Investir dans les réalisations du prix Nobel – Organocatalyse asymétrique

Histoire du prix Nobel

Le prix Nobel est la récompense la plus prestigieuse du monde scientifique. Il a été créé selon le testament de M. Alfred Nobel afin d’attribuer un prix « à ceux qui, au cours de l’année précédente, ont apporté le plus grand bénéfice à l’humanité » dans les domaines de la physique, de la chimie, de la physiologie ou médecine, de la littérature et de la paix.

Un sixième prix a ensuite été créé pour les sciences économiques par la banque centrale suédoise, officiellement appelé le Prix en sciences économiques, souvent mieux connu sous le nom de prix Nobel d’économie.

La décision de déterminer à qui attribuer le prix revient à plusieurs institutions académiques suédoises.

Préoccupations liées à l’héritage

La décision de créer le prix Nobel est venue à Alfred Nobel après qu’il ait lu son propre nécrologue, suite à une erreur d’un journal français qui avait mal compris la nouvelle du décès de son frère. Intitulé « Le marchand de la mort est mort », l’article français critiquait Nobel pour son invention d’explosifs sans fumée, dont la dynamite était la plus célèbre.

Ses inventions ont grandement influencé la guerre moderne, et Nobel a acheté une immense aciérie pour en faire un grand fabricant d’armements. En tant que chimiste, ingénieur et inventeur, il s’est rendu compte qu’il ne voulait pas que son héritage soit celui d’un homme connu pour avoir fait fortune grâce à la guerre et à la mort d’autrui.

Prix Nobel

De nos jours, la fortune de Nobel est placée dans un fonds investi pour générer des revenus afin de financer la Fondation Nobel ainsi que la médaille en or plaqué vert, le diplôme et la récompense monétaire de 11 millions de SEK (environ 1 million de dollars) attribués aux lauréats.

Source: Britannica

Souvent, l’argent du prix Nobel est partagé entre plusieurs lauréats, notamment dans les domaines scientifiques où il est courant que 2 ou 3 figures majeures contribuent ensemble ou en parallèle à une découverte révolutionnaire.

Au fil des années, le prix Nobel est devenu LE prix scientifique, cherchant à équilibrer découvertes théoriques et très pratiques. Il a récompensé des réalisations qui ont jeté les bases du monde moderne, comme la radioactivité, les antibiotiques, les rayons X, ou la PCR, ainsi que des sciences fondamentales telles que la source d’énergie du soleil, la charge de l’électron, la structure atomique, ou la superfluidité.

La quête de davantage de catalyseurs

Depuis les débuts de la chimie, les scientifiques ont cherché des moyens d’accélérer les réactions chimiques ou de faire réagir les molécules de façon inhabituelle. Parfois, cela peut être réalisé en modifiant les conditions physiques, comme la chaleur ou la pression. Cependant, pour d’autres réactions chimiques, des produits spéciaux appelés catalyseurs sont nécessaires.

Les catalyseurs augmentent généralement la probabilité qu’une réaction chimique se produise, augmentant ainsi sa vitesse et/ou son efficacité.

Ce qui rend les catalyseurs uniques, c’est qu’ils participent à la réaction chimique tout en restant inchangés à la fin de celle‑ci – ils ne font que « faciliter » la réaction.

Cela fait des catalyseurs une pierre angulaire souvent oubliée du monde moderne et absolument essentielle dans la fabrication de biens quotidiens tels que le pétrole raffiné, les plastiques, les filtres à air, la purification de l’eau, les produits pharmaceutiques, les parfums, les arômes, les denrées alimentaires, etc.

En somme, les catalyseurs contribuent d’une manière ou d’une autre à la production d’une part pouvant atteindre 35 % du PIB mondial.

De nombreux types de catalyseurs

La première activité catalytique découverte provenait de métaux tels que l’argent, le nickel, le platine, le palladium, etc. Cependant, ces catalyseurs sont coûteux. Les catalyseurs métalliques ont également une faible sélectivité, ce qui signifie qu’ils peuvent catalyser de nombreuses réactions différentes.

Bien que cela puisse parfois être un avantage, ce n’est pas le cas lorsqu’une seule réaction précise est souhaitée, comme dans la production de produits pharmaceutiques.

Un autre type de catalyseur est les enzymes. Ces protéines peuvent accélérer des réactions chimiques très spécifiques et constituent essentiellement les engrenages et machines qui alimentent la vie elle‑même.

La préparation d’enzymes pures a été une percée scientifique majeure et a été récompensée par un prix Nobel en 1946. Aujourd’hui, les enzymes sont couramment utilisées dans d’innombrables procédés chimiques.

La limite des enzymes réside dans le fait qu’elles ont été conçues par la nature pour accomplir des tâches spécifiques dans les cellules vivantes. Ainsi, lorsque la catalyse requise concerne quelque chose qui n’est pas lié à la biologie, comme la production de plastiques, il peut être assez difficile, voire impossible, de trouver une enzyme adaptée à la tâche.

Les enzymes peuvent également être fragiles et ne pas fonctionner dans des conditions d’acidité extrême, par exemple. Ainsi, il y avait un fort besoin de catalyseurs non métalliques, conçus sur mesure. C’est là que les organocatalyseurs entrent en jeu. Ils sont composés de carbone, d’hydrogène, d’azote, de soufre et de phosphore ordinaires, mais sans métaux.

Organocatalyseurs

En 2021, le prix Nobel de chimie a été attribué à Benjamin List et David W.C. MacMillan, pour le développement de l’organocatalyse asymétrique.

Comme expliqué, les organocatalyseurs sont constitués d’éléments bon marché et abondants formant la base de la chimie organique (centrée sur le carbone). La partie « asymétrique » est importante, car pour la plupart des processus chimiques et biologiques, les molécules peuvent présenter différentes versions, selon leur symétrie.

De tels changements d’orientation moléculaire, également appelés « chiralité », ont souvent des conséquences importantes sur leur fonctionnalité. Par exemple, la même molécule de limonène sentira différemment selon le côté auquel elle est orientée.

Source: Nobel Prize

List et MacMillan n’ont pas été les premiers à découvrir les organocatalyseurs. Certains ont été découverts par accident dès 1912 avec la catalyse de la quinine dans la production de cyanohydrines. Plus tard, un catalyseur dérivé de la quinine a été utilisé pour réaliser une catalyse asymétrique.

Source: Nobel Prize

Cependant, pendant longtemps, il n’existait aucun cadre permettant d’analyser correctement les organocatalyseurs, encore moins de concevoir de nouveaux sur mesure.

Comment fonctionne la catalyse ?

La plupart des réactions chimiques nécessitent un certain niveau d’énergie au niveau moléculaire pour que les deux composés « se percutent » et réagissent. Les catalyseurs rapprochent les réactifs, réduisant l’énergie requise et rendant la réaction plus rapide et plus probable.

Source: Byjus

Ainsi, bien que certains éléments métalliques puissent provoquer cette réduction des niveaux d’énergie grâce à leurs propriétés atomiques inhérentes, les acides aminés des enzymes y parviennent grâce à la combinaison de leur configuration 3D et de leurs propriétés chimiques.

Souvent, ce ne sont que quelques acides aminés qui effectuent réellement la réaction catalytique, le reste de l’enzyme assurant la stabilité, l’activation à partir de signaux biochimiques ou d’autres fonctions.

Source: Nobel Prize

Cela a été le point de départ pour Benjamin List, qui voulait étudier si un petit nombre d’acides aminés, voire un seul, pouvait réaliser la catalyse de la même manière que le font les enzymes entières.

Catalyseurs de List : Proline et chiralité

List a commencé à travailler avec un seul acide aminé appelé proline, qui avait déjà été démontré comme catalyseur potentiel il y a plus de 25 ans, dans les années 1970. Ne s’attendant pas à une réaction très forte, mais curieux d’en savoir plus, il a réalisé l’expérience pour le vérifier.

Non seulement la proline a fonctionné comme catalyseur, mais elle l’a fait de manière très puissante. En examinant davantage la réaction, List a découvert que la catalyse était asymétrique, avec l’une des deux images possibles de la molécule nouvellement formée beaucoup plus susceptible de se former.

Cela a constitué la base d’une nouvelle catégorie de catalyseur, appelée par les chimistes catalyse d’énamine, ou catalyse de base de Lewis.

Dans ce mécanisme, un atome d’azote réduit l’énergie requise, et un acide carboxylique stabilise l’état de transition lors des étapes intermédiaires de la réaction chimique catalysée.

Source: Nobel Prize

Catalyseurs de MacMillan : ion iminium

MacMillan travaillait sur des catalyseurs asymétriques à base de métaux mais a réalisé que les conditions nécessaires à leur fonctionnement étaient rarement applicables en milieu industriel, rendant les découvertes en laboratoire peu utiles pour la production chimique à grande échelle.

À la place, il a cherché à reproduire les mécanismes de base que ces métaux utilisent avec la chimie organique.

Les catalyseurs métalliques sont particulièrement actifs grâce à leur capacité à fournir ou à accueillir temporairement des électrons, réduisant ainsi la barrière à la survenue d’une réaction chimique.

Pour reproduire cette capacité avec des molécules organiques (à base de carbone), MacMillan a déduit, grâce à ses connaissances en chimie, que le candidat idéal serait un ion iminium.

En conséquence, ce type d’organocatalyseur est devenu connu sous le nom de catalyse d’ion iminium / catalyse d’acide de Lewis.

L’idée ici est que l’atome d’azote, avec une affinité inhérente pour les électrons, peut jouer le rôle de l’atome métallique dans un catalyseur métallique. De grands groupes chimiques autour des atomes d’azote forcent la réaction à être asymétrique.

Source: Nobel Prize

L’essor des organocatalyseurs

MacMillan et List ont publié leurs découvertes parallèles presque simultanément en 2000, le terme décrivant cette nouvelle classe de catalyseurs ayant été inventé par MacMillan.

En expliquant et en étudiant pleinement leur fonctionnement, les deux chercheurs et leurs équipes ont ouvert la voie au développement systématique des organocatalyseurs, alors que les travaux antérieurs étaient réalisés de manière plus fragmentaire ou par découvertes accidentelles.

Les organocatalyseurs sont désormais un composant important de l’industrie chimique pour plusieurs raisons clés :

• Coût inférieur, surtout lorsqu’ils remplacent la catalyse à base de métaux.
• La production asymétrique est très importante pour la qualité du produit final.
  • Dans le cas des produits pharmaceutiques, cela peut être une question de vie ou de mort, certaines symétries moléculaires étant utiles et d’autres mortelles.
• Potentiellement plus polyvalents, les travaux de MacMillan et List visant à identifier davantage de types de réactions que l’énamine et l’ion iminium peuvent accélérer.
• Des procédés chimiques plus respectueux de l’environnement ; les organocatalyseurs sont le plus souvent non toxiques et/ou facilement recyclables.

Réalisations des organocatalyseurs

Un exemple de l’impact des organocatalyseurs sur l’industrie chimique est la synthèse de la strychnine.

La molécule toxique (utilisée comme poison pour rats) a été synthétisée pour la première fois en 1952 à l’aide d’un procédé nécessitant 29 réactions chimiques. Seulement 0,0009 % du produit initial s’est transformé en strychnine désirée.

En 2011, des chercheurs utilisant l’organocatalyse ont réussi à réduire cela à seulement 12 étapes et ont obtenu un taux de conversion 7 000 fois plus efficace.

La production de masse de produits organiques complexes actuellement extraits de plantes ou d’organismes des profondeurs marines peut également être importante, tant pour augmenter la disponibilité que pour réduire les prix des produits pharmaceutiques essentiels.

Développements futurs

Photocatalyse

La nature nous a offert un excellent exemple d’organocatalyseurs au‑delà des enzymes : la photosynthèse. En combinant la capacité des molécules organiques à déplacer des électrons avec l’absorption de la lumière, la photosynthèse constitue la source d’énergie fondamentale pour l’ensemble de la biosphère terrestre.

Indirectement, la photosynthèse est même à l’origine des combustibles fossiles actuels, les blocs de base utilisés par l’industrie pétrochimique.

Dans le besoin de réduire les émissions de carbone, la situation idéale serait de développer des organocatalyseurs capables d’utiliser la lumière pour produire de l’énergie, sous forme de sucre simple ou d’hydrogène.

De cette façon, la lumière du soleil est directement utilisée par le catalyseur pour alimenter la réaction chimique souhaitée, au lieu d’être d’abord absorbée par des panneaux solaires, convertie en électricité, puis utilisée pour des procédés tels que l’électrolyse.

Cela pourrait réduire drastiquement les coûts des biocarburants, condition indispensable pour les rendre économiquement compétitifs face aux combustibles fossiles.

Conception de molécules par IA

Il existe des billions de conceptions moléculaires possibles, dont seule une petite fraction a été étudiée sous quelque forme que ce soit.

Le problème de l’utilisation d’ordinateurs pour simuler ces molécules est que, si l’on se base uniquement sur la physique et la mécanique quantique, les calculs deviennent rapidement absurdement complexes pour toute molécule contenant plus de 5 à 10 atomes.

Actuellement, de nombreux systèmes d’IA sont conçus pour « deviner » la bonne réponse au lieu d’effectuer un calcul par force brute.

Cela peut produire de nouvelles molécules et conceptions potentielles qui n’auraient pas pu être devinées autrement. Cette méthode porte déjà ses fruits, par exemple avec AlphaFold de Google pour le repliement des protéines, des prédictions sur l’activité antibiotique de nouvelles molécules, ou le programme AI4Science de Microsoft (MSFT ).

Source: Microsoft

Il est probable que de nombreux organocatalyseurs restent à découvrir, et que l’IA puisse accélérer radicalement ces innovations, comme nous l’avons évoqué dans « Changer le calendrier des découvertes grâce à l’utilisation de l’intelligence artificielle (IA) ».

Investir dans les organocatalyseurs

Les organocatalyseurs sont une composante clé de l’industrie chimique moderne. C’est également un marché en croissance, qui devrait atteindre un TCAC de 6,4 % d’ici 2032.

Vous pouvez investir dans des sociétés d’organocatalyseurs via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, as well as many other countries.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection de sociétés d’organocatalyseurs spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que l’iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) ou le Vanguard Materials ETF (VAW), qui offrent une exposition plus diversifiée pour profiter de l’industrie chimique.

Sociétés de catalyseurs

1. BASF (BASFY)

Un géant de l’industrie chimique, BASF emploie plus de 110 000 personnes réparties sur 11 divisions regroupées en 6 segments : Chimie, Matériaux, Solutions industrielles, Technologies de surface, Nutrition & soins, et Solutions agricoles.

Plus de 20 % de l’activité provient de la chimie et des plastiques et plus de 20 % du transport. Elle possède également une forte présence dans l’agriculture et les biens de consommation.

Source: BASF

La division catalyseurs de BASF emploie plus de 8 000 personnes, avec 30 sites de production.

L’entreprise investit massivement dans la R&D, avec plus de 2 milliards de dollars de dépenses annuelles, réparties dans de nombreux secteurs, mais avec un fort accent sur la croissance du secteur agricole (pesticides, herbicides et traitements de semences).

Source: BASF

L’expertise en plastiques et autres procédés chimiques s’étend au niveau nanoscopique, notamment avec une position de leader dans les revêtements de surface nanoparticulaires, les matériaux poreux et les polymères.

Associée à son expertise en catalyseurs, cela fera probablement de BASF un centre de l’économie future basé sur les innovations dans les domaines de la chimie, des batteries, des produits pharmaceutiques, de la nanotechnologie, de la biotechnologie, etc.

2.  Schrödinger, Inc.

L’entreprise se spécialise dans les modèles basés sur la physique afin de trouver la meilleure molécule possible pour un objectif donné, en équilibrant des critères parfois contradictoires tels que la puissance, la solubilité, la demi‑vie, la synthétisabilité, etc.

Elle utilise également le « machine learning » classique, mais l’ajout d’un modèle basé sur la physique permet de le tester dans des domaines entièrement nouveaux pour lesquels aucun jeu de données n’existe afin d’« entraîner » l’IA. Cela permet à Schrödinger (SDGR ) de passer d’un milliard de molécules potentielles à seulement 8 candidats solides en quelques jours, uniquement grâce à des calculs numériques.

Source: Schrodinger

Schrödinger a signé avec Bayer un accord de collaboration de 5 ans en 2020 pour un revenu de 10 M$. L’accord vise à utiliser la technologie de Schrödinger conjointement avec les modèles de prédiction in silico de Bayer.

Un autre partenariat récent est avec Lilly en 2022, avec jusqu’à 425 M$ de paiements de jalons totaux pour des découvertes réussies.

Les collaborations passées comprenaient Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol Myers Squibb et d’autres petites sociétés pharmaceutiques.

Dans l’ensemble, Schrödinger construit un portefeuille en expansion, incluant de plus en plus de molécules propriétaires et entièrement détenues. Elle possède actuellement 8 produits dans son pipeline propriétaire, dont 2 en phase I d’essais cliniques. Et 23 produits dans des programmes partenaires et des collaborations, dont 5 en phase I et 3 en phase II d’essais cliniques.

Source: Schrodinger

Bien qu’elle ne génère pas encore de revenus, l’entreprise n’est toujours pas rentable, se concentrant sur l’expansion et les dépenses de R&D pour améliorer sa technologie. Cela ne devrait pas constituer une préoccupation sérieuse à court terme, car la société dispose de plusieurs années de trésorerie équivalente à son exploitation sur son bilan.

Elle envisage également de s’étendre vers de nouveaux segments au‑delà de la découverte de médicaments, comme les biopharmaceutiques complexes ou même les matériaux tels que les produits chimiques, les batteries ou les polymères.

Source: Schrodinger

Les investisseurs voudront surveiller les nouvelles collaborations, car elles refléteront les avancées de la technologie de Schrödinger, évaluées par les leaders du secteur à partir de données confidentielles, ainsi que le succès potentiel d’une expansion de la technologie de base vers de nouveaux marchés.

Alors que les organocatalyseurs et la chimie organique dans son ensemble prennent un rôle croissant, les modèles d’IA comme ceux de Schrödinger joueront un rôle de plus en plus important dans le développement de nouvelles molécules et l’optimisation de procédés de fabrication chimique souvent vieux de plusieurs décennies.