वर्ष 2022 का रसायन नोबेल पुरस्कार केरोलिन आर. बेर्तोज़ज़ी (Carolyn R. Bertozzi), मोर्टन मैडल (Morten Meldal) तथा के. बैरी शार्प्लेस (K. Barry Sharpless) को दिया गया है. नोबेल कमेटी के अनुसार इस वर्ष का रसायन नोबेल पुरस्कार अणु निर्माण के नए उपकरण के लिए दिया गया है. इस वर्ष का नोबेल पुरस्कार जिस कार्य पर दिया गया है वह कहता है कि क्लिक करें – और अणु एक साथ जुड़ जाते हैं और नया वांछित अणु बनता है.
रसायन विज्ञान 2022 का नोबेल पुरस्कार कठिन प्रक्रियाओं को आसान बनाने के बारे में है. बैरी शार्पलेस और मोर्टन मेल्डल ने रसायन विज्ञान के एक कार्यात्मक रूप की नींव रखी है – ‘क्लिक करें रसायन विज्ञान (click chemistry)’ – जिसमें आणविक संरचना के मूलभूत भाग जल्दी और कुशलता से एक साथ प्रतिक्रिया करते हैं. कैरोलिन बर्टोज़ी ने क्लिक केमिस्ट्री को एक नए आयाम में ले लिया है और जीवित जीवों में इसका उपयोग करना शुरू कर दिया है.
रसायनज्ञ लंबे समय से तेजी से जटिल अणुओं के निर्माण करने की विधियों की खोज में लगे हैं. दवा निर्माण (फार्मास्युटिकल अनुसंधान) में, अक्सर औषधीय गुणों के साथ कृत्रिम रूप से प्राकृतिक अणुओं को फिर से बनाना शामिल होता है. इससे कई सराहनीय आणविक निर्माण हुए हैं, लेकिन ये आम तौर पर समय लेने वाले और उत्पादन के लिए बहुत महंगे होते हैं. अधिक समय लेने वाली प्रक्रिया और अधिक लागत से ये प्रभावी नहीं होते हैं.
बहुत ही सरल शब्दों में इसे ऐसे मान सकते हैं, आपके सामने बच्चों के खेलने वाले लीगो ब्लॉक्स है, आप उनमें से मनचाहे ब्लॉक्स पर क्लिक करते हैं और मनचाही आकृति बन जाती है. अब आप रसायन शास्त्र में लीगो ब्लॉक्स की जगह निर्माण कार्य के मूलभूत अणु ले लें और इस प्रक्रिया से वांछित विशाल अणु बनाये, जिसे आप दवा निर्माण या औद्योगिक रसायन विज्ञान में प्रयोग कर सकते हैं. रसायन विज्ञान के लिए नोबेल समिति के अध्यक्ष जोहान क्विस्ट कहते हैं –
‘रसायन विज्ञान में इस साल का पुरस्कार आसान और सरल चीज़ों के साथ काम करने के बजाय जटिल मामलों से संबंधित नहीं है. यहां समर्पित है एक सीधे और सरल मार्ग अपना कर भी कार्यात्मक अणुओं का निर्माण करने के लिए.’
बैरी शार्पलेस – जिन्हें अब रसायन विज्ञान में अपना दूसरा नोबेल पुरस्कार दिया जा रहा है – ने सारी प्रक्रिया का आरम्भ किया. वर्ष 2000 के आसपास, उन्होंने क्लिक केमिस्ट्री की अवधारणा को गढ़ा, जो कि एक सरल और विश्वसनीय रसायन विज्ञान का एक रूप है, इसमें प्रतिक्रियाएं जल्दी होती हैं और अवांछित उप-उत्पादों से बचा जाता है.
कुछ ही समय बाद, मोर्टन मेल्डल और बैरी शार्पलेस – एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से इस विधि को खोजा, यह प्रक्रिया अब क्लिक रसायन विज्ञान का शीर्ष है, इस प्रक्रिया का नाम है : ताम्बा उत्प्रेरित एज़ाइड-एल्काइन साइक्लोडडिशन (he copper catalysed azide-alkyne cycloaddition). यह एक सुंदर और कुशल रासायनिक प्रतिक्रिया है जो अब व्यापक उपयोग में है. कई अन्य उपयोगों में, इसका उपयोग फार्मास्यूटिकल्स के विकास में, डीएनए की मैपिंग और उद्देश्य के लिए अधिक उपयुक्त सामग्री बनाने के लिए किया जाता है.
कैरोलिन बर्टोज़ी ने क्लिक केमिस्ट्री को एक नए स्तर पर पहुंचाया. कोशिकाओं की सतह पर महत्वपूर्ण लेकिन मायावी या चमत्कारिक जैव-अणुओं ग्लाइकॉन को मैप करने के लिए, जीवित जीवों के अंदर काम करने वाली क्लिक प्रतिक्रियाएं विकसित की. उसकी बायोऑर्थोगोनल प्रतिक्रियाएं कोशिका के सामान्य रसायन विज्ञान को बाधित किए बिना होती है.
इन प्रतिक्रियाओं का उपयोग अब विश्व स्तर पर कोशिकाओं का पता लगाने और जैविक प्रक्रियाओं को ट्रैक करने के लिए किया जाता है. बायोऑर्थोगोनल प्रतिक्रियाओं का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने कैंसर दवा निर्माण के लक्ष्यीकरण में सुधार किया है, जिनका अब कैंसर जांच परीक्षणों में प्रयोग किया जा रहा है.
क्लिक केमिस्ट्री और बायोऑर्थोगोनल प्रतिक्रियाओं ने रसायन को कार्यात्मकता के युग में ले लिया है. यह मानव जाति के लिए सबसे बड़ा लाभ ला रहा है.
- कैरोलिन आर. बर्टोज़ी, जिनका जन्म 1966 में यूएसए में हुआ था, 1993 में यूसी बर्कले, सीए, यूएसए से पीएचडी की. वर्त्तमान में स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी, सीए, यूएसए में ऐनी टी. और रॉबर्ट एम. बास प्रोफेसर.
- मोर्टन मेल्डल, 1954 में डेनमार्क में पैदा हुए. 1986 में डेनमार्क के तकनीकी विश्वविद्यालय, लिंगबी, डेनमार्क से पीएचडी की. वर्त्तमान में कोपेनहेगन विश्वविद्यालय, डेनमार्क के प्रोफेसर.
- के. बैरी शार्पलेस, 1941 में फिलाडेल्फिया, पीए, यूएसए में पैदा हुए. 1968 में स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी, सीए, यूएसए से पीएचडी की । वर्तमान में स्क्रिप्स रिसर्च, ला जोला, सीए, यूएसए में W. M. Keck प्रोफेसर.
विस्तृत तकनीकी जानकारी
उनका प्रायोगिक/कार्यात्मक रसायन रूप से कार्यक्षम है.
कभी-कभी सरल उत्तर सबसे बेहतर होते हैं. बैरी शार्पलेस और मोर्टन मेल्डल को 2022 के रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया क्योंकि उन्होंने रसायन विज्ञान को कार्यात्मकता के युग में लाया और ‘क्लिक रसायन विज्ञान’ की नींव रखी. उन्हें कैरोलिन बर्टोज़ी के साथ नोबेल पुरस्कार दिया गया हैं, जिन्होंने क्लिक केमिस्ट्री को एक नए आयाम में पहुंचाया और कोशिकाओं को मैप करने के लिए इसका उपयोग करना शुरू कर दिया. उनकी बायोऑर्थोगोनल प्रतिक्रियाएं अब कई अन्य अनुप्रयोगों के साथ अधिक लक्षित कैंसर उपचार में योगदान दे रही हैं.
अठारहवीं शताब्दी में आधुनिक रसायन विज्ञान के जन्म के बाद से, कई रसायनज्ञों ने प्रकृति को अपने आदर्श के रूप में इस्तेमाल किया है. जीवन ही रासायनिक जटिलता पैदा करने की प्रकृति की सर्वोच्च क्षमता का अंतिम प्रमाण है. पौधों, सूक्ष्मजीवों और जानवरों में पाए जाने वाले शानदार आणविक संरचनाओं ने शोधकर्ताओं को कृत्रिम रूप से समान अणुओं के निर्माण की कोशिश करने के लिए प्रेरित किया है. प्राकृतिक अणुओं की नकल करना भी अक्सर औषधि उद्योग के विकास में एक महत्वपूर्ण हिस्सा रहा है, क्योंकि उनमें से कई दवाएं प्राकृतिक पदार्थों से प्रेरित हैं.
रसायन विज्ञान में सदियों के संचित ज्ञान ने इसका मूल्य प्रमाणित किया है. उनके द्वारा विकसित परिष्कृत उपकरणों का उपयोग करके, रसायनज्ञ अब अपनी प्रयोगशालाओं में सबसे आश्चर्यजनक और मनचाहा अणु बना सकते हैं. हालांकि, एक चुनौतीपूर्ण समस्या यह है कि जटिल अणुओं को कई चरणों में बनाया जाता है, प्रत्येक चरण में अवांछित उप-उत्पाद पैदा होते हैं – कभी-कभी बहुत अधिक और कभी-कभी कम.
प्रक्रिया जारी रहने से पहले इन उप-उत्पादों को हटा दिया जाता है लेकिन इस प्रक्रिया में निर्माण सामग्री का नुकसान इतना अधिक हो जाता है कि वास्तविक वांछित सामग्री बहुत न्यून मात्रा में बनती है. रसायनज्ञ अक्सर अपने चुनौतीपूर्ण लक्ष्यों को प्राप्त करते हैं, लेकिन वह रास्ता समय लेने वाला और महंगा दोनों हो सकता है. 2022 का रसायन विज्ञान नोबेल पुरस्कार नए रासायनिक आदर्शों को खोजने और सरलता और कार्यक्षमता को प्राथमिकता देने के बारे में है.
The #NobelPrize in Chemistry 2022 is about making difficult processes easier. Click chemistry and bioorthogonal reactions have taken chemistry into the era of functionalism. pic.twitter.com/hsNEBHDZ2U
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 5, 2022
रसायन विज्ञान ने कार्यात्मकता के युग में प्रवेश किया
बैरी शार्पलेस, जिन्हें अब रसायन विज्ञान में अपने दूसरे नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया जा रहा है, इस क्रांतिकारी यात्रा की शुरुआत की थी. पिछली सदी के अंत के आसपास, उन्होंने रसायन विज्ञान के एक कार्यात्मक रूप के लिए ‘क्लिक रसायन विज्ञान’ की अवधारणा को गढ़ा, जहां आणविक निर्माण की मूलभूत इकाइयां एक दूसरे से जल्दी और कुशलता से एक साथ प्रतिक्रिया करते हैं. इस यात्रा में उस समय तेजी आई जब मोर्टन मेल्डल और बैरी शार्पलेस – एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से: तांबा उत्प्रेरित एज़ाइड-एल्किन साइक्लोडोडिशन प्रक्रिया का आविष्कार किया. यहां प्रक्रिया इस विधि का सबसे बड़ी उपलब्धि रही है.
कैरोलिन बर्टोज़ी ने ऐसी क्लिक प्रतिक्रियाएं विकसित की जिनका उपयोग जीवित जीवों के अंदर किया जा सकता है. उसकी बायोऑर्थोगोनल प्रतिक्रियाएं – जो कोशिका के आंतरिक सामान्य रसायन विज्ञान को प्रभावित नहीं करती हैं, इन प्रतिक्रियाओं का उपयोग विश्व स्तर पर मैप करने के लिए किया जाता है कि कोशिकाएं कैसे कार्य करती हैं. कुछ शोधकर्ता अब इस बात की जांच कर रहे हैं कि इन प्रतिक्रियाओं का उपयोग कैंसर के निदान और उपचार के लिए कैसे किया जा सकता है.
शार्पलेस का मानना है कि केमिस्ट को नए मानकों की जरूरत है
हम 2001 में वापिस जाते हैं जब बैरी शार्पलेस को रसायन विज्ञान में अपना पहला नोबेल पुरस्कार मिला था. उन्होंने एक वैज्ञानिक पत्रिका में रसायन विज्ञान में एक नए और न्यूनतर दृष्टिकोण के लिए तर्क दिया था. उस समय क्लिक केमेस्ट्री की अवधारणा भी नहीं था. उनका मानना था कि रसायनज्ञों के लिए प्राकृतिक अणुओं की नकल करना बंद करने का समय आ गया है. इसके परिणामस्वरूप अक्सर आणविक निर्माण होते थे, जिन्हें नियंत्रण करना बहुत मुश्किल था, जो नई औषधि के विकास में बाधा है.
यदि प्रकृति में एक संभावित औषधि पाई जाती है, तो उस पदार्थ की छोटी मात्रा को अक्सर इन विट्रो परीक्षण और नैदानिक परीक्षणों के लिए निर्मित किया जा सकता है. हालांकि, अगर बाद के चरण में औद्योगिक उत्पादन की आवश्यकता होती है, तो उत्पादन क्षमता का एक उच्च स्तर आवश्यक है. उदाहरण के तौर पर शार्पलेस ने एक शक्तिशाली एंटीबायोटिक, मेरोपेनेम का इस्तेमाल किया. बड़े पैमाने पर अणु के उत्पादन का तरीका खोजने के लिए छह साल के रासायनिक विकास कार्य आवश्यक थे.
कृत्रिम तरीकों से अणु निर्माण प्रक्रिया महंगी है
बैरी शार्पलेस के अनुसार, रसायनज्ञों के लिए एक बाधा, कार्बन परमाणुओं के बीच के बंधन थे जो जीवन के रसायन विज्ञान के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं. सिद्धांत रूप में, सभी जैव-अणुओं में जुड़े कार्बन परमाणुओं की रूपरेखा होती है. जीवन ने इन्हें बनाने के तरीके विकसित किए हैं, लेकिन यह रसायनज्ञों के लिए बेहद मुश्किल साबित हुआ है. इसका कारण यह है कि विभिन्न अणुओं से कार्बन परमाणुओं में अक्सर एक दूसरे के साथ बंधन बनाने के लिए रासायनिक इच्छा या शक्ति की कमी होती है, इसलिए उन्हें कृत्रिम रूप से सक्रिय करने की आवश्यकता होती है. इस सक्रियण से अक्सर कई अवांछित प्रतिक्रियाएं होती हैं और जिससे निर्माण सामग्री का महंगा नुकसान होता है, बहुत सामग्री सह उत्पादों के रूप में बर्बाद हो जाती है.
एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए अनिच्छुक कार्बन परमाणुओं को रोकने की कोशिश करने के बजाय, बैरी शार्पलेस ने अपने सहयोगियों को छोटे अणुओं के साथ शुरू करने के लिए प्रोत्साहित किया, जिनमें पहले से ही एक पूर्ण कार्बन फ्रेम था. फिर इन सरल अणुओं को नाइट्रोजन परमाणुओं या ऑक्सीजन परमाणुओं के पुलों का उपयोग करके एक साथ जोड़ा जा सकता है, जिन्हें नियंत्रित करना आसान होता है. यदि रसायनज्ञ साधारण अभिक्रियाएं चुनते हैं – जहां अणुओं को एक साथ बंधने के लिए एक मजबूत आंतरिक शक्ति है – वे सामग्री के न्यूनतम नुकसान के साथ कई अनुपयोगी प्रतिक्रियाओं से बचते हैं.
रसायन विज्ञान पर क्लिक करें – विशाल क्षमता के साथ कार्यात्मक हरित रसायन (Green Chemistry)
बैरी शार्पलेस ने अणुओं के निर्माण के लिए इस मजबूत विधि को क्लिक रसायन शास्त्र कहा कि भले ही क्लिक रसायन प्राकृतिक अणुओं की सटीक प्रतियां प्रदान नहीं कर सकता है, फिर भी समान कार्यों को पूरा करने वाले अणुओं को ढूंढना संभव होगा. सरल रासायनिक बिल्डिंग ब्लॉक्स के संयोजन से अणुओं की लगभग अंतहीन विविधता बनाना संभव हो जाता है, इसलिए उन्हें विश्वास था कि क्लिक केमिस्ट्री ऐसी औषधियां उत्पन्न कर सकती है जो प्रकृति में पाए जाने वाले उद्देश्य के लिए उपयुक्त थीं, और जिन्हें औद्योगिक पैमाने पर उत्पादित किया जा सकता था.
2001 से अपने प्रकाशन में, शार्पलेस ने कई मानदंडों को सूचीबद्ध किया, जिन्हें क्लिक रसायन कहा जाने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए पूरा किया जाना चाहिए. इनमें से एक यह है कि प्रतिक्रिया ऑक्सीजन और पानी की उपस्थिति में होने में सक्षम होनी चाहिए, जो एक सस्ता और पर्यावरण के अनुकूल विलायक है.
उन्होंने कई मौजूदा प्रतिक्रियाओं के उदाहरण भी प्रदान किए, जिनके बारे में उनका मानना था कि उन्होंने अपने द्वारा निर्धारित नए आदर्शों को पूरा किया. हालांकि, अभी तक किसी को भी उस शानदार प्रतिक्रिया के बारे में नहीं पता था जो अब लगभग क्लिक केमिस्ट्री का पर्याय बन गई है – ताम्बा उत्प्रेरित एज़ाइड-एल्काइन साइक्लोडडिशन, यह डेनमार्क की एक प्रयोगशाला में खोजा जाने वाला था.
क्लिक प्रतिक्रिया जिसने बदल दी रसायन दुनिया
ताम्बा आयनों को जोड़ने पर एज़ाइड्स और एल्काइन्स बहुत कुशलता से प्रतिक्रिया करते हैं. इस प्रतिक्रिया का उपयोग अब विश्व स्तर पर अणुओं को एक साथ सरल तरीके से जोड़ने के लिए किया जाता है.
The 2022 #NobelPrize laureates in chemistry Barry Sharpless and Morten Meldal have laid the foundation for a functional form of chemistry – click chemistry – in which molecular building blocks snap together quickly and efficiently. pic.twitter.com/uHCEQI59Zv
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 5, 2022
मेल्डल की प्रतिक्रिया पात्र में एक अप्रत्याशित पदार्थ
निर्णायक वैज्ञानिक प्रगति का एक बड़ा अवसर तब होता है जब शोधकर्ता कम से कम इसकी उम्मीद करते हैं, और मोर्टन मेल्डल के लिए यही मामला था. इस सदी के शुरुआती वर्षों में, वे संभावित औषधि पदार्थ खोजने के तरीकों का विकास कर रहे थे. उन्होंने विशाल आणविक ढांचो के समूहों के कैटेलॉग का निर्माण किया, जिसमें सैकड़ों हजारों विभिन्न पदार्थ शामिल हो सकते हैं, और फिर उन सभी को यह देखने के लिए जांचा कि उनमें से कोई भी रोगजनक प्रक्रियाओं को अवरुद्ध कर सकता है या नहीं.
ऐसा करते हुए, एक दिन उन्होंने और उनके सहयोगियों ने पूरी तरह से नियमित प्रतिक्रिया की. आपको इस सोच को याद रखने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन उनका उद्देश्य एक एसाइल हैलाइड के साथ एक एल्काइन की प्रतिक्रिया करना था. प्रतिक्रिया आमतौर पर सुचारू रूप से चलती है, जब तक कि रसायनज्ञ कुछ तांबे के आयन और शायद एक चुटकी पैलेडियम उत्प्रेरक के रूप में जोड़ते हैं. लेकिन जब मेल्डल ने विश्लेषण किया कि प्रतिक्रिया पात्र में क्या हुआ, तो उन्होंने कुछ अप्रत्याशित पाया. यह पता चला कि एल्काइन ने एसाइल हैलाइड अणु के गलत सिरे से प्रतिक्रिया की थी. विपरीत छोर पर एक रासायनिक समूह था, जिसे एज़ाइड कहा जाता था (ऊपर सचित्र). एल्काइन के साथ, एज़ाइड ने एक अंगूठी के आकार की एक ट्राईज़ोल संरचना बनाई.
ये प्रतिक्रिया कुछ खास थी
जो लोग कुछ रसायन विज्ञान को समझते हैं, वे जान सकते हैं कि ट्राईज़ोल उपयोगी रासायनिक संरचनाएं हैं; वे स्थिर हैं और कुछ औषधी, रंजक और कृषि रसायनों में अन्य चीजों के साथ पाए जाते हैं क्योंकि ट्राईज़ोल वांछनीय रासायनिक निर्माण खंड हैं, शोधकर्ताओं ने पहले उन्हें एल्काइन्स और एज़ाइड्स से बनाने की कोशिश की थी, लेकिन इससे अवांछित उप-उत्पाद सामने आए थे.
मोर्टन मेल्डल ने महसूस किया कि तांबे के आयनों ने प्रतिक्रिया को नियंत्रित किया था, जिससे सिद्धांत रूप में, केवल एक पदार्थ का गठन हुआ. यहां तक कि एसाइल हैलाइड – जो वास्तव में एल्काइन से बंधा होना चाहिए था – प्रतिक्रिया पात्र में कमोबेश अछूता रहा. इसलिए मेल्डल के लिए यह स्पष्ट था कि एज़ाइड और एल्काइन के बीच की प्रतिक्रिया कुछ असाधारण थी.
उन्होंने पहली बार जून 2001 में सैन डिएगो के एक संगोष्ठी में अपनी खोज प्रस्तुत की. अगले वर्ष, 2002 में, उन्होंने एक वैज्ञानिक पत्रिका में एक लेख प्रकाशित किया, जिसमें दिखाया गया कि प्रतिक्रिया का उपयोग कई अलग-अलग अणुओं को एक साथ बंधने के लिए किया जा सकता है.
अणु जल्दी और कुशलता से एक साथ प्रतिक्रिया करते हैं
उसी वर्ष – मोर्टन मेल्डल से स्वतंत्र – बैरी शार्पलेस ने भी एज़ाइड्स और एल्काइन्स के बीच कॉपर उत्प्रेरित प्रतिक्रिया के बारे में एक शोध पात्र प्रकाशित किया, जिसमें दिखाया गया कि प्रतिक्रिया पानी में काम करती है और विश्वसनीय है. उन्होंने इसे ‘आदर्श’ क्लिक प्रतिक्रिया के रूप में वर्णित किया. एजाइड एक लोडेड स्प्रिंग की तरह है, जहां कॉपर आयन द्वारा बल छोड़ा जाता है. प्रक्रिया मजबूत है और शार्पलेस ने प्रस्तावित किया कि रसायनज्ञ विभिन्न अणुओं को आसानी से जोड़ने के लिए प्रतिक्रिया का उपयोग कर सकते हैं. उन्होंने इसकी क्षमता को अपार बताया. पीछे मुड़कर देखने पर, हम देख सकते हैं कि वे सही थे. यदि रसायनज्ञ दो अलग-अलग अणुओं को जोड़ना चाहते हैं, तो वे अब अपेक्षाकृत आसानी से, एक अणु में एक एज़ाइड और दूसरे में एक एल्केनी पेश कर सकते हैं. फिर वे कुछ तांबे के आयनों की मदद से अणुओं को एक साथ जोड़ते हैं.
नई सामग्री बनाने के लिए क्लिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग किया जा सकता है
इस सरलता ने अनुसंधान प्रयोगशालाओं और औद्योगिक विकास दोनों में इस प्रतिक्रिया को काफी लोकप्रिय बना दिया है. अन्य बातों के अलावा, क्लिक प्रतिक्रियाएं उद्देश्य के लिए उपयुक्त नई सामग्रियों के उत्पादन की सुविधा प्रदान करती हैं. यदि कोई निर्माता प्लास्टिक या फाइबर में क्लिक करने योग्य एजाइड जोड़ता है, तो बाद के चरण में सामग्री को बदलना सीधा है; उन पदार्थों में क्लिक करना संभव है जो बिजली का संचालन करते हैं, सूर्य के प्रकाश को पकड़ते हैं, जीवाणुरोधी होते हैं, पराबैंगनी विकिरण से बचाते हैं या अन्य वांछनीय गुण रखते हैं. सॉफ़्नर को प्लास्टिक में भी क्लिक किया जा सकता है, इसलिए वे बाद में लीक नहीं होते हैं. फ़ार्मास्यूटिकल अनुसंधान में, क्लिक केमिस्ट्री का उपयोग उन पदार्थों के उत्पादन और अनुकूलन के लिए किया जाता है, जो संभावित रूप से फ़ार्मास्यूटिकल बन सकते हैं.
क्लिक केमिस्ट्री क्या हासिल कर सकती है, इसके कई उदाहरण हैं. हालांकि, बैरी शार्पलेस ने जिस चीज की भविष्यवाणी नहीं की थी, वह यह थी कि इसका उपयोग जीवित प्राणियों में किया जाएगा.
बर्टोज़ी ने चमत्कारी कार्बोहाइड्रेट की जांच शुरू की
यह कहानी 1990 के दशक में शुरू होता है, जब जैव रसायन और आणविक जीव विज्ञान विस्फोटक प्रगति के दौर से गुजर रहे थे. आणविक जीव विज्ञान में नई विधियों का उपयोग करते हुए, दुनिया भर के शोधकर्ता यह समझने के अपने प्रयासों में जीन और प्रोटीन का मानचित्रण कर रहे थे कि कोशिकाएं कैसे काम करती हैं. एक अग्रणी भावना थी और, हर दिन, उन क्षेत्रों के बारे में नया ज्ञान उत्पन्न होता था जो कभी लिखे नहीं गए थे.
हालांकि, अणुओं के एक समूह पर शायद ही किसी ने ध्यान दिया था: ग्लाइकान. ये जटिल कार्बोहाइड्रेट हैं जो विभिन्न प्रकार की चीनी से निर्मित होते हैं और अक्सर प्रोटीन और कोशिकाओं की सतह पर रहते हैं. वे कई जैविक प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जैसे कि जब वायरस कोशिकाओं को संक्रमित करते हैं या जब प्रतिरक्षा प्रणाली सक्रिय होती है.
इसलिए ग्लाइकान दिलचस्प अणु हैं, लेकिन समस्या यह थी कि आणविक जीव विज्ञान के नए उपकरणों का उपयोग उनका अध्ययन करने के लिए नहीं किया जा सकता था. इसलिए जो कोई भी यह समझना चाहता था कि ग्लाइकान कैसे काम करता है, उसे एक बड़ी चुनौती का सामना करना पड़ा. उस चुनौती को स्वीकार करने के लिए केवल कुछ शोधकर्ता तैयार थे – और उनमें से एक कैरोलिन बर्टोज़ज़ी हैं.
बर्टोज़ज़ी के पास एक नया आइडिया आया …
1990 के दशक की शुरुआत में, कैरोलिन बर्टोज़ी ने एक ग्लाइकेन का मानचित्रण करना शुरू किया जो प्रतिरक्षा कोशिकाओं को लिम्फनोड्स की ओर आकर्षित करता है. कुशल उपकरणों की कमी का मतलब था कि ग्लाइकेन कैसे काम करता है, इस पर पकड़ बनाने में चार साल लग गए. इस चुनौतीपूर्ण प्रक्रिया ने उसके सपने को कुछ बेहतर बना दिया – और उसके पास एक नया विचार था.
Carolyn Bertozzi – awarded the 2022 #NobelPrize in Chemistry – has taken click chemistry to a new dimension and started utilising it in living organisms. Her bioorthogonal reactions take place without disrupting the normal chemistry of the cell. pic.twitter.com/ljBgNQpMwx
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 5, 2022
एक संगोष्ठी के दौरान, उसने एक जर्मन वैज्ञानिक की बात सुनी, जिसने बताया कि कैसे वह कोशिकाओं को सियालिक एसिड के एक अप्राकृतिक संस्करण का उत्पादन करने में सफल रहा, जो ग्लाइकान का निर्माण करने वाली शर्करा में से एक है. इसलिए बर्टोज़ी ने विचार करना शुरू कर दिया कि क्या वह कोशिकाओं को एक प्रकार के रासायनिक प्रक्रिया के साथ एक सियालिक एसिड का उत्पादन करने के लिए इसी तरह की विधि का उपयोग कर सकती है ?
यदि कोशिकाएं विभिन्न ग्लाइकान में संशोधित सियालिक एसिड को शामिल कर सकती हैं, तो वह उन्हें मैप करने के लिए रासायनिक हैंडल का उपयोग करने में सक्षम होगी. उदाहरण के लिए, वह एक फ्लोरोसेंट अणु को हैंडल से जोड़ सकती है. उत्सर्जित प्रकाश तब प्रकट करेगा कि कोशिका में ग्लाइकान कहां छिपे थे.
यह लंबे और केंद्रित विकास कार्य की शुरुआत थी. बर्टोज़ी ने वैज्ञानिक साहित्य के माध्यम से रासायनिक हैंडल और एक रासायनिक प्रतिक्रिया की खोज शुरू की, जिसका वह उपयोग कर सकती थी. यह कोई आसान काम नहीं था, क्योंकि हैंडल को कोशिका में किसी अन्य पदार्थ के साथ प्रतिक्रिया नहीं करनी चाहिए. उसे उन अणुओं के अलावा हर चीज के प्रति असंवेदनशील होना पड़ा, जिसे वह हैंडल से जोड़ने जा रही थी. उसने इसके लिए एक शब्द स्थापित किया: हैंडल और फ्लोरोसेंट अणु के बीच की प्रतिक्रिया बायोऑर्थोगोनल होनी चाहिए.
… और छिपे हुए ग्लाइकान को स्वयं सामने आ गए
1997 में कैरोलिन बर्टोज़ी यह साबित करने में सफल रही कि उसका विचार वास्तव में काम कर गया. अगली सफलता 2000 में हुई, जब उसे वांछित रासायनिक अणु मिली: एज़ाइड. उसने एक ज्ञात स्टॉडिंगर प्रतिक्रिया को एक सरल तरीके से संशोधित किया, और इसका उपयोग फ्लोरोसेंट अणु को एज़ाइड से जोड़ने के लिए किया जो उसने कोशिकाओं के ग्लाइकान से प्राप्त किया था. चूंकि एजाइड कोशिकाओं को प्रभावित नहीं करता है, इसलिए इसे जीवित प्राणियों में भी पेश किया जा सकता है.
इसके साथ ही वह जैव रसायन को पहले ही एक अहम तोहफा दे चुकी हैं. थोड़ी सी रासायनिक रचनात्मकता के साथ, उसकी संशोधित स्टॉडिंगर प्रतिक्रिया का उपयोग विभिन्न तरीकों से कोशिकाओं को मैप करने के लिए किया जा सकता है, लेकिन बर्टोज़ज़ी अभी भी संतुष्ट नहीं थे. उसने महसूस किया था कि वह जिस रासायनिक अणु एज़ाइड का इस्तेमाल करती थी, उसके पास देने के लिए बहुत कुछ था.
पुरानी प्रतिक्रिया में नई जान आ जाती है
इस समय, मॉर्टन मेल्डल और बैरी शार्पलेस की नई क्लिक केमिस्ट्री के बारे में रसायनज्ञों के बीच शब्द फैल रहा था, इसलिए कैरोलिन बर्टोज़ी अच्छी तरह से जानती थीं कि उनका हैंडल – एज़ाइड – तेजी से एक एल्काइन पर क्लिक कर सकता है जब तक कि तांबे के आयन उपलब्ध हो. समस्या यह है कि तांबा जीवित चीजों के लिए विषैला होता है इसलिए उसने एक बार फिर से साहित्य में गहरी खुदाई शुरू की, और पाया कि 1961 में यह दिखाया गया था कि अगर एल्काइन को रिंग के आकार में मजबूर किया जाता है तब एज़ाइड्स और एल्काइन तांबे की मदद के बिना लगभग विस्फोटक तरीके से प्रतिक्रिया कर सकते हैं. दबाव इतनी ऊर्जा पैदा करता है कि प्रतिक्रिया सुचारू रूप से चलती है.
जब उन्होंने कोशिकाओं में इसका परीक्षण किया, प्रतिक्रिया ने अच्छी तरह से काम किया. 2004 में, उन्होंने ताम्बे के बिना क्लिक प्रतिक्रिया शोध प्रकाशित किया, जिसे स्ट्रेन-प्रमोटेड एल्काइन-एज़ाइड साइक्लोडडिशन कहा जाता है – और फिर प्रदर्शित किया कि इसका उपयोग ग्लाइकान को ट्रैक करने के लिए किया जा सकता है (ऊपर चित्रण देखें).
क्लिक प्रतिक्रिया में कोशिको पर केंद्रित करते हैं
यह मील का पत्थर भी कुछ बहुत बड़ी शुरुआत थी. कैरोलिन बर्टोज़ी ने अपनी क्लिक प्रतिक्रिया को परिष्कृत करना जारी रखा है, इसलिए यह कोशिका के वातावरण में और भी बेहतर काम करती है. इसके समानांतर, उसने और कई अन्य शोधकर्ताओं ने भी इन प्रतिक्रियाओं का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया है कि बायोमोलेक्यूल्स कोशिकाओं में कैसे बातचीत करते हैं और रोग प्रक्रियाओं का अध्ययन करते हैं.
एक क्षेत्र जिस पर बर्टोज़ज़ी केंद्रित है वह ट्यूमर कोशिकाओं की सतह पर ग्लाइकान है. उनके अध्ययन से यह पता चला है कि कुछ ग्लाइकान ट्यूमर को शरीर की प्रतिरक्षा प्रणाली से बचाने के लिए प्रकट होते हैं, क्योंकि वे प्रतिरक्षा कोशिकाओं को बंद कर देते हैं. इस सुरक्षात्मक तंत्र को अवरुद्ध करने के लिए, बर्टोज़ज़ी और उनके सहयोगियों ने एक नए प्रकार की जैविक दवा बनाई है. वे एंजाइमों के लिए एक ग्लाइकेन-विशिष्ट एंटीबॉडी में शामिल हो गए हैं, जो ट्यूमर कोशिकाओं की सतह पर ग्लाइकान को तोड़ते हैं. इस दवा का अब उन्नत कैंसर वाले लोगों पर नैदानिक परीक्षणों में परीक्षण किया जा रहा है.
कई शोधकर्ताओं ने क्लिक करने योग्य एंटीबॉडी विकसित करना भी शुरू कर दिया है, जो कई प्रकार के ट्यूमर को लक्षित करते हैं. एक बार जब एंटीबॉडी ट्यूमर से जुड़ जाते हैं, तो दूसरा अणु जो एंटीबॉडी पर क्लिक करता है, इंजेक्ट किया जाता है. उदाहरण के लिए, यह एक रेडियो आइसोटोप हो सकता है जिसका उपयोग पीईटी स्कैनर का उपयोग करके ट्यूमर को ट्रैक करने के लिए किया जा सकता है या जो कैंसर कोशिकाओं पर विकिरण की घातक खुराक को लक्षित कर सकता है.
सुरुचिपूर्ण, चतुर और नवीन लेकिन सबसे अधिक उपयोगी
हम अभी तक नहीं जानते हैं कि ये नए उपचार काम करेंगे या नहीं – लेकिन एक बात स्पष्ट है : अनुसंधान ने अभी-अभी क्लिक केमिस्ट्री और बायोऑर्थोगोनल केमिस्ट्री की विशाल क्षमता को छुआ है. 2001 में जब बैरी शार्पलेस ने स्टॉकहोम में अपना पहला नोबेल व्याख्यान दिया, तो उन्होंने अपने बचपन के बारे में बात की, जो क्वेकर्स के सरल मूल्यों से रंगा था और उनके आदर्शों को प्रभावित किया है. बैरी शार्पलेस ने बोला –
जब मैंने शोध करना शुरू किया तब ‘सुरुचिपूर्ण’ और ‘बुद्धिमत्तापूर्ण’ रासायनिक प्रशंसा के शब्द थे, जैसे ‘नवीनता’ अब उच्च प्रशंसा का शब्द है. शायद क्वेकर मेरे लिए ‘उपयोगी’ को सबसे अधिक महत्व देने के लिए जिम्मेदार हैं.
प्रशंसा के ये चारों शब्द उस रसायन शास्त्र के साथ न्याय करने के लिए आवश्यक हैं जिसके लिए उन्होंने, कैरोलिन बर्टोज़ज़ी और मोर्टन मेल्डल ने नींव रखी है. सुरुचिपूर्ण, चतुर, उपन्यास और उपयोगी होने के अलावा, यह मानव जाति के लिए सबसे बड़ा लाभ भी लाएगा.
- आशीष श्रीवास्तव
सूचना प्रौद्योगिकी में 22 वर्षों से कार्यरत. विज्ञान पर शौकिया लेखन : विज्ञान आधारित ब्लाग ‘विज्ञान विश्व’ तथा खगोल शास्त्र को समर्पित ‘अंतरिक्ष’
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होमोसेपियंस (मानव) के विकास की कहानी
कार्बन की उत्पत्ति और जीवन निर्माण में उसकी भूमिका
विश्व गौरैया दिवस : छोटी-सी ये चिड़ियां…
पृथ्वी पर जीवन पैदा करने वाले प्रोटीन की खोज
