضرورة.
تكتسب الانتقائية أهمية خاصة عندما يكون المطلوب منتجًا واحدًا بعينه، كما في تصنيع الأدوية.
الإنزيمات فئة أخرى من المحفزات. ومعظمها بروتينات تستطيع تسريع تفاعلات محددة جدًا في الكائنات الحية وفي العمليات الصناعية.
كان تحضير الإنزيمات النقية إنجازًا علميًا مهمًا كُرّم بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1946. وتُستخدم الإنزيمات اليوم في عمليات كيميائية كثيرة.
تطورت الإنزيمات الطبيعية لأداء وظائف حيوية محددة، ولذلك قد يصعب العثور على إنزيم مناسب لتفاعل صناعي مختلف. لكن هندسة البروتينات وتطوير الإنزيمات يمكن أن يوسعا نطاق استخدامها.
قد تتأثر الإنزيمات بالحرارة المرتفعة أو الحموضة الشديدة. لذلك تُدرس محفزات عضوية صغيرة مصممة خصيصًا، تقوم على الكربون وقد تحتوي على الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والكبريت والفوسفور، بدلًا من مركز تحفيزي معدني.
المحفزات العضوية
مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021 لكل من بنيامين ليست وديفيد دبليو. سي. ماكميلان لتطوير التحفيز العضوي غير المتناظر.
المحفزات العضوية جزيئات عضوية صغيرة. ويهم التحفيز غير المتناظر لأن الجزيئات الكيرالية قد توجد في صورتين مرآتيتين تختلف آثارهما الحيوية.
تعني الكيرالية أن الصورتين المرآتيتين لا تنطبقان بمجرد تدوير الجزيء، وليست مجرد اختلاف في اتجاهه. وقد تعطي صورتا الليمونين، مثلًا، إحساسين مختلفين بالرائحة.
المصدر: Nobel Prize
لم يكن ليست وماكميلان أول من استخدم المحفزات العضوية. ففي عام 1912 استُخدم الكينين لتحفيز تكوين السيانوهيدرين، واستُخدمت مشتقاته لاحقًا في التحفيز غير المتناظر.
المصدر: Nobel Prize
لكن المجال ظل يفتقر إلى إطار عام ومنهجي لفهم هذه المحفزات وتصميم أنواع جديدة منها.
كيف يعمل التحفيز؟
تحتاج التفاعلات إلى تجاوز حاجز تنشيط. ويوفر المحفز مسارًا بديلًا بحاجز أقل، عبر تنشيط المتفاعلات أو تثبيت الحالة الانتقالية مثلًا. وهو لا يغير فرق الطاقة الكلي للتفاعل أو موضع الاتزان.
المصدر: Byjus
تعتمد المحفزات المعدنية على خصائصها الإلكترونية والكيميائية. أما الإنزيمات فتجمع مجموعات كيميائية فعالة مع بنية ثلاثية الأبعاد تساعد على ترتيب المتفاعلات.
غالبًا ما تشارك أحماض أمينية قليلة مباشرة في الموقع النشط، بينما تسهم بقية البنية في الثبات والتنظيم ووظائف أخرى.
المصدر: Nobel Prize
دفع ذلك بنيامين ليست إلى التساؤل عما إذا كان عدد قليل من الأحماض الأمينية، أو حتى حمض واحد، قادرًا على أداء تحفيز يرتبط عادة بالإنزيم الكامل.
محفزات ليست: البرولين والكيرالية
درس ليست الحمض الأميني البرولين، الذي ظهرت له خصائص تحفيزية منذ سبعينيات القرن العشرين، واختبر إمكانية استخدامه في تفاعل غير متناظر أعم.
نجح البرولين في التحفيز مع تفضيل تكوين إحدى الصورتين المرآتيتين للمنتج على الأخرى.
أصبح هذا العمل أساسًا مهمًا لتحفيز الإينامين، المرتبط بتنشيط قواعد لويس.
يمكن لنيتروجين البرولين تكوين وسيط إيناميني نشط، بينما تسهم مجموعة الكربوكسيل في تنظيم الحالة الانتقالية وتثبيتها.
المصدر: Nobel Prize
محفزات ماكميلان: أيون الإيمينيوم
عمل ماكميلان على محفزات معدنية غير متناظرة، لكنه لاحظ أن حساسية بعض الأنظمة للهواء والرطوبة قد تعيق استخدامها صناعيًا.
بحث لذلك عن جزيئات عضوية صغيرة تحقق آليات تنشيط مشابهة.
تستطيع المحفزات المعدنية تنشيط المتفاعلات عبر التناسق والتفاعلات الإلكترونية، وتختلف الآلية وفق المحفز والتفاعل.
طوّر ماكميلان محفزات أمينية عضوية تكوّن أيونات إيمينيوم مع مركبات كربونيلية مناسبة، فتزيد قابليتها للتفاعل.
عُرف هذا النهج بتحفيز الإيمينيوم، وهو تنشيط يرتبط بآليات أحماض لويس.
يغيّر تكوين الإيمينيوم الخصائص الإلكترونية للركيزة. كما قد تحجب البنية الكيرالية للمحفز أحد وجهيها، فتفضّل تكوين متماكب فراغي معين.
المصدر: Nobel Prize
صعود المحفزات العضوية
نشر ليست وماكميلان نتائجهما المستقلة في وقت متقارب عام 2000. وصاغ ماكميلان مصطلح التحفيز العضوي.
أتاحت دراسة الآليات تطوير المحفزات العضوية بصورة أكثر منهجية، بدلًا من الاقتصار على أمثلة متفرقة أو اكتشافات عارضة.
أصبح التحفيز العضوي أداة مهمة في التخليق الكيميائي لعدة أسباب:
- إمكانية خفض التكلفة، خاصة عند الاستعاضة عن معادن مرتفعة الثمن.
- التحكم في البنية الفراغية قد يحسن جودة المنتج المطلوب.
- قد تختلف فعالية الصور المرآتية للأدوية وآثارها الجانبية كثيرًا، مما يجعل تصنيع الصورة المناسبة واختبارها أمرًا مهمًا.
- إمكانية تطوير تفاعلات جديدة باستخدام تنشيط الإينامين والإيمينيوم وآليات عضوية أخرى.
- قد تتحسن الآثار البيئية لبعض العمليات، لكن كون المحفز عضويًا لا يجعله تلقائيًا غير سام أو سهل إعادة التدوير. يجب تقييم العملية كاملة.
إنجازات المحفزات العضوية
يوضح تخليق الإستركنين كيف يمكن للتحفيز العضوي تحسين تصنيع الجزيئات المعقدة.
وفق الخلفية العلمية المبسطة لجائزة نوبل، احتاج التخليق المبكر إلى 29 تفاعلًا، ولم يتحول سوى 0.0009% من المادة الأولية إلى إستركنين، وهو سم استُخدم ضمن سموم القوارض.
في عام 2011، استخدم باحثون التحفيز العضوي وتفاعلات متتابعة لتخليق الإستركنين في 12 خطوة. وتصف الخلفية العلمية العملية بأنها أكثر كفاءة بنحو 7,000 مرة.
قد يتيح التخليق الفعال أيضًا زيادة إمدادات مركبات معقدة تُستخلص حاليًا من النباتات أو الكائنات البحرية، وخفض تكلفتها، بما فيها مركبات ذات أهمية دوائية.
التطوير المستقبلي
التحفيز الضوئي
يوضح البناء الضوئي كيف يمكن لامتصاص الضوء ونقل الإلكترونات دفع التفاعلات الكيميائية. لكنه نظام حيوي معقد يضم بروتينات وأصباغًا عضوية ومراكز تحتوي على معادن، وليس مجرد مثال على تحفيز عضوي خالٍ من المعادن.
كما أنتج البناء الضوئي المادة العضوية التي نشأت منها كثير من أنواع الوقود الأحفوري.
تُدرس المحفزات الضوئية لتخزين الطاقة الشمسية في روابط كيميائية، مثل الوقود أو الهيدروجين. وهي لا تخلق الطاقة، بل تساعد على تحويلها.
في هذه الأنظمة، يمكن للضوء دفع التفاعل مباشرة بدلًا من تحويله أولًا إلى كهرباء في الخلايا الشمسية ثم استخدام الكهرباء في عملية مثل التحليل الكهربائي.
قد يحسن ذلك اقتصاديات بعض أنواع الوقود الشمسي مستقبلًا، لكن المنافسة تتطلب إثبات الكفاءة والعمر التشغيلي وانخفاض التكلفة الكلية.
تصميم الجزيئات بالذكاء الاصطناعي
عدد الجزيئات الممكنة هائل، ولم يُدرس سوى جزء صغير منها.
تصبح الحسابات الكمومية الدقيقة مكلفة مع ازدياد حجم النظام. لكن الطرق التقريبية تستطيع معالجة جزيئات أكبر كثيرًا، ولا يوجد حد عام يقتصر على 5–10 ذرات.
تتعلم نماذج الذكاء الاصطناعي العلاقات من البيانات لتقدير الخصائص أو اقتراح البنى، بدلًا من حساب جميع الاحتمالات من البداية.
يمكن أن تنتج عن ذلك جزيئات مرشحة تحتاج لاحقًا إلى التحقق. ومن الأمثلة ألفافولد للتنبؤ ببنى البروتينات والتنبؤ بالنشاط المضاد للبكتيريا لجزيئات جديدة وبرنامج مايكروسوفت (MSFT ) الذكاء الاصطناعي للعلوم (AI4Science).
المصدر: Microsoft
يُرجح أن كثيرًا من المحفزات العضوية لم يُكتشف بعد. وقد يساعد الذكاء الاصطناعي على تسريع البحث، كما ناقشنا في «تسريع الاكتشافات باستخدام الذكاء الاصطناعي».
الاستثمار في المحفزات العضوية
تدخل المحفزات العضوية في الصناعة الكيميائية الحديثة. ويشير المقال إلى توقع سوقي بنمو سنوي مركب قدره 6.4% حتى عام 2032. وهو توقع لا يضمن النتائج المستقبلية.
يمكن تداول أسهم الشركات ذات الصلة عبر وسطاء مختلفين. وتتوفر على securities.io أدلة للوسطاء في الولايات المتحدة وكندا وأستراليا والمملكة المتحدة وبلدان أخرى.
يمكن لمن يفضل التنويع بدلًا من اختيار شركة واحدة دراسة صناديق أوسع، مثل صندوق iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) أو صندوق Vanguard Materials ETF (VAW). وهي توفر تعرضًا أوسع للكيميائيات والمواد، لا للتحفيز العضوي وحده.
شركات المحفزات
1. BASF (BASFY)
تُعد BASF مجموعة كيميائية كبرى. وفي الفترة التي يتناولها المقال، ضمت أكثر من 110,000 موظف و11 قسمًا موزعًا على ستة قطاعات: الكيميائيات والمواد والحلول الصناعية وتقنيات الأسطح والتغذية والعناية والحلول الزراعية.
تشير نسب تزيد على 20% للكيميائيات والبلاستيك، وأكثر من 20% للنقل، إلى أسواق عملاء في فترة محددة، وليس بالضرورة إلى إيرادات القطاعات المحاسبية. كما تمثل الزراعة والسلع الاستهلاكية مجالات مهمة.
المصدر: BASF
أعمال المحفزات لدى BASF وُصفت في المادة المشار إليها بأنها تضم أكثر من 8,000 موظف و30 موقع تصنيع. وقد يتغير النطاق التنظيمي بمرور الوقت.
أنفقت BASF نحو 2.1 مليار يورو على البحث والتطوير عام 2023 في مجالات متعددة. وتُعد المبيدات ومبيدات الأعشاب ومعالجة البذور جزءًا مهمًا من النشاط، لا مجمل الإنفاق.
المصدر: BASF
تمتد خبرتها في البلاستيك والإنتاج الكيميائي إلى المواد النانوية، ومنها الطلاءات السطحية والمواد المسامية والبوليمرات.
تتيح هذه الخبرات، إلى جانب التحفيز، مشاركة في مجالات البطاريات والأدوية والتقنية النانوية والحيوية. لكنها لا تضمن النمو أو عوائد الاستثمار.
2. Schrödinger, Inc.
SDGR مخطط السعر
تطور شرودنغر نماذج حسابية قائمة على الفيزياء لتصميم الجزيئات، مع موازنة خصائص مثل الفعالية والذوبانية والعمر النصفي وإمكانية التخليق.
تجمع الشركة أيضًا بين التعلم الآلي والنماذج الفيزيائية. وقد تفيد الأساليب الفيزيائية عندما تكون بيانات التدريب محدودة، لكنها تظل بحاجة إلى افتراضات وتحقق. وفي مثال عرضته الشركة، أمكنها (SDGR ) تقليص نحو مليار جزيء محتمل إلى ثمانية مرشحين خلال أيام بالحسابات. ولا يعني ذلك إنتاج ثمانية أدوية مثبتة سريريًا.
المصدر: Schrodinger
وقعت شرودنغر عام 2020 اتفاقية تقنية لخمس سنوات مع باير، مع مدفوعات متوقعة بنحو 10 ملايين يورو. وهدفت إلى الجمع بين تقنية شرودنغر ونماذج باير الحسابية لتصميم الجزيئات.
وأُبرم تعاون آخر مع إيلي ليلي عام 2022، مع إمكانية الحصول على ما يصل إلى 425 مليون دولار من مدفوعات الإنجاز المرحلية، إضافة إلى دفعة أولية وإتاوات. وليست هذه المبالغ المشروطة إيرادات محققة مسبقًا.
شملت التعاونات الأخرى تاكيدا وسانوفي (SNW.DE ) (SNY ) وبريستول مايرز سكويب وشركات دوائية أصغر.
أوردت نظرة عامة معاصرة للمقال ثمانية برامج مملوكة للشركة، منها اثنان في المرحلة السريرية الأولى، و23 برنامجًا مع شركاء، منها خمسة في المرحلة الأولى وثلاثة في الثانية. وهذه أعداد تاريخية تتغير مع تطور البرامج.
المصدر: Schrodinger
حققت الشركة إيرادات، لكنها ظلت تسجل خسائر في الفترة الموصوفة مع الاستثمار في البحث والتطوير. وتوفر السيولة مجالًا لمواصلة العمل، لكنها لا تزيل مخاطر الخسائر أو التمويل أو فشل البرامج.
تبحث الشركة كذلك عن تطبيقات خارج اكتشاف الأدوية التقليدية، بما فيها المستحضرات الحيوية المعقدة والمواد الكيميائية والبطاريات والبوليمرات.
المصدر: Schrodinger
قد تعطي الاتفاقيات الجديدة مؤشرات على الطلب التجاري وفائدة التقنية، لكنها ليست بمفردها دليلًا على النجاح السريري أو الربحية المستقبلية.
يمكن للنماذج الحسابية دعم تطوير الجزيئات وتحسين العمليات الكيميائية، بما فيها التحفيز العضوي، لكن يجب التحقق من النتائج تجريبيًا.
