Il Nobel per la Chimica a Benjamin List e David W.C. MacMillan

Il Premio Nobel per la Chimica è stato assegnato a Benjamin List e David W.C. MacMillan “per lo sviluppo dell’organocatalisi asimmetrica”, un sistema per costruire molecole che ha avuto un grande impatto nella ricerca farmaceutica e dei materiali.

La costruzione di nuove molecole è essenziale per gli sviluppi scientifici e tecnologici in numerosi ambiti, sia della ricerca sia industriali. Una nuova molecola può rivelarsi utile per migliorare il funzionamento dei pannelli solari, per rendere più efficienti le batterie elettriche o ancora per tenere sotto controllo particolari malattie. Riuscire a farlo e a produrla su larga scala non è però semplice e per lungo tempo la capacità di sintetizzare molecole innovative è rimasta indietro, con capacità incomparabili con quelle dei processi naturali.

Nel corso di milioni di anni, l’evoluzione ha portato alla formazione di particolari strumenti, gli enzimi, che si occupano di produrre gli aggregati molecolari determinanti per la vita. Imitarne il funzionamento è molto difficile, ma nel corso del Novecento i ricercatori sono diventati sempre più abili nel trarre ispirazione dagli enzimi per ottenere strumenti che fossero utili nella produzione delle molecole.

In questo senso, il lavoro di List e MacMillan fu decisivo nel migliorare le capacità di costruzione a livello molecolare e nel semplificare la produzione di molecole asimmetriche, più difficili da ottenere. Molte molecole esistono in due varianti, dove una è la versione allo specchio dell’altra: non è una differenza da poco, perché a livello molecolare la forma contribuisce a determinare la funzione. Lo sanno bene i ricercatori, quando si trovano a dover sviluppare una nuova molecola e hanno la necessità di utilizzare solo una delle due versioni. I Nobel per la Chimica di quest’anno hanno avuto il merito di semplificare questo processo, aprendo nuove importanti opportunità nello sviluppo e nella produzione delle molecole.

Per comprenderne la portata, occorre fare un breve ripasso di chimica su catalisi e catalizzatori.

Se si immerge una barretta di argento in un contenitore in cui è stato versato del perossido di idrogeno (acqua ossigenata, H₂O₂), avviene una reazione che fa ottenere acqua (H₂O) e ossigeno (O₂). L’argento, che ha attivato la reazione, non viene consumato dal procedere della reazione stessa: fa da catalizzatore, producendo una catalisi (dal greco “rompere”, “sciogliere”). Questo fenomeno avviene con migliaia di sostanze e da quando fu scoperto nell’Ottocento ha permesso ai chimici di lavorare con le molecole, assemblandole per produrre farmaci, materiali e numerosi altri prodotti che fanno parte del nostro quotidiano.

Fino a 20 anni fa circa, tutti i catalizzatori scoperti appartenevano o ai metalli o agli enzimi. I primi sono ottimi catalizzatori perché possono acquisire o cedere temporaneamente elettroni ad altre molecole nel corso delle reazioni chimiche, favorendo quindi la rottura e la formazione di nuovi legami tra gli atomi che costituiscono le molecole. Vari metalli hanno però dei limiti: non sono buoni catalizzatori in presenza di acqua e ossigeno, e questo ha reso difficile il loro impiego in particolari ambienti e soprattutto su scala industriale.

A differenza dei metalli, gli enzimi sono catalizzatori che derivano dagli esseri viventi. Ce ne sono a migliaia che regolano la vita delle specie, compresa la nostra, anche ora mentre state leggendo questo articolo. Alcuni enzimi sono specializzati nella catalisi asimmetrica, si dedicano cioè alla produzione di molecole che sono sempre speculari. Spesso collaborano tra loro, come in una sorta di catena di montaggio, passandosi le molecole man mano che le costruiscono, rendendole sempre più complesse e mantenendo al tempo stesso un alto livello di precisione.

Quando divennero chiare le qualità degli enzimi, i ricercatori pensarono che valesse la pena provare a imitarle il più possibile per migliorare lo sviluppo delle nuove molecole. Negli anni Novanta, Benjamin List si dedicò allo studio degli enzimi partendo da alcune considerazioni: sono grandi molecole costituite da centinaia di aminoacidi e molti di loro comprendono anche metalli che li aiutano a svolgere i processi chimici, ma non tutti. List si chiese che cosa ci fosse di diverso negli enzimi che catalizzano le reazioni chimiche senza i metalli, notando che la loro assenza veniva compensata da specifici aminoacidi. Cercò quindi di capire se fosse sufficiente un aminoacido per la catalisi, a prescindere dall’enzima.

Si imbatté nella prolina, un aminoacido che negli anni Settanta era stato sperimentato come catalizzatore, ma con scarsi successi. List riprese quegli studi e testò la prolina in una reazione chimica piuttosto semplice, notando con sua sorpresa che l’aminoacido faceva al caso suo. Con i suoi esperimenti e studi successivi, List dimostrò che la prolina è un valido catalizzatore. List comprese le enormi potenzialità della prolina, uno strumento più semplice ed economico rispetto ai metalli e agli enzimi, nella produzione delle molecole.

MacMillan alla fine degli anni Novanta stava lavorando a sistemi per migliorare la catalisi asimmetrica utilizzando i metalli, di grande interesse per la ricerca, ma con scarse ricadute in ambito industriale a causa degli alti costi e delle difficoltà per sfruttare i nuovi catalizzatori nei processi produttivi. Abbandonò i metalli, dedicandosi allo sviluppo di molecole organiche (quindi con carbonio) che potessero sostituirli. Non era il primo a provarci, ma MacMillan riuscì a sviluppare un metodo che può essere impiegato per produrre catalizzatori basati su piccole molecole organiche: lo chiamò organocatalisi asimmetrica.

Benjamin List e David MacMillan scoprirono indipendentemente un nuovo sistema per la catalisi, aprendo un periodo molto fecondo nello sviluppo e nella produzione di nuove molecole. In pochi anni è stata realizzata un’enorme quantità di organocatalizzatori, impiegati in innumerevoli ambiti e per varie reazioni chimiche. Possono essere inoltre combinati tra loro, per produrre reazioni a catena che semplificano ulteriormente i processi produttivi e riducono la produzione di rifiuti tossici nelle produzioni industriali.

Quando fu sintetizzata nei primi anni Cinquanta, la stricnina richiedeva 29 diverse reazioni chimiche per essere prodotta, e solo lo 0,0009 per cento del materiale iniziale diventava il prodotto finito, il resto erano scarti. Sfruttanto l’organocatalisi e una reazione a catena, nel 2011 è stato possibile ridurre le reazioni chimiche necessarie a 12 e con un processo di produzione 7mila volte più efficiente rispetto a quello di 60 anni prima. In ambito farmaceutico, l’organocatalisi dà la possibilità di avere un controllo molto più alto nel processo produttivo delle molecole, riducendo i rischi di effetti avversi e accelerando allo stesso tempo la produzione dei farmaci.

Benjamin List ha 53 anni ed è nato a Francoforte (Germania), dove conseguì il proprio dottorato di ricerca nel 1997. Attualmente dirige il Max-Planck-Institut für Kohlenforschung dedicato alle ricerche sulla catalisi.

David W.C. MacMillan ha 53 anni ed è nato a Bellshill (Regno Unito). Ha conseguito il dottorato nel 1996 presso l’Università della California, Irvine, ed è docente presso l’Università di Princeton, negli Stati Uniti.