Investire nei risultati del Premio Nobel – Organocatalisi asimmetrica

Storia del Premio Nobel

Il Premio Nobel è il più prestigioso riconoscimento nel mondo scientifico. È stato creato secondo il testamento del signor Alfred Nobel per assegnare un premio “a coloro che, nell’anno precedente, hanno conferito il più grande beneficio all’umanità” nei campi della fisica, chimica, fisiologia o medicina, letteratura e pace.

Un sesto premio fu creato in seguito per le scienze economiche dalla banca centrale svedese, ufficialmente chiamato Premio per le Scienze Economiche, spesso più noto come Premio Nobel per l’Economia.

La decisione su chi assegnare il premio spetta a diverse istituzioni accademiche svedesi.

Preoccupazioni sul Lascito

La decisione di creare il Premio Nobel arrivò ad Alfred Nobel dopo aver letto la propria necrologia, a seguito di un errore di un giornale francese che fraintese la notizia della morte di suo fratello. Intitolato “Il Mercante della Morte è Morto”, l’articolo francese colpì Nobel per la sua invenzione di esplosivi senza fumo, di cui la dinamite era la più famosa.

Le sue invenzioni influenzarono notevolmente la guerra moderna, e Nobel acquistò una gigantesca acciaieria per trasformarla in un importante produttore di armamenti. Essendo prima chimico, ingegnere e inventore, Nobel si rese conto di non volere che il suo lascito fosse quello di un uomo ricordato per aver fatto una fortuna grazie alla guerra e alla morte altrui.

Premio Nobel

Oggi, la fortuna di Nobel è conservata in un fondo investito per generare reddito a finanziare la Fondazione Nobel e la medaglia verde dorata placcata d’oro, il diploma e il premio monetario di 11 milioni di SEK (circa 1 milione di dollari) attribuiti ai vincitori.

Fonte: Britannica

Spesso, il denaro del Premio Nobel viene suddiviso tra più vincitori, specialmente nei campi scientifici dove è comune che 2 o 3 figure di spicco contribuiscano insieme o in parallelo a una scoperta rivoluzionaria.

Nel corso degli anni, il Premio Nobel è diventato IL premio scientifico, cercando di bilanciare scoperte teoriche e molto pratiche. Ha premiato risultati che hanno costruito le fondamenta del mondo moderno, come radioattività, antibiotici, raggi X, o PCR, così come scienze fondamentali come la fonte di energia del sole, la carica dell’elettrone, la struttura atomica, o la superfluidità.

La Ricerca di Più Catalizzatori

Fin dall’era iniziale della chimica, gli scienziati hanno cercato modi per accelerare le reazioni chimiche o far reagire le molecole in modi insoliti. A volte, ciò può essere ottenuto modificando le condizioni fisiche, come l’uso di calore o pressione. Tuttavia, per altre reazioni chimiche sono necessari prodotti speciali chiamati catalizzatori.

I catalizzatori solitamente aumentano la probabilità che una reazione chimica avvenga, incrementandone così la velocità e/o l’efficienza.

Ciò che rende i catalizzatori unici è che, pur partecipando alla reazione chimica, rimangono invariati al termine di essa – facilitano semplicemente la reazione.

Questo li rende una pietra miliare spesso dimenticata del mondo moderno e assolutamente essenziale nella produzione di beni di tutti i giorni come petrolio raffinato, plastica, filtri d’aria, depurazione dell’acqua, prodotti farmaceutici, profumi, aromi, alimenti, ecc.

Nel complesso, i catalizzatori contribuiscono in un modo o nell’altro alla produzione di fino al 35 % del PIL mondiale.

Molti Tipi di Catalizzatori

La prima attività catalitica scoperta fu da metalli come argento, nichel, platino, palladio, ecc. Tuttavia, questi catalizzatori sono costosi. I catalizzatori metallici hanno anche una bassa selettività, il che significa che possono catalizzare molte reazioni diverse.

Sebbene ciò a volte possa essere un vantaggio, non è il caso quando si desidera una sola reazione precisa, come nella produzione di farmaci.

Un altro tipo di catalizzatore sono gli enzimi. Queste proteine sono in grado di accelerare reazioni chimiche molto specifiche e sono essenzialmente gli ingranaggi e le macchine che alimentano la vita stessa.

La preparazione di enzimi puri fu una svolta scientifica significativa e fu premiata con il Nobel nel 1946. Oggi, gli enzimi sono usati regolarmente in innumerevoli processi chimici.

Il limite degli enzimi è che sono stati progettati dalla natura per svolgere compiti specifici nelle cellule viventi. Quindi, quando la catalisi richiesta è per qualcosa non correlato alla biologia, come la produzione di plastica, può essere piuttosto difficile o addirittura impossibile trovare un enzima adatto al compito.

Gli enzimi possono anche essere fragili e non funzionare in condizioni di estrema acidità, per esempio. Perciò, c’era una forte necessità di catalizzatori non metallici, progettati su misura. È qui che entrano in gioco gli organocatalizzatori. Sono costituiti da carbonio, idrogeno, azoto, zolfo e fosforo ordinari, ma senza metalli.

Organocatalizzatori

Nel 2021, il Premio Nobel per la Chimica è stato attribuito a Benjamin List e David W.C. MacMillan, per lo sviluppo della organocatalisi asimmetrica.

Come spiegato, gli organocatalizzatori sono fatti di elementi economici e abbondanti che costituiscono la base della chimica organica (centrata sul carbonio). La parte “asimmetrica” è importante, poiché per la maggior parte dei processi chimici e biologici, le molecole possono presentare versioni diverse a seconda della loro simmetria.

Questi cambiamenti nell’orientamento molecolare, chiamati anche “chiralità”, hanno spesso conseguenze importanti sulla loro funzionalità. Per esempio, la stessa molecola di limonene avrà un odore diverso a seconda di quale lato è orientato.

Fonte: Nobel Prize

List e MacMillan non furono i primi a scoprire gli organocatalizzatori. Alcuni furono trovati per caso già nel 1912 con la catalisi della quinina nella produzione di cianidrine. Successivamente, un catalizzatore derivato dalla quinina fu usato per effettuare catalisi asimmetrica.

Fonte: Nobel Prize

Tuttavia, per molto tempo non esisteva un quadro per analizzare correttamente gli organocatalizzatori, tanto meno per progettarne di nuovi su misura.

Come Funziona la Catalisi?

La maggior parte delle reazioni chimiche richiede un certo livello di energia a livello molecolare, per far “scontrare” i due composti e reagire. I catalizzatori avvicinano i reagenti, riducendo l’energia richiesta e rendendo la reazione più veloce e più probabile.

Fonte: Byjus

Quindi, mentre specifici elementi metallici sono in grado di provocare questa riduzione dei livelli energetici grazie alle loro proprietà atomiche intrinseche, gli amminoacidi degli enzimi lo fanno tramite la combinazione della loro configurazione 3D e delle proprietà chimiche.

Spesso, sono solo pochi amminoacidi a svolgere realmente la reazione catalitica, mentre il resto dell’enzima fornisce stabilità, attivazione da segnali biochimici o altre funzioni.

Fonte: Nobel Prize

Questo fu il punto di partenza per Benjamin List, che voleva investigare se un piccolo numero di amminoacidi, o anche solo uno, potesse svolgere la catalisi come fanno gli enzimi interi.

Catalizzatori di List: Prolina & Chiralità

List iniziò a lavorare con un singolo amminoacido chiamato prolina, che era stato dimostrato essere un potenziale catalizzatore più di 25 anni prima, negli anni ’70. Non si aspettava una reazione molto forte, ma era comunque curioso di approfondire, così condusse l’esperimento per verificarlo.

Non solo la prolina funzionò come catalizzatore, ma lo fece in modo molto potente. Analizzando ulteriormente la reazione, List scoprì che la catalisi era asimmetrica, con una delle due possibili immagini della nuova molecola molto più probabile da formarsi.

Questo costituì la base per una nuova categoria di catalizzatori, chiamata dagli chimici catalisi enamina, o catalisi a base di Lewis.

In essa, un atomo di azoto riduce l’energia richiesta, e un acido carbossilico stabilizza lo stato di transizione nei passaggi intermedi della reazione chimica catalizzata.

Fonte: Nobel Prize

Catalizzatori di MacMillan: Ione Iminio

MacMillan aveva lavorato su catalizzatori asimmetrici a base metallica ma si rese conto che le condizioni per farli funzionare erano raramente praticabili in un contesto industriale, rendendo le scoperte in laboratorio poco utili per la produzione chimica su larga scala.

Invece, guardò a come replicare i meccanismi di base che questi metalli usano con la chimica organica.

I catalizzatori metallici sono particolarmente attivi grazie alla loro capacità di fornire o accogliere temporaneamente elettroni, riducendo la barriera per una reazione chimica.

Per replicare tale capacità con molecole organiche (costituite da uno scheletro di carbonio), MacMillan ipotizzò, basandosi sulla sua conoscenza chimica, che il candidato perfetto sarebbe stato uno ione iminio.

Di conseguenza, questo tipo di organocatalizzatore divenne noto come catalisi a ione iminio/catalisi a acido di Lewis.

L’idea è che l’atomo di azoto, con una naturale affinità per gli elettroni, possa svolgere il ruolo dell’atomo metallico in un catalizzatore metallico. Grandi gruppi chimici attorno agli atomi di azoto forzano la reazione a essere asimmetrica.

Fonte: Nobel Prize

L’Ascesa degli Organocatalizzatori

MacMillan e List pubblicarono le loro scoperte parallele quasi contemporaneamente nel 2000, con la parola per descrivere questa nuova classe di catalizzatori coniata da MacMillan.

Spiegando e investigando a fondo come funzionano, i due ricercatori e i loro team aprirono la strada allo sviluppo sistematico degli organocatalizzatori, dove i lavori precedenti erano stati svolti in modo più frammentario o per caso.

Gli organocatalizzatori sono ora una componente importante dell’industria chimica per alcune ragioni chiave:

• Costo più basso, soprattutto quando si sostituisce la catalisi a base metallica.
• La produzione asimmetrica è molto importante per la qualità finale del prodotto.
  • Nel caso dei farmaci, può trattarsi di una questione di vita o di morte, con alcune simmetrie molecolari utili e altre letali.
• Potenzialmente più versatili, con ulteriori lavori svolti da MacMillan e List per trovare più tipi di reazioni che enamina e ione iminio possono accelerare.
• Processi chimici più rispettosi dell’ambiente: gli organocatalizzatori sono per lo più non tossici e/o facilmente riciclabili.

Risultati degli Organocatalizzatori

Un esempio di quanto gli organocatalizzatori possano migliorare l’industria chimica è la sintesi della stricnina.

La molecola velenosa (usata come veleno per ratti) fu sintetizzata per la prima volta nel 1952 con un processo che richiedeva 29 reazioni chimiche. Solo lo 0,0009 % del prodotto iniziale si trasformò nella stricnina desiderata.

Nel 2011, ricercatori che usavano l’organocatalisi riuscirono a ridurre questo a sole 12 fasi, ottenendo un tasso di conversione 7 000 volte più efficiente.

La produzione di massa di prodotti organici complessi attualmente estratti da piante o organismi degli abissi può anche essere importante, sia per aumentare la disponibilità sia per ridurre i prezzi di prodotti farmaceutici cruciali.

Sviluppi Futuri

Fotocatalisi

La natura ci ha fornito un grande esempio di organocatalizzatori oltre gli enzimi: la fotosintesi. Combinando la capacità delle molecole organiche di spostare elettroni con l’assorbimento della luce, la fotosintesi è la fonte di energia di base per l’intera biosfera terrestre.

In modo indiretto, la fotosintesi è persino la fonte dei combustibili fossili odierni, i blocchi di base usati dall’industria petrolchimica.

Con la necessità di ridurre le emissioni di carbonio, una situazione ideale sarebbe sviluppare organocatalizzatori che possano usare la luce per produrre energia, sotto forma di zucchero semplice o idrogeno.

In questo modo, la luce solare è usata direttamente dal catalizzatore per alimentare la reazione chimica desiderata, invece di essere prima assorbita da pannelli solari, convertita in elettricità e poi impiegata in processi come l’elettrolisi.

Ciò potrebbe ridurre drasticamente i costi dei biocarburanti, requisito necessario per renderli competitivi economicamente rispetto ai combustibili fossili.

Progettazione Molecolare con IA

Esistono trilioni di possibili progetti molecolari, ma solo una piccola frazione è stata studiata in qualche forma.

Il problema nell’usare i computer per simulare queste molecole è che, se si fa affidamento esclusivamente su fisica e meccanica quantistica, i calcoli diventano rapidamente assurdi per qualsiasi struttura con più di 5‑10 atomi.

Attualmente, molti sistemi di IA sono progettati per “indovinare” la risposta corretta invece di eseguire un calcolo di forza bruta.

Questo può produrre nuove molecole e design potenziali che altrimenti non sarebbero stati immaginati. Il metodo sta già dando frutti, ad esempio con AlphaFold di Google per il ripiegamento delle proteine, previsioni su nuova attività antibiotica di molecole, o il programma AI4Science di Microsoft (MSFT ).

Fonte: Microsoft

È probabile che molti organocatalizzatori siano ancora da scoprire, e che l’IA possa accelerare radicalmente queste innovazioni, come discusso in “Cambiare la Tempistica delle Scoperte tramite l’Uso dell’Intelligenza Artificiale (IA)”.

Investire negli Organocatalizzatori

Gli organocatalizzatori sono una parte chiave dell’industria chimica moderna. È anche un mercato in crescita, previsto raggiungere un CAGR del 6,4 % entro il 2032.

Puoi investire in aziende di organocatalizzatori tramite molti broker, e qui, su securities.io, trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere specifiche aziende di organocatalizzatori, puoi anche considerare ETF come iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) o il Vanguard Materials ETF (VAW), che offrono un’esposizione più diversificata per capitalizzare sull’industria chimica.

Aziende di Catalizzatori

1. BASF (BASFY)

Un gigante dell’industria chimica, BASF impiega oltre 110 000 persone in 11 divisioni raggruppate in 6 segmenti: Chimica, Materiali, Soluzioni Industriali, Tecnologie di Superficie, Nutrizione & Cura, e Soluzioni Agricole.

Più del 20 % dell’attività proviene da chimica e plastica e oltre il 20 % dal trasporto. Ha anche una forte presenza nell’agricoltura e nei beni di consumo.

Fonte: BASF

La divisione catalizzatori di BASF impiega più di 8 000 persone, con 30 siti di produzione.

L’azienda investe massicciamente in R&D, con spese annuali superiori a 2 miliardi di dollari, distribuite in molti settori, ma con un forte focus sulla crescita del settore agricolo (pesticidi, erbicidi e trattamenti per semi).

Fonte: BASF

L’esperienza in plastica e altre produzioni chimiche si estende alla scala nanometrica, in particolare con una posizione di leadership nel rivestimento superficiale nanoparticolare, materiali porosi e polimeri.

Combinata con l’esperienza nei catalizzatori, è probabile che BASF diventi un centro dell’economia futura basata su innovazioni in chimica, batterie, farmaci, nanotecnologia, biotecnologia, ecc.

2.  Schrödinger, Inc.

L’azienda si specializza in modelli basati sulla fisica per trovare la molecola migliore per un dato obiettivo, bilanciando metriche contrastanti come potenza, solubilità, emivita, sintetizzabilità, ecc.

Utilizza anche “machine learning” tradizionale, ma l’aggiunta di un modello basato sulla fisica consente di testare campi completamente nuovi per i quali non esiste un set di dati per “addestrare” l’IA. Questo permette a Schrödinger (SDGR ) di passare da 1 miliardo di molecole potenziali a soli 8 candidati solidi in pochi giorni, esclusivamente tramite calcolo digitale.

Fonte: Schrodinger

Schrödinger ha firmato con Bayer un accordo di collaborazione di 5 anni nel 2020 per un fatturato di 10 milioni di dollari. L’accordo prevede l’uso della tecnologia Schrödinger insieme ai modelli di previsione in silico di Bayer.

Un’altra partnership recente è con Lilly nel 2022, con fino a 425 milioni di dollari in pagamenti milestone totali per scoperte di successo.

Collaborazioni passate includevano Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol Myers Squibb e altre piccole aziende farmaceutiche.

Nel complesso, Schrödinger sta costruendo un portafoglio in crescita, includendo sempre più molecole proprietarie e di piena proprietà. Attualmente ha 8 prodotti nella sua pipeline proprietaria, con 2 in fase I di sperimentazione clinica. E 23 prodotti in programmi partner e collaborazioni, con 5 in fase I e 3 in fase II di sperimentazione clinica.

Fonte: Schrodinger

Pur non avendo ancora ricavi, l’azienda non è ancora redditizia, concentrandosi su espansione e spese R&D per migliorare la sua tecnologia. Non dovrebbe rappresentare una preoccupazione seria a breve termine, poiché l’azienda dispone di diversi anni di liquidità sul bilancio.

Sta anche valutando l’espansione verso nuovi segmenti oltre la scoperta di farmaci, come biofarmaci complessi o addirittura materiali come chimici, batterie o polimeri.

Fonte: Schrodinger

Gli investitori vorranno tenere d’occhio le nuove collaborazioni, poiché rifletteranno i progressi della tecnologia di Schrödinger, valutati dai leader del settore da dati riservati, nonché il possibile successo nell’espandere la tecnologia di base a nuovi mercati.

Con gli organocatalizzatori e la chimica organica in generale che assumono un ruolo crescente, i modelli di IA come quello di Schrödinger giocheranno un ruolo sempre più importante nello sviluppo di nuove molecole e nell’ottimizzazione di processi chimici spesso decenni vecchi.