Berinvestasi dalam Pencapaian Hadiah Nobel – Katalisis Organik Asimetris

Sejarah Hadiah Nobel

Hadiah Nobel adalah penghargaan paling bergengsi di dunia ilmiah. Hadiah ini dibuat sesuai Wasiat Tuan Alfred Nobel untuk memberikan penghargaan “kepada mereka yang, selama tahun sebelumnya, telah memberikan manfaat terbesar bagi umat manusia” dalam bidang fisika, kimia, fisiologi atau kedokteran, sastra, dan perdamaian.

Hadiah keenam kemudian dibuat untuk ilmu ekonomi oleh bank sentral Swedia, secara resmi disebut Hadiah dalam Ilmu Ekonomi, yang lebih dikenal sebagai Hadiah Nobel dalam Ekonomi.

Keputusan tentang siapa yang akan menerima hadiah berada di tangan beberapa institusi akademik Swedia.

Kekhawatiran Warisan

Keputusan untuk menciptakan Hadiah Nobel datang kepada Alfred Nobel setelah ia membaca obituari dirinya sendiri, yang muncul karena kesalahan sebuah surat kabar Prancis yang salah mengartikan berita kematian saudaranya. Berjudul “Pedagang Kematian Meninggal”, artikel Prancis tersebut mengkritik Nobel atas penemuannya tentang bahan peledak tanpa asap, di mana dinamit adalah yang paling terkenal.

Penemuannya sangat berpengaruh dalam membentuk perang modern, dan Nobel membeli sebuah pabrik besi dan baja besar untuk menjadikannya produsen senjata utama. Karena ia pertama kali adalah seorang kimiawan, insinyur, dan penemu, Nobel menyadari bahwa ia tidak ingin warisannya menjadi seorang yang diingat karena menghasilkan kekayaan dari perang dan kematian orang lain.

Hadiah Nobel

Saat ini, Kekayaan Nobel disimpan dalam sebuah dana yang diinvestasikan untuk menghasilkan pendapatan guna membiayai Yayasan Nobel serta medali hijau berlapis emas, diploma, dan hadiah uang sebesar 11 juta SEK (sekitar $1 juta) yang diberikan kepada para pemenang.

Sumber: Britannica

Seringkali, uang Hadiah Nobel dibagi antara beberapa pemenang, terutama di bidang ilmiah di mana umum bagi 2 atau 3 tokoh terkemuka untuk berkontribusi bersama atau paralel pada penemuan terobosan.

Selama bertahun‑tahun, Hadiah Nobel menjadi HADIAH ilmiah, berusaha menyeimbangkan antara penemuan teoretis dan sangat praktis. Hadiah ini telah menghargai pencapaian yang membangun fondasi dunia modern, seperti radioaktivitas, antibiotik, sinar‑X, atau PCR, serta ilmu dasar seperti sumber energi matahari, muatan elektron, struktur atom, atau superfluiditas.

Pencarian Lebih Banyak Katalis

Sejak era awal kimia, para ilmuwan telah mencari cara untuk mempercepat reaksi kimia atau membuat molekul bereaksi dengan cara yang tidak biasa. Kadang‑kadang, hal ini dapat dicapai dengan mengubah kondisi fisik, seperti menggunakan panas atau tekanan. Namun, untuk reaksi kimia lain, produk khusus yang disebut katalis diperlukan.

Katalis biasanya meningkatkan kemungkinan terjadinya reaksi kimia, sehingga meningkatkan kecepatannya dan/atau efisiensinya.

Apa yang membuat katalis unik adalah bahwa meskipun mereka terlibat dalam reaksi kimia, mereka tetap tidak berubah pada akhir reaksi – mereka hanya “memfasilitasi” reaksi.

Hal ini menjadikan katalis sering terlupakan sebagai batu penjuru dunia modern dan sangat penting dalam pembuatan barang sehari‑hari seperti minyak rafinasi, plastik, filter udara, pemurnian air, farmasi, parfum, perasa, makanan, dll.

Secara keseluruhan, katalis berkontribusi dalam satu atau lain cara pada produksi hingga 35% dari PDB dunia.

Berbagai Jenis Katalis

Aktivitas katalitik pertama yang ditemukan berasal dari logam seperti perak, nikel, platina, palladium, dll. Namun, katalis logam ini mahal. Katalis logam juga memiliki selektivitas rendah, artinya mereka dapat mengkatalisis banyak reaksi berbeda.

Walaupun ini kadang menjadi keuntungan, hal ini tidak cocok ketika hanya satu reaksi tepat yang diinginkan, seperti dalam produksi farmasi.

Jenis katalis lain adalah enzim. Protein ini mampu mempercepat reaksi kimia yang sangat spesifik dan pada dasarnya adalah roda gigi serta mesin yang menggerakkan kehidupan itu sendiri.

Persiapan enzim murni merupakan terobosan ilmiah signifikan dan dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1946. Saat ini, enzim secara rutin digunakan dalam tak terhitung proses kimia.

Batasan enzim adalah bahwa mereka dirancang oleh alam untuk melakukan tugas spesifik dalam sel hidup. Jadi ketika katalisis yang dibutuhkan tidak berhubungan dengan biologi, seperti produksi plastik, sangat sulit atau bahkan mustahil menemukan enzim yang cocok.

Enzim juga dapat rapuh dan tidak bekerja dalam kondisi keasaman ekstrim, misalnya. Oleh karena itu, ada kebutuhan kuat akan katalis non‑logam yang dirancang khusus. Di sinilah organokatalis masuk. Mereka terbuat dari karbon, hidrogen, nitrogen, belerang, dan fosfor biasa tetapi tanpa logam.

Organokatalis

Pada tahun 2021, Hadiah Nobel Kimia diberikan kepada Benjamin List dan David W.C. MacMillan, untuk pengembangan organokatalisis asimetris.

Seperti dijelaskan, organokatalis terbuat dari elemen murah dan melimpah yang menjadi dasar kimia organik (berpusat pada karbon). Bagian “asimetris” penting, karena pada kebanyakan proses kimia dan biologis, molekul dapat menampilkan versi berbeda, tergantung pada simetri mereka.

Perubahan orientasi molekul tersebut, yang juga disebut “kiralisitas”, sering memiliki konsekuensi penting bagi fungsinya. Misalnya, molekul limonena yang sama akan berbau berbeda tergantung pada sisi mana yang terorientasi.

Sumber: Nobel Prize

List & MacMillan bukanlah penemu pertama organokatalis. Beberapa ditemukan secara kebetulan sejak 1912 dengan katalisis kinina pada produksi sianohidrin. Kemudian, katalis turunan kinina digunakan untuk melakukan katalisis asimetris.

Sumber: Nobel Prize

Namun, selama waktu yang lama, tidak ada kerangka kerja untuk menganalisis organokatalis secara tepat, apalagi merancang yang baru secara khusus.

Bagaimana Katalisis Bekerja?

Sebagian besar reaksi kimia memerlukan sejumlah energi pada tingkat molekul, agar dua senyawa “bertumbukan” dan bereaksi. Katalis membawa reaktan lebih dekat satu sama lain, mengurangi energi yang diperlukan dan membuat reaksi lebih cepat serta lebih mungkin terjadi.

Sumber: Byjus

Jadi, sementara unsur logam tertentu dapat menurunkan tingkat energi karena sifat atomiknya, asam amino enzim dapat melakukannya melalui kombinasi konfigurasi 3D dan sifat kimianya.

Seringkali, hanya beberapa asam amino yang benar‑benar melakukan reaksi katalitik, sementara sisanya memberikan stabilitas, aktivasi dari sinyal biokimia, atau fungsi lainnya.

Sumber: Nobel Prize

Inilah titik awal bagi Benjamin List, yang ingin menyelidiki apakah sejumlah kecil asam amino, atau bahkan satu saja, dapat melakukan katalisis seperti seluruh enzim.

Katalis List: Prolin & Kiralitas

List mulai bekerja dengan satu asam amino bernama prolin, yang telah terbukti menjadi katalis potensial lebih dari 25 tahun yang lalu pada tahun 1970‑an. Tanpa mengharapkan reaksi yang sangat kuat, namun tetap penasaran untuk mempelajarinya lebih lanjut, ia melakukan percobaan untuk memeriksanya.

Bukan hanya prolin berfungsi sebagai katalis, tetapi ia melakukannya dengan sangat kuat. Melihat reaksi lebih jauh, List menemukan bahwa katalisis tersebut asimetris, dengan salah satu dari dua gambar molekul yang baru terbentuk jauh lebih mungkin terbentuk.

Hal ini menjadi dasar bagi kategori katalis baru, yang disebut oleh ahli kimia sebagai katalisis enamin, atau katalisis basa Lewis.

Di dalamnya, atom nitrogen mengurangi energi yang diperlukan, dan asam karboksilat menstabilkan keadaan transisi pada langkah perantara reaksi kimia yang dikatalisis.

Sumber: Nobel Prize

Katalis MacMillan: Ion Iminium

MacMillan sebelumnya bekerja pada katalis logam asimetris tetapi menyadari bahwa kondisi agar katalis tersebut berfungsi jarang dapat diterapkan dalam skala industri, sehingga penemuan di laboratorium jarang berguna untuk produksi kimia berskala besar.

Alih‑alih, ia mencari cara meniru mekanisme dasar yang digunakan logam tersebut dengan kimia organik.

Katalis logam sangat aktif berkat kemampuannya untuk sementara menyediakan atau menampung elektron, menurunkan hambatan bagi terjadinya reaksi kimia.

Untuk meniru kemampuan tersebut dengan molekul organik (yang memiliki rangka karbon), MacMillan menebak bahwa ion iminium adalah yang paling tepat.

Akibatnya, jenis organokatalis ini dikenal sebagai katalisis ion iminium/katalisis asam Lewis.

Gagasan di sini adalah bahwa atom nitrogen, dengan afinitas alami terhadap elektron, dapat berperan seperti atom logam dalam katalis logam. Gugusan kimia besar di sekitar atom nitrogen memaksa reaksi menjadi asimetris.

Sumber: Nobel Prize

Kebangkitan Organokatalis

MacMillan dan List mempublikasikan temuan paralel mereka hampir bersamaan pada tahun 2000, dengan istilah untuk menggambarkan kelas katalis baru ini diciptakan oleh MacMillan.

Dengan menjelaskan dan menyelidiki cara kerjanya secara menyeluruh, kedua peneliti dan tim mereka membuka jalan bagi pengembangan sistematis organokatalis, di mana pekerjaan sebelumnya lebih bersifat parsial atau melalui penemuan kebetulan.

Organokatalis kini menjadi komponen penting industri kimia karena beberapa alasan utama:

• Biaya lebih rendah, terutama ketika menggantikan katalisis berbasis logam.
• Produksi asimetris sangat penting untuk kualitas produk akhir.
  • Dalam kasus farmasi, dapat menjadi masalah hidup atau mati, dengan beberapa simetri molekul berguna dan yang lain mematikan.
• Potensial lebih serbaguna, dengan pekerjaan lanjutan oleh MacMillan dan List untuk menemukan lebih banyak jenis reaksi yang dapat dipercepat oleh enamin dan ion iminium.
• Proses kimia yang lebih ramah lingkungan, seperti organokatalis, kebanyakan tidak beracun dan/atau mudah didaur ulang.

Prestasi Organokatalis

Salah satu contoh seberapa besar organokatalis dapat meningkatkan industri kimia adalah sintesis striknin.

Molekul racun (digunakan dalam racun tikus) pertama kali disintesis pada tahun 1952 menggunakan proses yang memerlukan 29 reaksi kimia. Hanya 0,0009% produk awal yang berubah menjadi striknin yang diinginkan.

Pada tahun 2011, peneliti yang menggunakan organokatalis berhasil mengurangi langkah tersebut menjadi hanya 12 langkah dan mencapai tingkat konversi yang 7.000 kali lebih efisien.

Produksi massal produk organik kompleks yang saat ini diekstrak dari tumbuhan atau organisme laut dalam dapat menjadi penting, baik untuk meningkatkan ketersediaan maupun menurunkan harga produk farmasi penting.

Pengembangan Masa Depan

Fotokatalisis

Alam memberikan contoh hebat organokatalis di luar enzim: fotosintesis. Dengan menggabungkan kemampuan molekul organik untuk memindahkan elektron dengan penyerapan cahaya, fotosintesis menjadi sumber energi dasar bagi seluruh biosfer Bumi.

Secara tidak langsung, fotosintesis bahkan menjadi sumber bahan bakar fosil masa kini, blok dasar yang digunakan oleh industri petrokimia.

Dengan kebutuhan mengurangi emisi karbon, situasi ideal adalah mengembangkan organokatalis yang dapat menggunakan cahaya untuk menghasilkan energi, baik dalam bentuk gula sederhana atau hidrogen.

Dengan cara ini, sinar matahari langsung digunakan oleh katalis untuk menggerakkan reaksi kimia yang diinginkan alih‑alih pertama diserap oleh panel surya, diubah menjadi listrik, dan kemudian digunakan untuk proses seperti elektrolisis.

Hal ini dapat memangkas biaya biofuel secara drastis, sebuah keharusan jika kita ingin biofuel bersaing secara ekonomi melawan bahan bakar fosil.

Desain Molekul AI

Ada triliunan desain molekul yang mungkin, dengan hanya sebagian kecil yang pernah dipelajari dalam bentuk apapun.

Masalah dalam menggunakan komputer untuk mensimulasikan molekul‑molekul ini adalah bahwa jika hanya mengandalkan fisika dan mekanika kuantum, perhitungannya menjadi sangat kompleks untuk apa pun yang memiliki lebih dari 5‑10 atom.

Saat ini, banyak sistem AI dirancang untuk “menebak” jawaban yang tepat alih‑alih melakukan perhitungan brute‑force.

Ini dapat menghasilkan molekul dan desain potensial baru yang tidak dapat ditebak sebelumnya. Metode ini sudah menghasilkan buah, misalnya AlphaFold dari Google untuk pelipatan protein, prediksi aktivitas antibiotik molekul baru, atau program AI4Science milik Microsoft (MSFT ).

Sumber: Microsoft

Kemungkinan banyak organokatalis yang belum ditemukan, dan AI dapat mempercepat inovasi ini secara radikal, seperti yang kami bahas dalam “Mengubah Garis Waktu Penemuan melalui Penggunaan Kecerdasan Buatan (AI)”.

Berinvestasi dalam Organokatalis

Organokatalis adalah bagian kunci industri kimia modern. Ini juga pasar yang berkembang, diperkirakan mencapai CAGR 6,4% hingga 2032.

Anda dapat berinvestasi pada perusahaan organokatalis melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukan di sini, pada securities.io, rekomendasi kami untuk broker terbaik di AS, Kanada, Australia, Inggris, serta banyak negara lainnya.

Jika Anda tidak tertarik memilih perusahaan organokatalis tertentu, Anda juga dapat melihat ETF seperti iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) atau Vanguard Materials ETF (VAW) yang akan memberikan eksposur yang lebih terdiversifikasi untuk memanfaatkan industri kimia.

Perusahaan Katalis

1. BASF (BASFY)

Sebuah raksasa industri kimia, BASF mempekerjakan lebih dari 110.000 orang di 11 divisi yang dikelompokkan menjadi 6 segmen: Kimia, Material, Solusi Industri, Teknologi Permukaan, Nutrisi & Perawatan, dan Solusi Pertanian.

Lebih dari 20% aktivitas berasal dari kimia dan plastik serta lebih dari 20% dari transportasi. BASF juga memiliki kehadiran kuat di bidang pertanian dan barang konsumen.

Sumber: BASF

Divisi katalis BASF mempekerjakan lebih dari 8.000 orang, dengan 30 situs manufaktur.

Perusahaan ini berinvestasi besar‑besar dalam R&D, dengan pengeluaran tahunan lebih dari $2 miliar, tersebar di banyak sektor, namun dengan fokus kuat pada penciptaan pertumbuhan di sektor pertanian (pestisida, herbisida, dan perlakuan benih).

Sumber: BASF

Keahlian dalam plastik dan manufaktur kimia lainnya meluas hingga skala nano, terutama dengan posisi kepemimpinan dalam pelapisan permukaan nanopartikel, material berpori, dan polimer.

Dengan keahlian dalam katalis, hal ini kemungkinan akan menjadikan BASF pusat ekonomi masa depan yang berbasis inovasi dalam kimia, baterai, farmasi, nanoteknologi, biotek, dll.

2.  Schrödinger, Inc.

Perusahaan ini mengkhususkan diri dalam model berbasis fisika untuk menemukan molekul terbaik bagi tujuan tertentu, menyeimbangkan metrik yang saling bertentangan seperti potensi, kelarutan, setengah hidup, kemampuan sintesis, dll.

Ia juga menggunakan “machine learning” biasa, namun penambahan model berbasis fisika memungkinkan pengujian di bidang baru yang sepenuhnya belum memiliki dataset untuk “melatih” AI. Ini memungkinkan Schrödinger (SDGR ) beralih dari 1 miliar molekul potensial menjadi hanya 8 kandidat solid dalam hitungan hari, semata‑mata melalui perhitungan digital.

Sumber: Schrodinger

Schrödinger menandatangani perjanjian kolaborasi 5‑tahun dengan Bayer pada 2020 senilai $10 juta. Perjanjian tersebut menggunakan teknologi Schrödinger bersama model prediksi in‑silico Bayer.

Kerjasama terbaru lainnya adalah dengan Lilly pada 2022, dengan total pembayaran milestone hingga $425 juta untuk penemuan yang berhasil.

Kolaborasi sebelumnya mencakup Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol Myers Squibb, dan perusahaan farmasi kecil lainnya.

Secara keseluruhan, Schrödinger membangun portofolio yang terus berkembang, termasuk semakin banyak molekul kepemilikan penuh dan proprietari. Saat ini ia memiliki 8 produk dalam pipeline proprietari, dengan 2 berada di fase I uji klinis. Dan 23 produk dalam program kemitraan dan kolaborasi, dengan 5 di fase I dan 3 di fase II uji klinis.

Sumber: Schrodinger

Walaupun belum menghasilkan pendapatan, perusahaan ini masih belum menguntungkan, fokus pada ekspansi dan pengeluaran R&D untuk meningkatkan teknologinya. Hal ini tidak menjadi kekhawatiran serius dalam jangka pendek, karena perusahaan memiliki kas setara beberapa tahun operasi di neraca.

Ia juga melihat ekspansi ke segmen baru di luar penemuan obat, seperti biopharma kompleks atau bahkan material seperti kimia, baterai, atau polimer.

Sumber: Schrodinger

Investor akan ingin memantau kolaborasi baru, karena hal tersebut akan mencerminkan kemajuan teknologi Schrödinger, sebagaimana dinilai oleh pemimpin industri dari data rahasia, serta kemungkinan keberhasilan dalam memperluas teknologi inti ke pasar baru.

Dengan organokatalis dan kimia organik secara keseluruhan mengambil peran yang semakin besar, model AI seperti milik Schrödinger akan memainkan peran yang meningkat dalam mengembangkan molekul baru dan mengoptimalkan proses manufaktur kimia yang sering berusia puluhan tahun.