Investering i Nobelprisens prestasjoner – Asymmetrisk organokatalyse

Nobelprisens historie

Nobelprisen er den mest prestisjefylte prisen i den vitenskapelige verden. Den ble opprettet i henhold til Alfred Nobels testamente for å gi en pris «til de som i løpet av det foregående året har gitt den største nytte for menneskeheten» innen fysikk, kjemi, fysiologi eller medisin, litteratur og fred.

Et sjette pris ble senere opprettet for økonomisk vitenskap av Sveriges sentralbank, offisielt kalt Prisen i økonomisk vitenskap, ofte bedre kjent som Nobelprisen i økonomi.

Avgjørelsen om hvem som skal tildeles prisen tilhører flere svenske akademiske institusjoner.

Arvbekymringer

Beslutningen om å opprette Nobelprisen kom til Alfred Nobel etter at han leste sin egen nekrolog, etter en feil fra en fransk avis som misforsto nyheten om hans brors død. Artikkelen med tittelen «The Merchant of Death Is Dead» kritiserte Nobel for hans oppfinnelse av røykfrie sprengstoff, hvorav dynamitten var den mest kjente.

Oppfinnelsene hans hadde stor innflytelse på utviklingen av moderne krigføring, og Nobel kjøpte et enormt jern- og stålsmelteverk for å gjøre det til en stor våpenprodusent. Siden han først var kjemiker, ingeniør og oppfinner, innså Nobel at han ikke ønsket at arven hans skulle være en mann husket for å ha tjent en formue på krig og andres død.

Nobelprisen

I dag er Nobels formue lagret i et fond som investeres for å generere inntekter til å finansiere Nobelstiftelsen og den gullbelagte grønne gullmedaljen, diplom og den økonomiske prisen på 11 millioner SEK (ca. 1 million dollar) som tildeles vinnerne.

Kilde: Britannica

Ofte blir Nobelprispengene delt mellom flere vinnere, spesielt innen vitenskapelige felt hvor det er vanlig at 2 eller 3 ledende personer bidrar sammen eller parallelt til en banebrytende oppdagelse.

Gjennom årene har Nobelprisen blitt DEN vitenskapelige prisen, som prøver å finne en balanse mellom teoretiske og svært praktiske oppdagelser. Den har belønnet prestasjoner som har lagt grunnlaget for den moderne verden, som radioaktivitet, antibiotika, røntgenstråler, eller PCR, samt grunnleggende vitenskap som solens energikilde, elektronladning, atomstruktur, eller superfluiditet.

Jakten på flere katalysatorer

Fra den tidlige kjemiens æra har forskere søkt etter måter å akselerere kjemiske reaksjoner eller få molekyler til å reagere på uvanlige måter. Noen ganger kan dette oppnås ved å endre fysiske forhold, som å bruke varme eller trykk. For andre kjemiske reaksjoner er imidlertid spesielle stoffer kalt katalysatorer nødvendige.

Katalysatorer øker vanligvis sannsynligheten for at en kjemisk reaksjon skal finne sted, og dermed øker hastigheten og/eller effektiviteten.

Det som gjør katalysatorer unike er at selv om de deltar i den kjemiske reaksjonen, forblir de uendret ved slutten – de «letter» kun reaksjonen.

Dette gjør katalysatorer til en ofte glemt hjørnestein i den moderne verden og helt avgjørende i produksjonen av hverdagsvarer som raffinerte oljer, plast, luftfiltre, vannrensing, legemidler, parfyme, smakstilsetninger, matvarer osv.

Alt i alt bidrar katalysatorer på en eller annen måte til produksjonen av opptil 35 % av verdens BNP.

Mange typer katalysatorer

Den første katalytiske aktiviteten som ble oppdaget, kom fra metaller som sølv, nikkel, platina, palladium osv. Disse katalysatorene er imidlertid dyre. Metallkatalysatorer har også lav selektivitet, noe som betyr at de kan katalysere mange forskjellige reaksjoner.

Selv om dette noen ganger kan være en fordel, er det ikke tilfelle når kun én presis reaksjon er ønsket, som i produksjon av legemidler.

En annen type katalysator er enzymer. Disse proteinene kan akselerere svært spesifikke kjemiske reaksjoner og er i hovedsak tannhjulene og maskinene som driver livet.

Fremstillingen av rene enzymer var et betydelig vitenskapelig gjennombrudd og ble tildelt Nobelprisen i 1946. I dag brukes enzymer rutinemessig i utallige kjemiske prosesser.

Begrensningen med enzymer er at de er designet av naturen for å utføre spesifikke oppgaver i levende celler. Så når katalysen som kreves er for noe som ikke er relatert til biologi, som produksjon av plast, kan det være ganske vanskelig eller til og med umulig å finne et passende enzym for oppgaven.

Enzymer kan også være skjøre og ikke fungere under ekstreme sure forhold, for eksempel. Derfor var det et sterkt behov for ikke‑metalliske, skreddersydde katalysatorer. Det er her organokatalysatorer kommer inn i bildet. De er laget av vanlige karbon, hydrogen, nitrogen, svovel og fosfor, men ingen metaller.

Organokatalysatorer

I 2021 ble Nobelprisen i kjemi tildelt Benjamin List og David W.C. MacMillan, for utviklingen av asymmetrisk organokatalyse.

Som forklart er organokatalysatorer laget av billige og rikelige elementer som danner grunnlaget for organisk kjemi (sentralisert rundt karbon). Den «asymmetriske» delen er viktig, da molekyler i de fleste kjemiske og biologiske prosesser kan ha ulike versjoner, avhengig av deres symmetri.

Slike endringer i molekylorientering, også kalt «kiralitet», har ofte viktige konsekvenser for funksjonaliteten. For eksempel vil samme limonenmolekyl lukte forskjellig avhengig av hvilken side det er orientert.

Kilde: Nobel Prize

List og MacMillan var ikke de første som oppdaget organokatalysatorer. Noen ble funnet ved en tilfeldighet allerede i 1912 med kininkatalyse av cyanohydrinproduksjon. Senere ble en kinin‑avledet katalysator brukt til å utføre asymmetrisk katalyse.

Kilde: Nobel Prize

Imidlertid var det i lang tid ingen rammeverk for å analysere organokatalysatorer på en ordentlig måte, og enda mindre for å skreddersy nye.

Hvordan fungerer katalyse?

De fleste kjemiske reaksjoner krever et visst energinivå på molekylnivå for at de to forbindelsene skal «bump into each other» og reagere. Katalysatorer bringer reaktantene nærmere hverandre, reduserer den nødvendige energien og gjør reaksjonen raskere og mer sannsynlig.

Kilde: Byjus

Mens spesifikke metalliske elementer kan senke energinivåene på grunn av deres iboende atomære egenskaper, kan aminosyrene i enzymer gjøre det gjennom kombinasjonen av deres 3D‑konfigurasjon og kjemiske egenskaper.

Ofte er det kun noen få aminosyrer som faktisk utfører den katalytiske reaksjonen, mens resten av enzymet gir stabilitet, aktivering fra biokjemiske signaler eller andre funksjoner.

Kilde: Nobel Prize

Dette var utgangspunktet for Benjamin List, som ønsket å undersøke om et lite antall aminosyrer, eller til og med bare én, kunne utføre katalyse på samme måte som hele enzymer.

List‑katalysatorer: Prolin & kiralitet

List begynte å arbeide med en enkelt aminosyre kalt prolin, som allerede på 1970‑tallet, mer enn 25 år tidligere, hadde vist seg å være en potensiell katalysator. Han forventet ikke en veldig sterk reaksjon, men var likevel nysgjerrig på å lære mer, så han utførte eksperimentet for å undersøke det.

Ikke bare fungerte prolin som katalysator, den gjorde det også svært sterkt. Når han så nærmere på reaksjonen, oppdaget List at katalysen var asymmetrisk, med ett av de to mulige bildene av det nyformede molekylet som var mye mer sannsynlig å dannes.

Dette la grunnlaget for en ny katalysatorkategori, kalt enamin‑katalyse eller Lewis‑base‑katalyse av kjemikere.

I denne prosessen reduserer et nitrogenatom den nødvendige energien, og en karboksylsyre stabiliserer overgangstilstanden i de mellomliggende trinnene av den katalyserte kjemiske reaksjonen.

Kilde: Nobel Prize

MacMillan‑katalysatorer: Iminium‑ion

MacMillan hadde arbeidet med metallbaserte asymmetriske katalysatorer, men innså at betingelsene for at disse skulle fungere sjelden var praktisk anvendelige i en industriell setting, noe som gjorde laboratorieoppdagelser sjelden nyttige for kjemisk produksjon i stor skala.

I stedet undersøkte han hvordan de grunnleggende mekanismene som disse metallene bruker, kunne replikeres med organisk kjemi.

Metallkatalysatorer er spesielt aktive takket være deres evne til midlertidig å levere eller ta opp elektroner, noe som reduserer barrieren for at en kjemisk reaksjon skal finne sted.

For å replikere en slik evne med organiske molekyler (med en karbonryggrad), gjettet MacMillan ut fra sin kjemikunnskap at den perfekte ville være et iminium‑ion.

Som et resultat ble denne typen organokatalysator kjent som iminium‑ion‑katalyse/Lewis‑syrekatalyse.

Ideen er at nitrogenatomet, med en iboende affinitet for elektroner, kan spille rollen som metallatomet i en metallkatalysator. Store kjemiske grupper rundt nitrogenatomene tvinger reaksjonen til å bli asymmetrisk.

Kilde: Nobel Prize

Fremveksten av organokatalysatorer

MacMillan og List publiserte sine parallelle funn nesten samtidig i 2000, med ordet som beskriver denne nye klassen av katalysatorer, oppfunnet av MacMillan.

Ved å grundig forklare og undersøke hvordan de fungerer, åpnet de to forskerne og deres team veien for systematisk utvikling av organokatalysatorer, hvor tidligere arbeid ble gjort mer fragmentert eller gjennom tilfeldige oppdagelser.

Organokatalysatorer er nå en viktig komponent i kjemisk industri av flere nøkkelgrunner:

• Lavere kostnad, spesielt når man erstatter metallbasert katalyse.
• Asymmetrisk produksjon er svært viktig for sluttproduktets kvalitet.
  • I tilfelle av legemidler kan det være en liv‑eller‑død‑sak, med noen molekylsymmetrier som er nyttige og andre som er dødelige.
• Potensielt mer allsidig, med videre arbeid utført av både MacMillan og List for å finne flere typer reaksjoner som enamin‑ og iminium‑ion kan bidra til å akselerere.
• Mer miljøvennlige kjemiske prosesser; organokatalysatorer er for det meste ikke‑giftige og/eller lett resirkulerbare.

Organokatalysatorers prestasjoner

Et eksempel på hvor mye organokatalysatorer kan forbedre den kjemiske industrien er syntesen av stryknin.

Det giftige molekylet (brukt i rottegift) ble først syntetisert i 1952 ved en prosess som krevde 29 kjemiske reaksjoner. Kun 0,0009 % av det opprinnelige produktet ble til den ønskede strykninen.

I 2011 klarte forskere som brukte organokatalyse å redusere dette til kun 12 trinn og oppnådde en 7 000‑ganger mer effektiv konverteringsrate.

Masseproduksjon av komplekse organiske produkter som i dag utvinnes fra planter eller dyphavorganismer kan også være viktig, både for å øke tilgjengeligheten og redusere prisene på viktige legemidler.

Fremtidig utvikling

Fotokatalyse

Naturens gir oss et flott eksempel på organokatalysatorer utover enzymer: fotosyntese. Ved å kombinere evnen til organiske molekyler til å overføre elektroner med absorpsjon av lys, er fotosyntese den grunnleggende energikilden for hele jordens biosfære.

Indirekte er fotosyntese til og med kilden til dagens fossile brensler, de grunnleggende byggesteinene som brukes av petrokjemisk industri.

Med behovet for å redusere karbonutslipp, ville en ideell situasjon være å utvikle organokatalysatorer som kan bruke lys til å produsere energi, enten i form av enkel sukker eller hydrogen.

På denne måten brukes sollys direkte av katalysatoren til å drive den ønskede kjemiske reaksjonen i stedet for først å bli absorbert av solcellepaneler, konvertert til elektrisitet, og deretter brukt i prosesser som elektrolyse.

Dette kan drastisk redusere kostnadene for biodrivstoff, et krav hvis vi ønsker at de skal være økonomisk konkurransedyktige mot fossile brensler.

AI‑molekyldesign

Det finnes billioner av mulige molekyldesign, men kun en liten brøkdel har blitt studert i noen form.

Problemet med å bruke datamaskiner til å simulere disse molekylene er at dersom man kun baserer seg på fysikk og kvantemekanikk, blir beregningene raskt absurd komplekse for alt med mer enn 5–10 atomer.

For tiden blir mange AI‑systemer designet for å «gjette» riktig svar i stedet for å utføre en brute‑force‑beregning.

Dette kan gi nye potensielle molekyler og design som ellers ikke kunne vært gjettet. Metoden gir allerede resultater, for eksempel AlphaFold fra Google for proteinfolding, forutsigelser om ny molekylær antibiotisk aktivitet, eller Microsofts AI4Science‑program.

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

Det er sannsynlig at mange organokatalysatorer ennå ikke er oppdaget, og at AI kan radikalt akselerere disse innovasjonene, som vi diskuterte i «Endring av tidslinjen for oppdagelser gjennom bruk av kunstig intelligens (AI)».

Investering i organokatalysatorer

Organokatalysatorer er en nøkkelkomponent i den moderne kjemiske industrien. Det er også et voksende marked, forventet å nå 6,4 % CAGR frem til 2032.

Du kan investere i organokatalysatorselskaper gjennom mange meglere, og du kan finne her, på securities.io, våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke organokatalysatorselskaper, kan du også se på ETF-er som iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) eller Vanguard Materials ETF (VAW), som gir en mer diversifisert eksponering for å dra nytte av den kjemiske industrien.

Katalysatorselskaper

1. BASF (BASFY)

Et kjemigigant, BASF sysselsetter over 110 000 personer på tvers av 11 divisjoner gruppert i 6 segmenter: Kjemikalier, Materialer, Industrielle løsninger, Overflateteknologi, Ernæring & pleie, og Landbruksløsninger.

Mer enn 20 % av aktiviteten kommer fra kjemikalier og plast, og mer enn 20 % fra transport. Selskapet har også en sterk tilstedeværelse innen landbruk og forbrukerprodukter.

Kilde: BASF

BASFs katalysedivisjon sysselsetter over 8 000, med 30 produksjonsanlegg.

Selskapet investerer massivt i FoU, med over 2 milliarder dollar i årlig forbruk, fordelt på mange sektorer, men med sterkt fokus på å skape vekst i landbrukssektoren (pesticider, herbicider og frøbehandling).

Kilde: BASF

Ekspertisen innen plast og annen kjemisk produksjon strekker seg til nanoskala, spesielt med en ledende posisjon innen nanopartikulære overflatebelegg, porøse materialer og polymerer.

Kombinert med ekspertise innen katalysatorer, vil dette sannsynligvis gjøre BASF til et sentrum for fremtidens økonomi basert på innovasjoner innen kjemikalier, batterier, legemidler, nanoteknologi, bioteknologi osv.

2.  Schrödinger, Inc.

Selskapet spesialiserer seg på fysikkbaserte modeller for å finne det best mulige molekylet for et gitt mål, og balanserer motstridende parametere som potens, løselighet, halveringstid, syntetiserbarhet osv.

Det bruker også «vanlig» maskinlæring, men tillegget av en fysikkbasert modell gjør at den kan testes i helt nye felt hvor ingen datasett finnes for å «trene» AI‑en. Dette gjør at Schrödinger (SDGR ) kan gå fra 1 milliard potensielle molekyler til kun 8 solide kandidater på noen dager, utelukkende gjennom digitale beregninger.

Kilde: Schrodinger

Schrödinger signerte med Bayer en 5‑års samarbeidsavtale i 2020 med en inntekt på 10 millioner dollar. Avtalen er for å bruke Schrödingers teknologi sammen med Bayer i silikobaserte prediksjonsmodeller.

Et annet nylig partnerskap er med Lilly i 2022, med opptil 425 millioner dollar i totale milepælsbetalinger for vellykket oppdagelse.

Tidligere samarbeid inkluderte Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol Myers Squibb og andre mindre farmasøytiske selskaper.

Generelt bygger Schrödinger en voksende portefølje, inkludert stadig flere proprietære og fullt eide molekyler. De har for tiden 8 produkter i sin proprietære pipeline, med 2 i fase I av kliniske studier. Og 23 produkter i partnerprogrammer og samarbeid, med 5 i fase I og 3 i fase II av kliniske studier.

Kilde: Schrodinger

Selv om selskapet ennå ikke har inntekter, er det fortsatt ikke lønnsomt, og fokuserer på ekspansjon og FoU‑utgifter for å forbedre teknologien. Det bør ikke være en alvorlig bekymring på kort sikt, da selskapet har flere års driftsmidler i kontanter på balansen.

Det ser også på å ekspandere mot nye segmenter utover legemiddelforskning, som komplekse biopharmasøytika eller til og med materialer som kjemikalier, batterier eller polymerer.

Kilde: Schrodinger

Investorer vil holde øye med de nye samarbeidene, da de vil reflektere fremskrittene i Schrödingers teknologi, vurdert av bransjeledere fra konfidensielle data, samt mulig suksess i å utvide kjerneteknologien til nye markeder.

Med organokatalysatorer og organisk kjemi generelt som tar en økende rolle, vil AI‑modeller som Schrödingers spille en stadig større rolle i utviklingen av nye molekyler og optimaliseringen av ofte tiår gamle kjemiske produksjonsprosesser.