Pamumuhunan sa mga Tagumpay ng Nobel Prize – Asimetrikong Organokatalisis

Kasaysayan ng Nobel Prize

Ang Nobel Prize ay ang pinaka-prestihiyosong gantimpala sa mundo ng agham. Ito ay nilikha alinsunod sa kalooban ni G. Alfred Nobel upang magbigay ng gantimpala “sa mga nagbigay ng pinakamalaking benepisyo sa sangkatauhan sa nakaraang taon” sa pisika, kimika, pisyolohiya o medisina, panitikan, at kapayapaan.

Isang ikaanim na gantimpala ang kalaunan ay nilikha para sa agham pang-ekonomiya ng Swedish central bank, opisyal na tinatawag na Premyo sa Agham Pang-ekonomiya, na mas kilala bilang Nobel Prize sa Ekonomiks.

Ang desisyon kung sino ang pagkakalooban ng gantimpala ay pag-aari ng maraming institusyong akademiko sa Sweden.

Mga Alalahanin sa Pamana

Ang desisyon na lumikha ng Nobel Prize ay dumating kay Alfred Nobel matapos niyang basahin ang kanyang sariling obituaryo, dahil sa isang pagkakamali ng isang pahayagang Pranses na hindi naunawaan ang balita tungkol sa pagkamatay ng kanyang kapatid. Pinamagatang “Ang Mangangalakal ng Kamatayan ay Patay”, pinuna ng artikulo ng Pranses si Nobel para sa kanyang imbensyon ng mga eksplosibong walang usok, kung saan ang dinamita ang pinakakilalang isa.

Ang kanyang mga imbensyon ay lubos na nakaimpluwensya sa paghubog ng makabagong digmaan, at bumili si Nobel ng isang napakalaking pabrika ng bakal at bakal upang gawing pangunahing tagagawa ng sandata. Bilang una siyang kimiko, inhinyero, at imbentor, napagtanto ni Nobel na hindi niya nais na ang kanyang pamana ay maging isang tao na kilala sa paggawa ng kayamanan mula sa digmaan at kamatayan ng iba.

Nobel Prize

Sa kasalukuyan, ang Kayamanan ni Nobel ay nakatago sa isang pondo na ini-invest upang mag-generate ng kita para pondohan ang Nobel Foundation at ang gintong berde na medalya, diploma, at pananalaping gantimpala na 11 milyong SEK (humigit-kumulang $1M) na ibinibigay sa mga nanalo.

Pinagmulan: Britannica

Kadalasang hinahati ang pera ng Nobel Prize sa ilang nanalo, lalo na sa mga larangang siyentipiko kung saan karaniwan na may 2 o 3 na nangungunang pigura na sabay-sabay na nag-ambag sa isang makasaysayang tuklas.

Sa paglipas ng mga taon, ang Nobel Prize ay naging ANG premyong siyentipiko, sinusubukang balansehin ang teoretikal at napaka-praktikal na mga tuklas. Ito ay nagbigay gantimpala sa mga tagumpay na nagtatag ng pundasyon ng modernong mundo, tulad ng radyoaktibidad, antibiotiko, X-ray, o PCR, pati na rin ang pundamental na agham tulad ng pinagmumulan ng enerhiya ng araw, ang karga ng elektron, istruktura ng atom, o superfluidity.

Ang Paghahanap ng Higit pang mga Katalista

Mula pa sa unang panahon ng kimika, ang mga siyentipiko ay naghanap ng mga paraan upang pabilisin ang mga kemikal na reaksyon o gawing kakaiba ang pag-reaksyon ng mga molekula. Minsan, ito ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagbabago ng pisikal na kondisyon, tulad ng paggamit ng init o presyon. Gayunpaman, para sa ibang mga kemikal na reaksyon, kinakailangan ang mga espesyal na produkto na tinatawag na katalista.

Ang mga katalista ay karaniwang nagpapataas ng posibilidad na mangyari ang isang kemikal na reaksyon, kaya’t pinapataas ang bilis at/o kahusayan nito.

Ang natatangi sa mga katalista ay habang sila ay kasangkot sa kemikal na reaksyon, nananatili silang hindi nagbabago sa dulo nito – sila lamang ang “nagpapadali” ng reaksyon.

Ginagawa nitong madalas nakalimutang haligi ng makabagong mundo ang mga katalista at lubos na mahalaga sa paggawa ng pang-araw-araw na mga produkto tulad ng pinong langis, plastik, mga filter ng hangin, paglilinis ng tubig, mga gamot, pabango, pampalasa, pagkain, atbp.

Sa kabuuan, ang mga katalista ay nag-aambag sa produksyon ng hanggang 35% ng kabuuang GDP ng mundo.

Maraming Uri ng mga Katalista

Ang unang natuklasang aktibidad ng katalista ay nagmula sa mga metal tulad ng pilak, nikel, platinum, palladium, atbp. Gayunpaman, mamahalin ang mga metal na ito. Ang mga metal na katalista ay may mababang selektibidad, ibig sabihin ay maaari nilang pasiglahin ang maraming magkaibang reaksyon.

Bagaman minsan ito ay maaaring maging isang bentahe, hindi ito ang kaso kapag isang tiyak na reaksyon lamang ang nais, tulad ng sa paggawa ng mga gamot.

Isa pang uri ng katalista ay ang mga enzyme. Ang mga protinang ito ay kayang pabilisin ang napaka-tiyak na mga kemikal na reaksyon at halos sila ang mga gear at makina na nagpapatakbo ng buhay mismo.

Ang paghahanda ng purong mga enzyme ay isang mahalagang siyentipikong tagumpay at nagdulot ng Nobel Prize noong 1946. Sa kasalukuyan, karaniwang ginagamit ang mga enzyme sa hindi mabilang na mga prosesong kemikal.

Ang limitasyon ng mga enzyme ay dinisenyo sila ng kalikasan para sa mga tiyak na gawain sa mga buhay na selula. Kaya kapag ang kinakailangang katalisis ay para sa bagay na hindi kaugnay ng biyolohiya, tulad ng paggawa ng plastik, maaaring maging mahirap o imposibleng makahanap ng angkop na enzyme para sa gawain.

Ang mga enzyme ay maaari ring maging marupok at hindi gumagana sa napaka-asidikong kondisyon, halimbawa. Dahil dito, nagkaroon ng matinding pangangailangan para sa mga hindi-metallic, custom-designed na katalista. Dito pumapasok ang mga organokatalista. Sila ay gawa sa karaniwang carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur, at phosphorus ngunit walang metal.

Organokatalista

Noong 2021, ang Nobel Prize sa Kimika ay iginawad kina Benjamin List at David W.C. MacMillan, para sa pag-develop ng asymmetric organocatalysis.

Gaya ng ipinaliwanag, ang mga organokatalista ay gawa sa mura at saganang mga elemento na bumubuo sa batayan ng organikong kimika (nakasentro sa carbon). Ang bahaging “asymmetric” ay mahalaga, dahil sa karamihan ng mga kemikal at biyolohikal na proseso, maaaring magpakita ang mga molekula ng iba’t ibang bersyon, depende sa kanilang simetriya.

Ang mga pagbabagong ito sa oryentasyon ng molekula, na tinatawag ding “chirality”, ay madalas may mahalagang epekto sa kanilang pag-andar. Halimbawa, ang parehong molekula ng limonene ay magkakaiba ang amoy depende sa kung aling panig ito nakaharap.

Pinagmulan: Nobel Prize

Hindi unang natuklasan nina List at MacMillan ang mga organokatalista. May ilang natuklasan nang aksidente pa noong 1912 sa pamamagitan ng quinine catalysis ng produksyon ng cyanohydrins. Pagkatapos, isang quinine-derived na katalista ang ginamit upang magsagawa ng asymmetric catalysis.

Pinagmulan: Nobel Prize

Gayunpaman, sa mahabang panahon, walang balangkas upang maayos na suriin ang mga organokatalista, lalo na ang pagdidisenyo ng mga bago.

Paano Gumagana ang Katalisis?

Karamihan sa mga kemikal na reaksyon ay nangangailangan ng ilang antas ng enerhiya upang maabot sa antas ng molekula, upang mapakampi ang dalawang compound at mag-react. Ang mga katalista ay nagdadala ng mga reagent na mas malapit sa isa’t isa, binabawasan ang enerhiyang kinakailangan at ginagawa ang reaksyon na mas mabilis at mas malamang mangyari.

Pinagmulan: Byjus

Kaya habang ang ilang tiyak na metal ay kayang magdulot ng pagbaba ng antas ng enerhiya dahil sa kanilang likas na katangian ng atom, ang mga amino acid ng mga enzyme ay nagagawa ito sa pamamagitan ng kombinasyon ng kanilang 3D na konpigurasyon at kemikal na katangian.

Kadalasan, iilan lamang ang mga amino acid na tunay na nagsasagawa ng katalitikong reaksyon, habang ang natitirang bahagi ng enzyme ay nagbibigay ng katatagan, pag-aktibo mula sa mga biochemical signal, o iba pang tungkulin.

Pinagmulan: Nobel Prize

Ito ang naging panimulang punto para kay Benjamin List, na nais alamin kung isang maliit na bilang ng mga amino acid, o kahit isang lamang, ang maaaring magsagawa ng katalisis katulad ng buong enzyme.

List Catalysts: Proline & Chirality

Sinimulan ni List ang pagtatrabaho sa isang solong amino acid na tinatawag na proline, na napatunayan nang higit 25 taon na ang nakalilipas noong 1970s na may potensyal na maging katalista. Hindi inaasahan ang napakalakas na reaksyon, ngunit dahil sa pagkamausisa, sinubukan niya ito.

Hindi lamang gumana ang proline bilang katalista, kundi ito ay napakalakas. Sa masusing pagtingin sa reaksyon, natuklasan ni List na ang katalisis ay asymmetrical, kung saan ang isa sa dalawang posibleng imahe ng bagong molekula ay mas malamang mabuo.

Ito ang naglatag ng batayan para sa isang bagong kategorya ng katalista, na tinatawag ng mga kimiko na enamine catalysis, o Lewis base catalysis.

Sa prosesong ito, ang isang nitrogen atom ay nagbabawas ng kinakailangang enerhiya, at ang isang carboxylic acid ay nag-iistablisa ng transition state sa mga intermediate na hakbang ng kemikal na reaksyon.

Pinagmulan: Nobel Prize

MacMillan Catalysts: Iminium Ion

Si MacMillan ay nagtrabaho sa mga metal-based na asymmetric catalyst ngunit napagtanto na ang mga kundisyon para sa mga ito ay bihirang magamit sa industriyal na kapaligiran, kaya ang mga tuklas sa laboratoryo ay bihirang maging kapaki-pakinabang para sa malakihang produksyon ng kemikal.

Sa halip, tiningnan niya kung paano gayahin ang mga batayang mekanismo na ginagamit ng mga metal gamit ang organikong kimika.

Ang mga metal catalyst ay lalo pang aktibo dahil sa kanilang kakayahang pansamantalang magbigay o tumanggap ng mga electron, na nagbabawas ng hadlang para sa isang kemikal na reaksyon.

Upang gayahin ang kakayahang ito gamit ang organikong molekula (na may carbon backbone), hinulaan ni MacMillan mula sa kanyang kaalaman sa kimika na ang perpektong kandidato ay isang iminium ion.

Bilang resulta, ang ganitong uri ng organokatalista ay nakilala bilang iminium ion catalysis/Lewis acid catalysis.

Ang ideya dito ay ang nitrogen atom, na may likas na affinity para sa mga electron, ay maaaring gumanap ng papel ng metal atom sa isang metal catalyst. Ang malalaking pangkat ng kemikal sa paligid ng nitrogen atoms ay pinipilit ang reaksyon na maging asymmetrical.

Pinagmulan: Nobel Prize

Ang Pagsikat ng Organokatalista

Halos sabay na inilathala nina MacMillan at List ang kanilang mga natuklasan noong 2000, kung saan ang salitang naglalarawan sa bagong klase ng katalista ay binuo ni MacMillan.

Sa pamamagitan ng ganap na pagpapaliwanag at pagsisiyasat kung paano ito gumagana, binuksan ng dalawang mananaliksik at ng kanilang mga koponan ang daan para sa sistematikong pag-develop ng organokatalista, kung saan ang mga naunang gawain ay mas madalas na ginawa nang paisa-isa o sa pamamagitan ng mga aksidenteng tuklas.

Ang mga organokatalista ay ngayon matibay na mahalagang bahagi ng industriya ng kimika dahil sa ilang pangunahing kadahilanan:

• Mas mababang gastos, lalo na kapag pinapalitan ang metal-base na katalisis.
• Ang asymmetric production ay napakahalaga para sa kalidad ng huling produkto.
  • Sa kaso ng mga gamot, maaaring ito ay usapin ng buhay o kamatayan, kung saan ang ilang simetriya ng molekula ay kapaki-pakinabang at ang iba ay nakamamatay.
• Posibleng mas maraming gamit, dahil sa karagdagang pag-aaral nina MacMillan at List upang makahanap ng mas maraming uri ng reaksyon na maaaring pabilisin ng enamine at iminium ion.
• Mas environment-friendly na mga prosesong kemikal, dahil ang organokatalista ay kadalasang hindi nakakalason at/o madaling i-recycle.

Mga Tagumpay ng Organokatalista

Isang halimbawa kung gaano kalaki ang maitutulong ng organokatalista sa industriya ng kimika ay ang synthesis ng strychnine.

Ang nakalalasong molekula (ginagamit sa lason para sa daga) ay unang sinintetisa noong 1952 gamit ang prosesong nangangailangan ng 29 na kemikal na reaksyon. Tanging 0.0009% lamang ng orihinal na produkto ang naging nais na strychnine.

Noong 2011, nagawang bawasan ng mga mananaliksik gamit ang organokatalysis ang bilang ng hakbang sa 12 lamang at nakamit ang 7,000 beses na mas epektibong conversion rate.

Ang mass production ng mga komplikadong organikong produkto na kasalukuyang kinukuha mula sa mga halaman o malalim na dagat na organismo ay maaari ring maging mahalaga, kapwa upang mapataas ang availability at mabawasan ang presyo ng mahahalagang produktong panggamot.

Kamalayang Hinaharap

Photocatalysis

Ipinakita ng kalikasan ang isang mahusay na halimbawa ng organokatalista lampas sa mga enzyme: photosynthesis. Sa pamamagitan ng pagsasama ng kakayahan ng mga organikong molekula na maglipat ng electron at ang pagsipsip ng liwanag, ang photosynthesis ay ang pangunahing pinagmumulan ng enerhiya para sa buong biospera ng Daigdig.

Sa hindi direktang paraan, ang photosynthesis ay pati na rin ang pinagmumulan ng mga fossil fuel ngayon, ang mga batayang bloke na ginagamit ng industriya ng petrochemical.

Sa pangangailangang bawasan ang carbon emissions, isang ideal na sitwasyon ay ang pag-develop ng mga organokatalista na maaaring gumamit ng liwanag upang lumikha ng enerhiya, maging ito man ay simpleng asukal o hydrogen.

Sa ganitong paraan, ang sikat ng araw ay direktang ginagamit ng katalista upang paganahin ang nais na kemikal na reaksyon sa halip na unang masipsip ng solar panel, i-convert sa kuryente, at pagkatapos ay gamitin para sa mga prosesong tulad ng electrolysis.

Maaari nitong lubos na bawasan ang gastos ng biofuel, isang kinakailangan kung nais itong maging kompetitibo sa ekonomiya laban sa mga fossil fuel.

AI Molecule Design

May trilyong mga posibleng disenyo ng molekula, kung saan kakaunti lamang ang nasuri sa anumang anyo.

Ang problema sa paggamit ng mga computer upang magsimula ng mga molekulang ito ay kung aasa lamang sa pisika at quantum mechanics, ang mga kalkulasyon ay agad nagiging napakakomplikado para sa anumang may higit sa 5-10 atom.

Sa kasalukuyan, maraming AI system ang dinisenyo upang “hulaan” ang tamang sagot sa halip na magsagawa ng brute-force na kalkulasyon.

Maaaring magbunga ito ng mga bagong potensyal na molekula at disenyo na hindi kailanman mahuhulaan kung hindi ito gagamitin. Ang metodong ito ay nagbibigay na ng mga bunga tulad ng halimbawa AlphaFold mula sa Google para sa protein folding, mga prediksyon tungkol sa bagong molekulang antibiotic activity, o ang AI4Science program ng Microsoft (MSFT ) AI4Science.

Pinagmulan: Microsoft

Malamang na marami pang organokatalista ang hindi pa natutuklasan, at maaaring pabilisin ng AI ang mga inobasyong ito nang radikal, gaya ng tinalakay namin sa “Pagbabago ng Timeline para sa mga Tuklas sa Pamamagitan ng Paggamit ng Artificial Intelligence (AI)”.

Pamumuhunan sa Organokatalista

Ang mga organokatalista ay isang susi sa modernong industriya ng kimika. Ito rin ay lumalaking merkado, inaasahang aabot sa 6.4% CAGR hanggang 2032.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanyang gumagawa ng organokatalista sa pamamagitan ng maraming broker, at dito, sa securities.io, matatagpuan mo ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, UK, at marami pang ibang bansa.

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng tiyak na mga kumpanyang organokatalista, maaari ka ring tumingin sa mga ETF tulad ng iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) o ang Vanguard Materials ETF (VAW) na magbibigay ng mas diversified na exposure upang makinabang sa industriya ng kimika.

Kumpanya ng mga Katalista

1. BASF (BASFY)

Isang higante sa industriya ng kimika, ang BASF ay may mahigit 110,000 na empleyado sa 11 dibisyon na nakagrupo sa 6 na segment: Chemicals, Materials, Industrial Solutions, Surface Technologies, Nutrition & Care, at Agricultural Solutions.

Mahigit 20% ng aktibidad ay nagmumula sa kemikal at plastik at higit 20% mula sa transportasyon. May malakas din itong presensya sa agrikultura at consumer goods.

Pinagmulan: BASF

Ang dibisyon ng katalista ng BASF ay may mahigit 8,000 na empleyado, na may 30 manufacturing sites.

Ang kumpanya ay malaki ang inilalagay sa R&D, na may $2B+ taunang gastusin, na nakakalat sa maraming sektor, ngunit may matinding pokus sa paglikha ng paglago sa sektor ng agrikultura (pesticides, herbicides, at seed treatment).

Pinagmulan: BASF

Ang kadalubhasaan sa plastik at iba pang paggawa ng kemikal ay umaabot hanggang sa nanoscale, partikular na may pamumunuan sa nanoparticulate surface coating, porous materials, at polymers.

Pinagsama sa kadalubhasaan sa mga katalista, malamang na gagawing sentro ng hinaharap na ekonomiya ang BASF batay sa mga inobasyon sa kemikal, baterya, gamot, nanotech, biotech, atbp.

2.  Schrödinger, Inc.

Ang kumpanya ay dalubhasa sa physics-based na mga modelo upang hanapin ang pinakamainam na molekula para sa isang tiyak na layunin, na binabalanse ang magkasalungat na metric tulad ng potency, solubility, half-life, synthesizability, atbp.

Gumagamit din ito ng “normal” machine learning, ngunit ang pagdagdag ng physics-based na modelo ay nagpapahintulot nitong subukan sa ganap na bagong mga larangan kung saan walang dataset na magagamit upang “sanayin” ang AI. Ito ay nagpapahintulot sa Schrödinger (SDGR ) na magpababa mula 1 bilyong posibleng molekula hanggang sa 8 solidong kandidato sa loob ng ilang araw, eksklusibong sa pamamagitan ng digital na kalkulasyon.

Pinagmulan: Schrodinger

Ang Schrödinger ay pumirma ng 5-taong kasunduan sa pakikipagtulungan sa Bayer noong 2020 na may revenue na $10M. Ang kasunduan ay upang gamitin ang teknolohiya ng Schrödinger kasama ang Bayer sa in-silico prediction models.

Isa pang kamakailang pakikipagtulungan ay kasama ang Lilly noong 2022, na may hanggang $425M na kabuuang milestone payments para sa matagumpay na pagtuklas.

Kasama sa mga nakaraang pakikipagtulungan ang Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ) Bristol Myers Squibb, at iba pang mas maliliit na kumpanya ng parmasya.

Sa pangkalahatan, ang Schrödinger ay nagtatayo ng lumalaking portfolio, kabilang ang mas marami at mas maraming proprietary at ganap na pagmamay-ari na mga molekula. Sa kasalukuyan ay may 8 produkto sa kanilang proprietary pipeline, na may 2 nasa phase I ng clinical trials. At 23 produkto sa mga partnered programs at collaborations, na may 5 nasa phase I at 3 nasa phase II ng clinical trials.

Pinagmulan: Schrodinger

Bagaman hindi pa kumikita, ang kumpanya ay hindi pa kumikita, nakatuon sa pagpapalawak at gastusin sa R&D upang mapabuti ang teknolohiya nito. Hindi ito dapat maging seryosong alalahanin sa maikling termino, dahil ang kumpanya ay may ilang taon ng operasyon na cash sa balance sheet nito.

Nagbabalak din itong palawakin ang saklaw patungo sa mga bagong segment lampas sa drug discovery, tulad ng komplikadong biopharmaceuticals o kahit mga materyales tulad ng kemikal, baterya, o polymers.

Pinagmulan: Schrodinger

Ang mga mamumuhunan ay nais na subaybayan ang mga bagong pakikipagtulungan, dahil ito ay magpapakita ng pag-unlad ng teknolohiya ng Schrödinger, na sinusuri ng mga lider sa industriya mula sa kumpidensyal na datos, pati na rin ang posibleng tagumpay sa pagpapalawak ng pangunahing teknolohiya sa mga bagong merkado.

Sa pagkuha ng mas malaking papel ng mga organokatalista at pangkalahatang organikong kimika, ang mga AI model tulad ng kay Schrödinger ay magkakaroon ng lumalaking papel sa pag-develop ng mga bagong molekula at pag-optimize ng mga prosesong kemikal na madalas dekada na ang edad.