노벨상 성과에 투자하기 – 비대칭 유기 촉매

노벨상 역사

The Nobel Prize is the most prestigious award in the scientific world. It was created according to Mr. Alfred Nobel’s will to give a prize “to those who, during the preceding year, have conferred the greatest benefit to humankind” in physics, chemistry, physiology or medicine, literature, and peace.

A sixth prize would be later on created for economic sciences by the Swedish central bank, officially called the Prize in Economic Sciences, often better known as the Nobel Prize in Economics.

The decision of who to attribute the prize to belongs to multiple Swedish academic institutions.

유산에 대한 우려

The decision to create the Nobel Prize came to Alfred Nobel after he read his own obituary, following a mistake by a French newspaper that misunderstood the news of his brother’s death. Titled “The Merchant of Death Is Dead”, the French article hammered Nobel for his invention of smokeless explosives, of which dynamite was the most famous one.

His inventions were very influential in shaping modern warfare, and Nobel purchased a massive iron and steel mill to turn it into a major armaments manufacturer. As he was first a chemist, engineer, and inventor, Nobel realized that he did not want his legacy to be one of a man remembered to have made a fortune over war and the death of others.

노벨상

These days, Nobel’s Fortune is stored in a fund invested to generate income to finance the Nobel Foundation and the gold-plated green gold medal, diploma, and monetary award of 11 million SEK (around $1M) attributed to the winners.

출처: Britannica

Often, the Nobel Prize money is divided between several winners, especially in scientific fields where it is common for 2 or 3 leading figures to contribute together or in parallel to a groundbreaking discovery.

Over the years, the Nobel Prize became THE scientific prize, trying to strike a balance between theoretical and very practical discoveries. It has rewarded achievements that built the foundations of the modern world, like radioactivity, antibiotics, X-rays, or PCR, as well as fundamental science like the power source of the sun, the electron charge, atomic structure, or superfluidity.

더 많은 촉매를 찾는 여정

From the early era of chemistry, scientists have looked at ways to speed up chemical reactions or make molecules react in unusual ways. Sometimes, it can be achieved by changing the physical conditions, like using heat or pressure. However, for other chemical reactions, special products called catalysts are needed.

Catalysts are usually boosting the chance of a chemical reaction to happen, therefore increasing its speed and/or its efficiency.

What makes catalysts unique is that while they are involved in the chemical reaction, they are left unchanged at the end of it – the only “facilitate” the reaction.

This makes catalysts an often forgotten keystone of the modern world and absolutely essential in the manufacturing of everyday goods like refined oil, plastics, air filters, water purification, pharmaceuticals, perfume, flavoring, foodstuff, etc.

Altogether, catalysts contribute in one way or another to the production of as much as 35% of the world’s GDP.

다양한 촉매 유형

The first catalytic activity to be discovered was from metals like silver, nickel, platinum, palladium, etc. However, these catalysts are expensive. Metal catalysts also have a low selectivity, meaning that they can catalyze many different reactions.

While this can sometimes be an advantage, it is not the case when only one precise reaction is desired, like in the production of pharmaceuticals.

Another type of catalyst is enzymes. These proteins are able to accelerate very specific chemical reactions and are essentially the gears and machines powering life itself.

The preparation of pure enzymes was a significant scientific breakthrough and was awarded a Nobel Prize in 1946. Today, enzymes are routinely used in countless chemical processes.

The limit of enzymes is that they were designed by nature to perform specific tasks in living cells. So when the catalysis required is for something unrelated to biology, such as the production of plastics, it can be rather hard or even impossible to find a matching enzyme for the task.

Enzymes can also be fragile and not work in conditions of extreme acidity, for example. So, there was a strong need for non-metallic, custom-designed catalysts. This is where organocatalysts enter the scene. They are made of ordinary carbon, hydrogen, nitrogen, sulphur, and phosphorus but no metals.

유기 촉매

In 2021, the Nobel Prize in Chemistry was attributed to Benjamin List and David W.C. MacMillan, for the development of asymmetric organocatalysis.

As explained, organocatalysts are made of cheap and abundant elements forming the basis of organic chemistry (centered around carbon). The “asymmetric” part is important, as for most chemical and biological processes, molecules can display different versions, depending on their symmetry.

Such changes in the molecule orientation, also called “chirality”, have often important consequences for its functionality. For example, the same molecule of limonene will smell differently depending on which side it is oriented.

출처: Nobel Prize

List & MacMillan were not the first to discover organocatalysts. Some were found by accident as early as 1912 with quinine catalysis of cyanohydrins production. Later on, a quinine-derived catalyst would be used to perform asymmetric catalysis.

출처: Nobel Prize

However, for a long time, there was no framework to properly analyze organocatalysts, even less custom design new ones.

촉매 작용은 어떻게 이루어지나요?

Most chemical reactions need some level of energy to be reached at the molecule levels, to make the 2 compounds “bump into each other” and react. Catalysts bring the reagents closer together, reducing the energy required and making the reaction quicker and more likely to happen.

출처: Byjus

So while specific metallic elements are able to cause this lowering of energy levels due to their inherent atomic properties, the amino acids of enzymes are able to do it through the combination of their 3D configuration and chemical properties.

Often, it is only a few amino acids that actually perform the catalytic reaction, with the rest of the enzyme providing stability, activation from biochemical signals, or other functions.

출처: Nobel Prize

This was the starting point for Benjamin List, who wanted to investigate if a small number of amino acids, or even just one could perform catalysis the way entire enzymes do.

리스트 촉매: 프롤린 및 키랄리티

List started to work with a single amino acid called proline, which had been demonstrated to be a potential catalyst more than 25 years ago in the 1970s. Not expecting a very strong reaction, but still curious to learn more about it, he ran the experiment to check on it.

Not only did proline work as a catalyst, but it did so very strongly. Looking at the reaction further, List found that the catalysis was asymmetrical, with one of the 2 possible images of the newly formed molecule a lot more likely to be formed.

This would form the base for a new category of catalyst, called by chemists enamine catalysis, or Lewis base catalysis.

In it, a nitrogen atom reduces the energy required, and a carboxylic acid stabilizes the transition state in the intermediary steps of the chemical reaction catalyzed.

출처: Nobel Prize

맥밀런 촉매: 이미늄 이온

MacMillan had been working on metal-based asymmetrical catalysts but realized the conditions for these to work were rarely workable in an industrial setting, causing the discoveries in labs to be rarely useful for chemical production at scale.

Instead, he looked at how to replicate the basic mechanisms these metals use with organic chemistry.

Metal catalysts are especially active thanks to their ability to temporarily provide or accommodate electrons, reducing the barrier for a chemical reaction to occur.

To replicate such ability with organic molecules (made of a carbon backbone), MacMillan guessed from his chemistry knowledge that the perfect one would be an iminium ion.

As a result, this type of organocatalyst would become known as iminium ion catalysis/Lewis acid catalysis.

The idea here is that the nitrogen atom, with an inherent affinity for electrons, can play the role of the metal atom in a metal catalyst. Large chemical groups around the nitrogen atoms force the reaction to be asymmetrical.

출처: Nobel Prize

유기 촉매의 부상

MacMillan and List would publish their parallel findings almost at the same time in 2000, with the word to describe this new class of catalysts coined by MacMillan.

By fully explaining and investigating how they work, the two researchers and their teams opened the way for the systematic development of organocatalysts, where previous works were done more in a piecemeal fashion or through accidental discoveries.

Organocatalysts are now firmly an important component of the chemical industry for a few key reasons:

• 특히 금속 기반 촉매를 대체할 때 비용이 낮습니다.
• 비대칭 생산은 최종 제품 품질에 매우 중요합니다.
  • 의약품의 경우, 분자 대칭성이 유용할 수도 있고 치명적일 수도 있어 생명과 죽음이 걸린 문제입니다.
• 잠재적으로 더 다양하게 활용될 수 있으며, 맥밀런과 리스트는 에나민 및 이미늄 이온이 촉진할 수 있는 반응 유형을 더 찾기 위해 연구를 진행하고 있습니다.
• 유기 촉매와 같은 친환경 화학 공정은 대부분 독성이 없으며 쉽게 재활용됩니다.

유기 촉매의 성과

One example of how much organocatalysts can improve the chemical industry is the synthesis of strychnine.

The poison molecule (used in rat poison) was first synthesized in 1952 using a process requiring 29 chemical reactions. Only 0.0009% of the initial product turned into the desired strychnine.

In 2011, researchers using organocatalysis managed to reduce this to only 12 steps and achieved a 7,000x more efficient conversion rate.

Mass production of complex organic products currently extracted from plants or deep-sea organisms can also be important, both to increase availability and reduce prices of important pharmaceutical products.

미래 개발

광촉매

자연은 효소를 넘어선 유기 촉매의 훌륭한 예시인 광합성을 제공했습니다. 유기 분자의 전자 이동 능력과 빛 흡수를 결합함으로써, 광합성은 지구 전체 생물권의 기본 에너지 원천입니다.

간접적으로, 광합성은 오늘날 석유 화학 산업이 사용하는 기본 블록인 화석 연료의 원천이기도 합니다.

탄소 배출을 줄여야 하는 상황에서, 빛을 이용해 에너지를 생산하는 유기 촉매(단순 당이나 수소 형태)를 개발하는 것이 이상적입니다.

이렇게 하면 햇빛이 직접 촉매에 의해 원하는 화학 반응을 구동하게 되며, 태양 전지판에 흡수되어 전기로 변환된 뒤 전기분해와 같은 과정에 사용되는 단계를 거치지 않습니다.

이는 바이오 연료 비용을 크게 절감할 수 있으며, 바이오 연료가 화석 연료와 경제적으로 경쟁하려면 필수적인 조건입니다.

AI 분자 설계

가능한 분자 설계는 수조 개에 달하지만, 그 중 극히 일부만이 어떤 형태로든 연구되었습니다.

컴퓨터로 이러한 분자를 시뮬레이션하는 문제는 물리와 양자역학에만 의존할 경우, 5~10개 이상의 원자를 가진 경우 계산이 급격히 복잡해진다는 점입니다.

현재 많은 AI 시스템이 무차별 계산 대신 정답을 “추측”하도록 설계되고 있습니다.

이는 기존에 추측할 수 없었던 새로운 잠재 분자와 설계를 제공할 수 있습니다. 이 방법은 이미 예를 들어 구글의 AlphaFold(단백질 접힘), 새로운 분자 항생제 활성을 예측, 혹은 마이크로소프트의 AI4Science 프로그램 등에서 성과를 내고 있습니다.

출처: Microsoft [securities_stock_price_tag symbol="MSFT" exchange="NASDAQ"]

많은 유기 촉매가 아직 발견되지 않았으며, AI가 이러한 혁신을 급격히 가속화할 가능성이 높습니다. 이는 우리가 “인공지능(AI) 활용을 통한 발견 시계열 변화”에서 논의한 바와 같습니다.

유기 촉매에 투자하기

유기 촉매는 현대 화학 산업의 핵심 요소이며, 2022년부터 2032년까지 연평균 성장률 6.4%에 이를 것으로 예상되는 성장 시장이기도 합니다.

여러 중개인을 통해 유기 촉매 기업에 투자할 수 있으며, securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국 및 기타 여러 국가의 최고의 중개인에 대한 우리의 추천을 확인할 수 있습니다.

특정 유기 촉매 회사를 직접 선택하고 싶지 않다면, iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) 또는 Vanguard Materials ETF (VAW)와 같은 ETF를 통해 화학 산업에 대한 보다 다양화된 노출을 얻을 수 있습니다.

촉매 기업

1. BASF (BASFY)

A giant of the chemical industry, BASF employs 110,000+ people across 11 divisions grouped into 6 segments: Chemicals, Materials, Industrial Solutions, Surface Technologies, Nutrition & Care, and Agricultural Solutions.

화학 산업의 거대 기업인 BASF는 11개의 부문을 6개의 세그먼트(화학, 재료, 산업 솔루션, 표면 기술, 영양·케어, 농업 솔루션)로 묶어 110,000명 이상의 직원을 고용하고 있습니다.

활동의 20% 이상이 화학 및 플라스틱에서, 또 다른 20% 이상이 운송 분야에서 나옵니다. 또한 농업 및 소비재 분야에서도 강력한 입지를 가지고 있습니다.

출처: BASF

BASF’s catalyst division employs 8,000+, with 30 manufacturing sites.

BASF의 촉매 부문은 8,000명 이상을 고용하고 있으며, 30개의 제조 시설을 보유하고 있습니다.

이 회사는 연간 20억 달러 이상의 연구개발에 막대한 투자를 하고 있으며, 다양한 분야에 걸쳐 있지만 특히 농업 부문(살충제, 제초제, 종자 처리) 성장에 집중하고 있습니다.

출처: BASF

플라스틱 및 기타 화학 제조에 대한 전문성은 나노 규모까지 확장되며, 특히 나노 입자 표면 코팅, 다공성 재료, 고분자 분야에서 선도적인 위치를 차지하고 있습니다.

촉매에 대한 전문성과 결합되어, BASF는 화학, 배터리, 의약품, 나노기술, 바이오테크 등 혁신을 기반으로 한 미래 경제의 중심이 될 가능성이 높습니다.

2.  Schrödinger, Inc.

이 회사는 물리 기반 모델을 전문으로 하여 목표에 맞는 최적의 분자를 찾으며, 효능, 용해도, 반감기, 합성 가능성 등 상충되는 지표들을 균형 있게 고려합니다.

또한 “일반” 머신러닝을 사용하지만, 물리 기반 모델을 추가함으로써 데이터셋이 없어 AI를 “학습”시킬 수 없는 완전히 새로운 분야에서도 테스트할 수 있습니다. 이를 통해 Schrödinger는 10억 개의 잠재 분자 중 단 8개의 견고한 후보만을 며칠 만에 디지털 계산만으로 도출할 수 있습니다.

출처: Schrodinger

Schrödinger는 2020년에 Bayer와 5년 협력 계약을 체결했으며, 계약 금액은 1천만 달러였습니다. 이 계약은 Bayer와 함께 Schrödinger (SDGR ) 기술을 인실리코 예측 모델에 활용하는 것입니다.

또 다른 최근 파트너십은 2022년 Lilly와의 협력이며, 성공적인 발견에 대해 최대 4억 2천5백만 달러의 마일스톤 지급이 이루어집니다.

과거 협력에는 Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol Myers Squibb 및 기타 소규모 제약사가 포함되었습니다.

전반적으로 Schrödinger는 점점 더 많은 독점 및 자체 보유 분자를 포함하는 포트폴리오를 구축하고 있습니다. 현재 자체 파이프라인에 8개의 제품이 있으며, 그 중 2개는 임상 1상에 있습니다. 또한 파트너 프로그램 및 협력에서 23개의 제품이 진행 중이며, 5개는 1상, 3개는 2상 임상 시험 단계에 있습니다.

출처: Schrodinger

수익은 아직 없지만, 이 회사는 아직 수익을 내지 못하고 있으며, 기술 향상을 위한 확장 및 연구개발 지출에 집중하고 있습니다. 재무제표에 수년 운영에 충분한 현금이 보유되어 있어 단기적인 우려는 크지 않을 것입니다.

또한 이 회사는 약물 발견을 넘어 복합 바이오제약 또는 화학, 배터리, 고분자와 같은 소재 분야로 확장을 모색하고 있습니다.

출처: Schrodinger

투자자들은 새로운 협력 관계를 주시해야 합니다. 이는 업계 리더들의 비공개 데이터 평가를 통해 Schrödinger 기술의 진보를 반영하고, 핵심 기술을 새로운 시장으로 확장하는 성공 가능성을 보여줄 것입니다.

유기 촉매와 전반적인 유기 화학이 점점 더 큰 역할을 차지함에 따라, Schrödinger와 같은 AI 모델은 새로운 분자 개발 및 수십 년 된 화학 제조 공정을 최적화하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.