Nobel hóa học 2022: Sự đơn giản, hữu dụng lên ngôi

Hình ảnh ba nhà khoa học được trao giải Nobel hóa học 2022 trên bảng chiếu ở buổi lễ trao giải chiều 5-10 giờ Việt Nam tại Stockholm, Thụy Điển - Ảnh: AFP

Giải Nobel hóa học 2022 được trao cho ba nhà hóa học, trong đó hai ông Barry Sharpless (người Mỹ), Morten Meldel (người Đan Mạch) là những người đã đặt nền móng cho lĩnh vực hóa học click (click chemistry), và bà Carolyn Bertozzi (người Mỹ) là người đã ứng dụng hóa học click trong nghiên cứu tế bào sống.

Hóa học click

Liên kết giữa các nguyên tử carbon đóng vai trò xương sống cho các phân tử hữu cơ và sự sống. Những liên kết này được tối ưu hóa trong tự nhiên thông qua các enzyme và chuỗi phản ứng. Tuy nhiên vì tính trơ của những nguyên tử carbon, việc gắn kết carbon trong phòng thí nghiệm đòi hỏi những điều kiện nhiệt độ và áp suất đặc thù cùng với việc tạo ra nhiều sản phẩm phụ. Điều này hạn chế việc mở rộng quy mô sản xuất và đặc biệt là không phù hợp cho các phản ứng xảy ra trong tế bào sống.

Giáo sư Barry Sharpless - người từng giành giải Nobel hóa học năm 2001, cũng là một trong năm nhà khoa học hai lần đoạt giải Nobel - được ghi nhận là người đặt nền móng cho lĩnh vực hóa học click.

Giáo sư Barry Sharpless đã đề xuất sử dụng các hợp chất nhỏ hơn và gắn chúng với nhau thông qua các cầu nối nitrogen hoặc oxygen thay vì dùng các phản ứng phức tạp để gắn từng nguyên tử carbon với nhau. Sau đó, hai giáo sư Barry Sharpless và Morten Meldal độc lập phát hiện ra phản ứng gắn kết giữa azide (-N=N +=N-) và alkyn (alkyne) với sự xúc tác đặc hiệu của đồng.

Sự hiệu quả và đơn giản của phản ứng này trở thành biểu tượng của lĩnh vực hóa học mới được gọi là click. Tên gọi click bắt nguồn từ hình tượng hai phần của khóa cài (như khóa cài cặp học sinh) gắn với nhau tạo thành tiếng "click". Những phản ứng hóa học click có đặc điểm gồm những hợp chất độc lập khi xuất hiện cùng nhau thì gắn với nhau một cách nhanh và hiệu quả.

Sự đơn giản của các phản ứng click khiến nó lập tức trở nên thông dụng trong các phòng nghiên cứu và công nghiệp. Sự đơn giản và linh hoạt đó có thể hình dung giống như việc gắn các mảnh ghép Lego lại với nhau. Các phản ứng hóa học click có thể nhanh chóng gắn những thành phần vốn có sẵn để tạo thành những hợp chất hay vật liệu có đặc tính mới - tăng tính dẫn điện, hấp thu ánh sáng, kháng khuẩn, chống tia UV hay một loạt đặc tính khác.

Tiềm năng ứng dụng lớn

Nếu như hai giáo sư Barry Sharpless và Morten Meldal được cho là người đặt nền móng cho lĩnh vực hóa học click, thì nữ giáo sư Carolyn Bertozzi là người đã có công ứng dụng những phản ứng click vào việc nghiên cứu tế bào và chuyên ngành sinh học trực giao (bioorthogonal).

Phản ứng xúc tác bởi đồng giữa azide và alkyn (akyne) của giáo sư Barry Sharpless và Morten Meldal dù đơn giản nhưng tính độc của đồng khiến nó không thể được ứng dụng trực tiếp ngay trong tế bào hay cơ thể sống.

Giáo sư Carolyn Bertozzi loại bỏ đồng bằng cách sử dụng các akyne (alkyn) dạng vòng chứa nhiều năng lượng và sẵn sàng phản ứng hơn. Đột phá này giúp giáo sư Carolyn Bertozzi và các nhà nghiên cứu khác có thể sử dụng hóa học click để đánh dấu và theo dõi các phân tử trong tế bào sống.

Nhờ phản ứng của giáo sư Carolyn Bertozzi, các phân tử sinh học như kháng thể giờ đây có thể mang những đặc tính và chức năng mới như phát hiện khối u, vận chuyển thuốc đặc hiệu bằng cách gắn các "mảnh ghép Lego" với chức năng tương ứng. Qua đó các nhà khoa học có thêm một cửa sổ để theo dõi và nghiên cứu các phản ứng sinh hóa trong tế bào sống.

Ủy ban giải Nobel hóa học đã dành bốn từ để mô tả những thực hiện khám phá của ba giáo sư - "thông minh", "đột phá", "thanh thoát" và đặc biệt là "hữu dụng". 

Các phản ứng hóa học click và sinh học trực giao mở ra cánh cửa cho việc tổng hợp một loạt hợp chất mới với tính ứng dụng cao trong hàng loạt lĩnh vực từ khoa học vật liệu đến y sinh. Chúng ta hãy đợi những đóng góp mới của những lĩnh vực hóa học này trong những thập niên tới của lịch sử loài người.