Sijoittaminen Nobel-palkinnon saavutuksiin – Asymmetrinen organokatalyysi

Nobel-palkinnon historia

Nobel-palkinto on tieteellisen maailman arvostetuin palkinto. Se luotiin Mr. Alfred Nobel’s will mukaisesti myöntämään palkinto “niille, jotka edellisen vuoden aikana ovat tuoneet suurimman hyödyn ihmiskunnalle” fysiikassa, kemiassa, fysiologiassa tai lääketieteessä, kirjallisuudessa ja rauhan alalla.

Myöhemmin kuudes palkinto luotiin taloustieteille Ruotsin keskuspankin toimesta, virallisesti nimeltään Taloustieteen palkinto, joka on usein paremmin tunnettu nimellä Nobel-palkinto taloustieteessä.

Päätös siitä, kenelle palkinto myönnetään, kuuluu useille ruotsalaisille akateemisille instituutioille.

Perintäkysymykset

Päätös perustaa Nobel-palkinto syntyi Alfred Nobelille sen jälkeen, kun hän luki oman hautajaisilmoituksensa, jonka aiheutti ranskalaisen sanomalehden virhe, joka ymmärsi hänen veljensä kuolemauutisen väärin. Artikkelin otsikko oli “The Merchant of Death Is Dead”, ja se arvosteli Nobelia hänen savuttomien räjähteiden keksinnöstään, joista dynaami oli kuuluisin.

Hänen keksintönsä vaikuttivat voimakkaasti modernin sodankäynnin muokkaamiseen, ja Nobel osti massiivisen rauta- ja terästehtaan muuttaakseen sen merkittäväksi asevalmistajaksi. Koska hän oli alun perin kemisti, insinööri ja keksijä, Nobel tajusi, ettei hän halunnut perintönsä olevan mies, joka muistetaan ansainneen omaisuutta sodan ja muiden kuolemien kautta.

Nobel-palkinto

Nykyään Nobelin varallisuus on talletettu rahastoon, joka sijoitetaan tuottamaan tuloja Nobel-säätiön sekä kultapinnoitetun vihreän kultamitalin, diplomin ja 11 miljoonan SEK (noin 1 miljoona dollaria) rahapalkinnon rahoittamiseen, joka myönnetään voittajille.

Lähde: Britannica

Usein Nobel-palkinnon rahasumma jaetaan useiden voittajien kesken, erityisesti tieteellisillä aloilla, joissa on tavallista, että 2 tai 3 johtavaa henkilöä osallistuvat yhdessä tai rinnakkain mullistavan löydön tekemiseen.

Vuosien varrella Nobel-palkinto on noussut TIEDELLISEKSI palkinnoksi, pyrkien tasapainottamaan teoreettisia ja erittäin käytännönläheisiä löytöjä. Se on palkinnut saavutuksia, jotka ovat rakentaneet modernin maailman perustan, kuten radioaktiivisuus, antibiootit, röntgensäteet tai PCR, sekä perustieteitä kuten auringon energialähde, elektronin varaus, atomirakenne tai superfluidisuus.

Katalyyttien etsintä

Jo varhaisessa kemian aikakaudessa tiedemiehet ovat etsineet tapoja nopeuttaa kemiallisia reaktioita tai saada molekyylit reagoimaan epätavallisilla tavoilla. Joskus se voidaan saavuttaa muuttamalla fysikaalisia olosuhteita, kuten lämpöä tai painetta. Kuitenkin joillekin kemiallisille reaktioille tarvitaan erityisiä tuotteita, joita kutsutaan katalyytteiksi.

Katalyytit yleensä lisäävät kemiallisen reaktion tapahtumismahdollisuutta, jolloin ne nopeuttavat sen nopeutta ja/tai tehokkuutta.

Mikä tekee katalyyttien käytöstä ainutlaatuista, on se, että vaikka ne osallistuvat kemialliseen reaktioon, ne pysyvät lopussa muuttumattomina – ne ainoastaan “helpottavat” reaktiota.

Tämä tekee katalyyteistä usein unohdetun kulmakiven nykyaikaisessa maailmassa ja ne ovat ehdottoman välttämättömiä arkipäiväisten tuotteiden, kuten jalostetun öljyn, muovien, ilman suodattimien, veden puhdistuksen, lääkkeiden, parfyymin, mausteiden, elintarvikkeiden jne., valmistuksessa.

Kaiken kaikkiaan katalyytit vaikuttavat jollain tavalla jopa 35 % maailman bruttokansantuotteesta.

Katalyyttien erilaisia tyyppejä

Ensimmäinen löydetty katalyyttinen toiminta tuli metalleista kuten hopea, nikkeli, platina, palladium jne. Kuitenkin nämä katalyytit ovat kalliita. Metallikatalyytit myös omaavat alhaisen selektiivisyyden, mikä tarkoittaa, että ne voivat katalysoida monia erilaisia reaktioita.

Vaikka tämä voi joskus olla etu, se ei päde, kun halutaan vain yksi tarkka reaktio, kuten lääkkeiden tuotannossa.

Toinen katalyyttien tyyppi on entsyymit. Nämä proteiinit pystyvät nopeuttamaan erittäin spesifisiä kemiallisia reaktioita ja ovat periaatteessa elämän itseä pyörittäviä hammaspyöriä ja koneita.

Puhdisten entsyymien valmistus oli merkittävä tieteellinen läpimurto ja myönnettiin Nobel-palkinto vuonna 1946. Nykyään entsyymejä käytetään säännöllisesti lukemattomissa kemiallisissa prosesseissa.

Entsyymien rajoitus on, että ne on luonnon suunnitellut suorittamaan spesifisiä tehtäviä elävissä soluissa. Kun katalyysi vaaditaan johonkin, joka ei liity biologiaan, kuten muovien tuotanto, voi olla melko vaikeaa tai jopa mahdotonta löytää sopivaa entsyymiä tähän tehtävään.

Entsyymit voivat myös olla haavoittuvia eivätkä toimi esimerkiksi äärimmäisen happamissa olosuhteissa. Siksi oli suuri tarve ei-metallisille, räätälöidyille katalyytteille. Tässä organokatalyytit astuvat kuvaan. Ne koostuvat tavallisesta hiilestä, vedystä, typestä, rikki­stä ja fosforista, mutta eivät metalleista.

Organokatalyytit

Vuonna 2021 kemian Nobel-palkinto myönnettiin Benjamin List ja David W.C. MacMillan epäsymmetrisen organokatalyysin kehittämisestä.

Kuten selitetty, organokatalyytit koostuvat edullisista ja runsaasti esiintyvistä alkuaineista, jotka muodostavat orgaanisen kemian perustan (keskitetty hiileen). “Epäsymmetrinen” osa on tärkeä, sillä useimmissa kemiallisissa ja biologisissa prosesseissa molekyylit voivat esiintyä eri versioina, riippuen niiden symmetriasta.

Tällaiset muutokset molekyylin orientaatiossa, joita kutsutaan myös “kiraliteetiksi”, vaikuttavat usein merkittävästi sen toiminnallisuuteen. Esimerkiksi sama limoneenimolekyyli haisee eri tavalla riippuen siitä, kummalle puolelle se on käännetty.

Lähde: Nobel Prize

List & MacMillan eivät olleet ensimmäisiä, jotka löysivät organokatalyyttejä. Jotkut löydettiin vahingossa jo vuonna 1912 kininin katalyysillä syanohydriinien tuotannossa. Myöhemmin kininiin perustuvaa katalyytistä käytettiin epäsymmetrisen katalyysin suorittamiseen.

Lähde: Nobel Prize

Kuitenkin pitkään ei ollut kehystä organokatalyyttien asianmukaiseen analysointiin, puhumattakaan uusien räätälöidyistä suunnittelusta.

Miten katalyysi toimii?

Useimmat kemialliset reaktiot tarvitsevat tietyn energiatason molekyylitasolla, jotta kaksi yhdistettä “törmäisivät” toisiinsa ja reagoisivat. Katalyytit tuovat reaktantit lähemmäs toisiaan, vähentäen tarvittavaa energiaa ja tehden reaktiosta nopeamman ja todennäköisemmän.

Lähde: Byjus

Siksi, vaikka tietyt metallielementit voivat aiheuttaa tämän energiatason alenemisen niiden sisäisten atomisten ominaisuuksien vuoksi, entsyymien aminohapot pystyvät siihen yhdistämällä 3D‑rakenteensa ja kemialliset ominaisuutensa.

Usein vain muutama aminohappo toteuttaa itse katalyyttisen reaktion, kun taas loput entsyymistä tarjoavat vakautta, aktivointia biokemiallisista signaaleista tai muita toimintoja.

Lähde: Nobel Prize

Tämä oli lähtökohta Benjamin Listille, joka halusi tutkia, voisiko pieni määrä aminohappoja, tai jopa vain yksi, suorittaa katalyysin samalla tavalla kuin kokonaiset entsyymit.

Listin katalyytit: proliini ja kiraliteetti

List aloitti työskentelyn yhden aminohapon, proliinin, kanssa, jonka potentiaaliseksi katalyytiksi oli osoitettu yli 25 vuotta sitten 1970‑luvulla. Odottamatta kovin vahvaa reaktiota, mutta silti uteliaana oppimaan siitä lisää, hän suoritti kokeen tarkistaakseen sen.

Proliini ei ainoastaan toiminut katalyyttinä, vaan teki sen erittäin voimakkaasti. Tarkastellessaan reaktiota tarkemmin List havaitsi, että katalyysi oli epäsymmetrinen, ja että kahdesta mahdollisesta uudesta molekyylin muodosta toinen oli paljon todennäköisemmin muodostuva.

Tämä loi perustan uudelle katalyyttien luokalle, jota kemistit kutsuvat enamiinikatalyysiksi tai Lewisin emäskatalyysiksi.

Siinä typpiatomi vähentää tarvittavaa energiaa, ja karboksyylihappo vakauttaa siirtymätilaa katalysoidun kemiallisen reaktion välivaiheissa.

Lähde: Nobel Prize

MacMillanin katalyytit: iminiumioni

MacMillan oli työskennellyt metallipohjaisten epäsymmetristen katalyyttien parissa, mutta huomasi, että näiden toimintaolosuhteet olivat harvoin toteutettavissa teollisessa ympäristössä, mikä teki laboratoriotuloksista harvoin hyödyllisiä kemiallisen massatuotannon kannalta.

Sen sijaan hän tarkasteli, miten näiden metallien perusmekanismeja voitaisiin jäljitellä orgaanisessa kemiassa.

Metallikatalyytit ovat erityisen aktiivisia kyvynsä ansiosta tilapäisesti tarjota tai vastaanottaa elektroneja, mikä alentaa kemiallisen reaktion esteitä.

Jäljittääkseen tällaisen kyvyn orgaanisilla molekyyleillä (joilla on hiilirunko), MacMillan arvasi kemiatietämyksensä perusteella, että täydellinen olisi iminiumioni.

Tämän seurauksena tämä organokatalyyttien tyyppi tuli tunnetuksi iminiumioni‑katalyysinä/Lewisin happokatalyysinä.

Ajatus on, että typpiatomi, jolla on sisäänrakennettu affiniteetti elektroneja kohtaan, voi toimia metalliatomin roolissa metallikatalyytissä. Suuret kemialliset ryhmät typpiatomien ympärillä pakottavat reaktion epäsymmetriseksi.

Lähde: Nobel Prize

Organokatalyyttien nousu

MacMillan ja List julkaisisivat rinnakkaiset löydöksensä lähes samanaikaisesti vuonna 2000, ja MacMillan keksi termin kuvaamaan tätä uutta katalyyttien luokkaa.

Kuvailemalla ja tutkimalla perusteellisesti niiden toiminnan, kaksi tutkijaa ja heidän tiiminsä avasivat tien organokatalyyttien systemaattiselle kehittämiselle, jossa aiemmat työt tehtiin hajanaisemmalla tavalla tai vahingossa tehtyjen löytöjen kautta.

Organokatalyytit ovat nyt vankasti tärkeä osa kemianteollisuutta muutamasta keskeisestä syystä:

• Alhaisempi kustannus, erityisesti kun korvataan metallipohjainen katalyysi.
• Epäsymmetrinen tuotanto on erittäin tärkeää lopputuotteen laadun kannalta.
  • Lääkkeiden tapauksessa se voi olla elämän ja kuoleman välinen kysymys, sillä joillakin molekyylisymmetrioilla on hyödyllisiä vaikutuksia, kun taas toiset voivat olla tappavia.
• Mahdollisesti monipuolisempi, sillä sekä MacMillan että List ovat jatkaneet työtä löytääkseen lisää reaktiotyyppejä, joita enamiini- ja iminiumioni voivat nopeuttaa.
• Ympäristöystävällisemmät kemialliset prosessit, kuten organokatalyytit, ovat useimmiten myrkyttömiä ja/tai helposti kierrätettäviä.

Organokatalyyttien saavutukset

Yksi esimerkki siitä, kuinka organokatalyytit voivat parantaa kemianteollisuutta, on strykiinin synteesi.

Myrkyllinen molekyyli (käytetty rottamyrkkyssä) synteettisi ensimmäisen kerran vuonna 1952 prosessilla, joka vaati 29 kemiallista reaktiota. Vain 0,0009 % alkutuotteesta muuttui halutuksi strykiiniksi.

Vuonna 2011 organokatalyysiä käyttäneet tutkijat onnistuivat vähentämään tämän vain 12 askeleeseen ja saavuttivat 7 000‑kertaisesti tehokkaamman muunnosasteen.

Monimutkaisten orgaanisten tuotteiden massatuotanto, jotka tällä hetkellä uutetaan kasveista tai syvänmeren organismeista, voi myös olla tärkeää, sekä saatavuuden lisäämiseksi että tärkeiden lääkkeiden hintojen alentamiseksi.

Tulevaisuuden kehitys

Fotokatalyysi

Luonto on antanut meille loistavan esimerkin organokatalyyteistä entsyymien lisäksi: fotosynteesi. Yhdistämällä orgaanisten molekyylien kyvyn siirtää elektroneja valon absorptioon, fotosynteesi on perusenergia lähde koko Maan biosfäärille.

Epäsuorasti fotosynteesi on jopa nykyisten fossiilisten polttoaineiden lähde, perusrakennuspalikat, joita petrokemian teollisuus käyttää.

Kun pyritään vähentämään hiilidioksidipäästöjä, ihanteellinen tilanne olisi kehittää organokatalyyttejä, jotka voisivat käyttää valoa energian tuottamiseen joko yksinkertaisena sokerina tai vedynä.

Tällä tavoin auringonvalo käytetään suoraan katalyytin toimesta halutun kemiallisen reaktion energianlähteenä sen sijaan, että se ensin absorboituisi aurinkopaneeleihin, muunnettaisiin sähköksi ja sitten hyödynnettäisiin prosesseissa kuten elektrolyysi.

Tämä voisi merkittävästi vähentää biopolttoaineiden kustannuksia, mikä on edellytys, jos haluamme niiden olevan taloudellisesti kilpailukykyisiä fossiilisia polttoaineita vastaan.

AI-molekyylisuunnittelu

Mahdollisia molekyylisuunnitelmia on biljoonia, joista vain pieni murto-osa on tutkittu jollain tavalla.

Ongelma tietokoneiden käytössä näiden molekyylien simulointiin on, että jos luotetaan pelkästään fysiikkaan ja kvanttimekaniikkaan, laskelmat muuttuvat nopeasti kohtuuttoman monimutkaisiksi kaikille, joissa on yli 5‑10 atomia.

Tällä hetkellä monia AI-järjestelmiä suunnitellaan “arvaamaan” oikea vastaus sen sijaan, että ne suorittaisivat brute‑force‑laskennan.

Tämä voi tuottaa uusia potentiaalisia molekyylejä ja suunnitelmia, joita ei olisi muuten voitu arvata. Tämä menetelmä tuottaa jo tuloksia esimerkiksi AlphaFold Googlelta proteiinirakenteen ennustamiseen, ennusteita uusien molekyylien antibioottitoiminnasta tai Microsoftin AI4Science‑ohjelmasta.

Lähde: Microsoft

On todennäköistä, että monet organokatalyytit ovat vielä löytämättä, ja että AI voi nopeuttaa radikaalisti näitä innovaatioita, kuten keskustelimme artikkelissa “Changing the Timeline for Discoveries through Use of Artificial Intelligence (AI)”.

Sijoittaminen organokatalyyttiin

Organokatalyytit ovat keskeinen osa nykyaikaista kemianteollisuutta. Se on myös kasvava markkina, jonka odotetaan saavuttavan 6,4 % CAGR:n vuoteen 2032 mennessä.

Voit sijoittaa organokatalyyttiyrityksiin useiden välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australian, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et ole kiinnostunut valitsemaan tiettyjä organokatalyyttiyrityksiä, voit myös tarkastella ETF:iä, kuten iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) tai Vanguard Materials ETF (VAW), jotka tarjoavat monipuolisemman altistuksen kemianteollisuuden hyödyntämiseen.

Katalyyttiyritykset

1. BASF (BASFY)

Kemianteollisuuden jättiläinen, BASF työllistää yli 110 000 henkilöä 11 osastolla, jotka on ryhmitelty 6 segmenttiin: kemikaalit, materiaalit, teolliset ratkaisut, pintateknologiat, ravinto & hoito sekä maatalousratkaisut.

Yli 20 % toiminnasta tulee kemikaaleista ja muoveista ja yli 20 % kuljetuksista. Sillä on myös vahva läsnäolo maataloudessa ja kuluttajatuotteissa.

Lähde: BASF

BASF:n katalyysiosasto työllistää yli 8 000 henkilöä, ja sillä on 30 tuotantolaitosta.

Yritys investoi valtavasti T&K:hon, yli 2 miljardia dollaria vuodessa, jakautuen monille sektoreille, mutta vahvalla painotuksella maataloussektorin kasvun luomiseen (torjunta-aineet, rikkakasvien torjunta-aineet ja siementen käsittely).

Lähde: BASF

Asiantuntemus muoveissa ja muussa kemiallisessa valmistuksessa ulottuu nanoskaalaan, erityisesti johtavassa asemassa nanopartikkelien pintakäsittelyssä, huokostetuissa materiaaleissa ja polymeereissä.

Yhdistettynä katalyyttien asiantuntemukseen, tämä todennäköisesti tekee BASF:stä tulevaisuuden talouden keskuksen, joka perustuu innovaatioihin kemikaaleissa, akkuissa, lääkkeissä, nanoteknologiassa, bioteknologiassa jne.

2.  Schrödinger, Inc.

Yritys erikoistuu fysiikkaan perustuviin malleihin löytääkseen parhaan mahdollisen molekyylin tiettyä tavoitetta varten, tasapainottaen ristiriitaisia mittareita kuten tehon, liukoisuuden, puoliintumisajan, synteesikyvyn jne.

Se käyttää myös “normaalia” koneoppimista, mutta fysiikkaan perustuvan mallin lisäys mahdollistaa sen testaamisen täysin uusilla aloilla, joille ei ole olemassa datajoukkoa AI:n “kouluttamiseen”. Tämä mahdollistaa Schrödingerin siirtymisen yhdestä miljardista potentiaalisesta molekyylistä vain kahdeksaan vahvaan ehdokkaaseen muutamassa päivässä, pelkästään digitaalisten laskelmien avulla.

Lähde: Schrodinger

Schrödinger allekirjoitti Bayerin kanssa 5‑vuotisen yhteistyösopimuksen vuonna 2020, jonka liikevaihto on 10 miljoonaa dollaria. Sopimus koskee Schrödinger‑teknologian käyttöä yhdessä Bayerin in‑silico‑ennustemallien kanssa.

Toinen äskettäinen kumppanuus on Lillyn kanssa vuonna 2022, jossa on enintään 425 miljoonaa dollaria kokonaispalkkioita onnistuneesta löydöstä.

Aikaisempia yhteistyöprojekteja olivat Takeda, Sanofi Bristol Myers Squibb ja muut pienemmät lääkeyritykset.

Kaiken kaikkiaan Schrödinger rakentaa kasvavaa portfoliota, johon sisältyy yhä enemmän omia ja täysin omistamiaan molekyylejä. Sillä on tällä hetkellä 8 tuotetta omassa kehitysputkessa, joista 2 on I‑vaiheen kliinisissä kokeissa. Lisäksi 23 tuotetta kumppaniohjelmissa ja yhteistyöprojekteissa, joista 5 on I‑vaiheessa ja 3 II‑vaiheessa kliinisissä kokeissa.

Lähde: Schrodinger

Vaikka se ei ole vielä tuottoa tuottava, yritys ei ole kannattava, ja se keskittyy laajentumiseen ja T&K‑menoihin teknologiansa parantamiseksi. Sen ei pitäisi olla vakava huolenaihe lyhyellä aikavälillä, sillä yrityksellä on useiden vuosien toiminnan verran käteistä taseessaan.

Se myös harkitsee laajentumista uusille segmenteille lääketutkimuksen ulkopuolelle, kuten monimutkaiset biolääkkeet tai jopa materiaalit kuten kemikaalit, akut tai polymeerit.

Lähde: Schrodinger

Sijoittajat haluavat pitää silmällä uusia yhteistyöprojekteja, sillä ne heijastavat Schrödingerin teknologian edistysaskeleita, kuten alan johtajat arvioivat luottamuksellisista tiedoista, sekä mahdollisia menestyksiä teknologian laajentamisessa uusille markkinoille.

Kun organokatalyytit ja orgaaninen kemia yleistyvät, AI-mallit kuten Schrödingerin, tulevat näyttelemään yhä suurempaa roolia uusien molekyylien kehittämisessä ja usein vuosikymmeniä vanhojen kemiallisten valmistusprosessien optimoinnissa.