Нобелевская премия окончательно примирила двух конкурентов

Бенджамин Лист и Дэвид Макмиллан работали над одной проблемой в разных концах света независимо друг от друга. Они практически одновременно объявили об открытии органокатализа, и долгое время между ними были трения. Впрочем, за прошедшие с тех пор 20 лет их отношения нормализовались.

Лист и Макмиллан разделят между собой премию в 10 млн шведских крон ($1,14 млн) поровну. Но Макмиллан $1000 из них отдаст Листу. Многие нобелевские лауреаты не верят, когда им сообщают о награждении. Но Макмиллан, похоже, оказался самым большим скептиком. Его разбудило сообщение из Стокгольма, в котором его имя было написано неправильно. Перевернулся на другой бок и заснул. «За эти годы у меня было много озорных коллег аспирантов – я решил, что это розыгрыш», – объяснял он в интервью сайту Нобелевского комитета. Тогда люди из комитета перезвонили Листу и попросили его сообщить Макмиллану о награждении. Лист, кстати, когда ему звонили в первый раз, тоже подумал, что это шутка. Он получил известие, завтракая в кафе в Амстердаме: они с женой поехали послушать 5-ю симфонию Густава Малера в концертном зале Консертгебау.

Макмиллан не поверил и Листу – подумал, что их разыгрывает один и тот же шутник. Или же Лист и есть этот шутник. Макмиллан поспорил с Листом на $1000, что никакой премии им не дали, и снова погрузился в сон. Окончательно он проснулся, когда его телефон буквально разрывался от звонков и сообщений с поздравлениями: о награде было объявлено официально.

Что открыли химики

В ХХ в. ученые были уверены, что есть только два типа катализаторов – металлы и ферменты. Фермент – белковый катализатор, и, как всякий белок, это большая (длинная) молекула. То есть он тоже органический. Но органокатализаторами назвали катализаторы из простых органических соединений. И это, например, та или иная аминокислота, входящая в состав фермента. Использование именно простого соединения в большинстве случаев проще, а часто и безопаснее при производстве вещества – конечного продукта, что особенно важно для лекарств.

В истории открытия органокатализа больше всего удивляет, что до этого никто не додумался вплоть до 2000 г., хотя опыты с участием катализаторов, которые и получили впоследствии отличное от фермента название, проводились до Листа и Макмиллана.

Само открытие катализа уходит корнями в XIX в. Когда химики изучали, как различные вещества взаимодействуют друг с другом, они столкнулись со странными явлениями. Например, если поместить серебро в стакан с перекисью водорода (H2O2), перекись водорода внезапно начинает распадаться на воду (H2O) и кислород (O2). При этом с серебром ничего не происходило. А вещество, полученное из проросших зерен, может расщеплять крахмал до глюкозы. В 1835 г. шведский химик Якоб Берцелиус (1779–1848) свел эти случаи воедино и придумал термин «катализатор».

35% мирового ВВП так или иначе связано с химическим катализом, обращает внимание Нобелевский комитет: он нужен при производстве лекарств, солнечных батарей, легких кроссовок и многого другого. Но у металлических катализаторов есть две специфические проблемы. Порой требуются металлы, вредные для окружающей среды или дорогие (поинтересуйтесь, сколько стоит катализатор в вашем автомобиле). Во-вторых, как говорил Макмиллан журналу Chemistry World, «большинство катализаторов на основе металлов очень чувствительны к кислороду и влаге». Изолировать их от воздуха и воды при промышленном производстве стоит весьма дорого. «Одна из моих любимых вещей в лаборатории – видеть, как мой ученик запускает 40 различных реакций [органосинтеза] на столе, просто набрасывая порошки в реакционные колбы – без использования азота или сухих растворителей [для исключения воздуха и влаги]», – рассказывал Макмиллан.

А общая беда металлов и ферментов состоит в том, что при реакции в конечном веществе часто возникают две симметричные молекулы, которые являются зеркальным отражением друг друга, как наша правая и левая ладони. В подавляющем большинстве случаев нужна только одна молекула, причем или «правая», или «левая». Вторую либо выделяют и выбрасывают, либо оставляют в виде бесполезного балласта в полученном веществе. Именно зеркальная молекула, которую оставили в 1960-х в седативном снотворном фармпрепарате талодомид, привела к рождению тысяч детей с врожденными уродствами. В реакциях с участием органокатализаторов получается лишь одна из двух молекул – поэтому реакцию назвали «асимметричной».

Лист в 2000 г. работал в калифорнийском Научно-исследовательском институте Скриппса с каталитическими антителами. Исследователи хотели изменить обычные антитела так, чтобы они запускали химические реакции в организме. Лист однажды задумался, как на самом деле работают ферменты, огромные молекулы, состоящие из сотен аминокислот. Многие ферменты содержат еще и металлы, которые помогают катализу. Однако другие ферменты как-то обходятся совсем без металлов. Они запускают реакцию с помощью отдельных аминокислот. Лист задался вопросом, должны ли аминокислоты быть частью фермента, чтобы катализировать химическую реакцию? Или одна аминокислота или другие подобные простые молекулы могут выполнять ту же работу самостоятельно?

Лист знал, что в начале 1970-х гг. проводились опыты, в которых в качестве катализатора использовалась аминокислота пролин. Он взял стеклянную колбу, добавил немного пролина и два реагента и оставил на ночь при комнатной температуре. Сделано это было чисто ради интереса, сам испытатель в результат не очень верил. «Если вы делаете что-то, что никто в мире не делает, то это либо очень глупая идея, либо революционная», – говорил он в интервью телекомпании Westdeutscher Rundfunk. Оказалось – революционная. Когда на следующий день Лист пришел в лабораторию, его ждала успешно завершившаяся реакция.

Почему же никто не сделал этого раньше? В сообщении Нобелевского комитета предполагается, что никому в голову не приходило оспорить догму, что катализаторов всего два типа. Ну почти никому. Лист опубликовал сообщение об «асимметричном катализе с использованием органических молекул» в феврале 2000 г. А в январе того же года Макмиллан отправил свою статью о том же типе реакции, только с использованием других веществ, в научный журнал. Макмиллан назвал реакцию броским словом «органокатализ» – оно и прижилось.

С тех пор органокатализ развивается с поразительной скоростью. Он дешевле, экологичнее и эффективнее прежних способов катализа. На сайте Нобелевского комитета приведен пример со стрихнином. Когда его впервые стали синтезировать в 1952 г., требовалось 29 химических реакций и только 0,0009% исходного материала образовывало стрихнин. Остальное было потрачено зря. В 2011 г., используя органокатализ, исследователи уложились в 12 шагов, получив выход материала в 7000 раз больше.

С помощью органокатализа можно выпускать лечебные вещества, которые в противном случае можно было бы выделить только в небольших количествах из редких растений или глубоководных организмов, или же оптимизировать выпуск уже существующих препаратов – Нобелевский комитет приводит в пример пароксетин, который используется для лечения тревоги и депрессии, противовирусный препарат осельтамивир, который используется для лечения респираторных инфекций, и ремдесивир, применяющийся для лечения COVID-19.

Сам Лист в интервью для сайта Общества научных исследований имени Макса Планка рассказывал о такой своей мечте: занавески, ковры, мебельная обивка, в которых есть катализатор, разрушающий грязь. Когда на них попадает вода, катализатор срабатывает и ткань самоочищается. У него в лаборатории уже есть такой образец.

Как Лист чуть не погиб

Лист родился 11 января 1968 г. во Франкфурте-на-Майне. Его прапрадед Якоб Фольхард (1834–1910) был известным химиком, учеником Юстуса фон Либиха. Его прадед Франц Фольхард (1872–1950) был известным нефрологом. А его тетя Христиана Нюслайн-Фольхард в 1995 г. получила Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия в области генетического контроля на ранних стадиях эмбрионального развития.

Родители Листа развелись, когда ему было три года. Свое воспитание Лист называет «антиавторитарным» – его мать давала ему с братьями почти полную свободу. Например, в юном возрасте он мечтал стать музыкантом и начал учиться играть. Но вскоре забросил музыкальный инструмент. Никто и не подумал его поощрить, чтобы он продолжил занятия, или отругать за угасший интерес. Мать исходила из того, что, если музыка ему интересна, он рано или поздно снова ею займется.

Его страсть к химии родилась благодаря наивности. «Когда мне было одиннадцать, я думал, что химики понимают мир. Они знают, из чего состоит материя, из чего сделаны люди, что произойдет в будущем, что движет всеми нами, – у них есть ответы на все важные вопросы, – рассказывал он Westdeutscher Rundfunk. – Потом я понял, что ответов у химии нет. Но как раз это меня и зацепило». Еще школьником Лист устроил дома импровизированную лабораторию и среди прочего экспериментировал там с дымным порохом. «То, что я там творил, было на самом деле незаконно. И хорошо, что никаких серьезных происшествий не случилось», – говорил он журналу Current.

После школы Лист с парой друзей на три месяца отправился путешествовать по Индии. В это время его сверстники выбирали университет и подавали документы. Когда Лист вернулся на родину, времени оставалось в обрез. Он решил, что хочет учиться в Берлине. Позвонил в справочную и попросил дать контакты «Берлинского университета» – по аналогии с существующим в его родном городе Франкфуртским университетом. Но в Берлине-то такого университета не было! «Какой именно берлинский университет вам нужен?» – поинтересовались в справочной. «Дайте любой!» – рассмеялся Лист. Так он попал в Свободный университет Берлина. А потом вернулся продолжать образование во Франкфуртский университет, где влюбился в лекции Иоганна Мульцера, известного специалиста в области синтеза. Диплом Лист посвятил синтезу со сложной формулой – витамина В12, на этом спотыкались люди поопытнее него. Но Лист справился на «отлично».

В 1997 г. Лист поехал на стажировку в США в Институт Скриппса. Через год стало понятно, что работать там ему интересно и он задержится в Америке. В коридоре института ничего не стоило встретить именитого ученого в джинсах и футболке. И со всеми ними без проблем можно было поболтать, поражался Лист. Его девушка переехала к нему из Германии, и они поженились, проведя церемонию венчания на пляже.

Статья Листа в журнале Американского химического общества в 2000 г. о новых катализаторах вызвала бум в научном мире. Через три месяца была опубликована статья Макмиллана об органокатализе. Следом сотни химиков по всему миру бросились проводить эксперименты. Это вообще-то застало Листа и его руководство врасплох. У него была мизерная команда и весьма скромное финансирование. Впрочем, деньги вскоре выделили Национальные институты здравоохранения США (NIH).

В конце 2002 г. в Институте Скриппса читал лекцию глава одной из кафедр немецкого института Макса Планка. Когда Лист подошел поздороваться с соотечественником, тот был поражен: «Как, ты немец?! Ты должен вернуться в Германию! И работать у нас!» Через неделю Лист вылетел в Мюльхайм-на-Руре, чтобы обсудить условия работы. В следующем году он с семьей переехал на родину и вскоре получил кафедру в Институте Макса Планка по исследованию угля, а потом стал одним из его директоров.

Лист мог бы и не получить Нобелевку. Или получить ее посмертно. На Рождество 2004 г. он с женой и сыновьями, трехлетним Тео и пятилетним Полом, отправились в Таиланд. 26 декабря их разбудило легкое землетрясение, о котором быстро позабыли. После завтрака семья в последний раз перед вылетом пошла купаться в бассейн. Внезапно раздался какой-то шелестящий шум, который все усиливался. Люди стали убегать с криками. Лист с женой схватили детей и кинулись вслед: это пришло цунами, одно из самых смертоносных в современной истории.

Они укрылись в домике у бассейна, который немедленно смыло. Поток вырвал руку Пола из руки Листа и унес пятилетнего ребенка. Сам Лист никак не мог выбраться на поверхность. Паники не было, было удивление: «Вот и все? Неужели так рано?» – вспоминал он на сайте института Макса Планка.

В итоге Листу удалось ухватиться за дерево и взобраться на него. Он отделался порезами и серьезной раной на ноге. Пола он считал погибшим. Когда вода схлынула, ему сказали, что видели его жену с ребенком, – значит, хоть один сын спасся. Но к удивлению Листа рядом с женой он обнаружил неопасно раненного бледного Пола. Трехлетнего Тео они так и не нашли.

Их с женой и Полом отправили за 150 км в одну из больниц. Пол не находил себе места и бродил по коридорам, пока в самом дальнем из них вдруг не наткнулся на Тео, сидящего на кровати, у которого было всего лишь несколько царапин. Его нашел и передал врачам какой-то англичанин. «Главное, что я вынес из этого, – осознание того, что действительно важно в жизни. – говорил Лист Westdeutscher Rundfunk. – Не так важно, процитировал ли коллега А меня в своей работе или сколько я зарабатываю. Главное, что я здоров, у меня есть семья и все в порядке».

Среди сотрудников Лист славится своей мягкостью. Даже критикует он так, как советуют психологи: сначала находит, за что похвалить, потом говорит, что надо бы улучшить, а в конце еще раз хвалит. Сам Лист называет этот метод «сэндвич с дерьмом».

Творческий процесс невозможен, когда его участники напряжены. Нужна расслабленность, нужно позволить мыслям течь, считает Лист. Он настоял, чтобы его кафедра переехала на девятый этаж института, где из широких окон открывается отличный вид на окрестности. Он играет в теннис, любит хорошее вино и практикует йогу, с удовольствием для фотографов научных журналов вставая в стойку на руках вниз головой – прямо в костюме и галстуке.

А теперь фотокатализ

Макмиллан – сверстник Листа. Он родился 16 марта 1968 г. в шотландском городе Беллсхилле. В детстве мечтал стать футболистом, но сам осознавал, что играет ужасно. Естествознанием увлекся в старшей школе – этот предмет показался ему самым самым интересным из тех, что преподавали в школе. А в науку попал благодаря отцу. Тот всю жизнь работал металлургом. Старший брат Макмиллана стал первым в роду, кто поступил в колледж. Когда брат получил диплом и устроился на работу, оказалось, что ему каждый месяц платят зарплату чуть ли не больше, чем заработал отец за всю жизнь. Тогда отец позвал к себе Макмиллана и сказал: «Знаешь, тебе надо поступить в университет. Очень надо». Макмиллан ответил «хорошо» и уже в университете влюбился в химию.

Вообще-то Макмиллан поехал в Университет Глазго изучать физику. Но в аудитории, где шли лекции по физике, было очень холодно. А в той, где читали лекции по химии, – намного теплее. Вот он и сменил дисциплину.

Защитив в Глазго докторскую, Макмиллан отправился в Гарвард, где впервые начал заниматься катализом. Оттуда в 1998 г. перешел в Калифорнийский университет в Беркли, где и сделал свое открытие. В июне 2000 г. перебрался в Калифорнийский технологический институт. С 2006 г. работает в Принстонском университете. «Возможности для перспективных исследований и их финансирования оказались в Америке феноменальными», – объяснял он на сайте Принстона. Макмиллан получил гражданство США, правда, от британского гражданства не отказался.

Макмиллан стал пионером, по сути, в двух сферах, сказано на сайте Принстона. Во-первых, это органокатализ. Во-вторых, фотокатализ, которым он занимается последние 15 лет. В нем используется обычный видимый человеку свет. На эту идею Макмиллан наткнулся совершенно случайно, признался он в интервью сайту Университета Небраски-Линкольна: они с коллегами пытались решить какую-то проблему и подумали, может, стоит попробовать фотокатализ? Как и в случае с органокатализом, эксперименты с ним проводились в 1970–1980-х гг., но потом были позабыты. Макмиллан считает, что у фотокатализа большое будущее.

«Такие люди, как я, всегда цинично относятся к наградам и говорят, что они ничего не значат для нас, – пока мы их не получим, – иронизировал Макмиллан в интервью для сайта Королевского химического общества. Он прирожденный рассказчик и любит в разговоре шутить и приправлять речь анекдотами. – И вот тогда мы становимся исключительно счастливы. Это позволяет нам почувствовать, что нас признает широкое сообщество, – прекрасное чувство! Вы занимаетесь делом, которое вам небезразлично, и приятно узнать, что люди тоже считают это ценным».