Дело в химии. Как все устроено?

В знаменитой компании Bayer – в те времена еще довольно скромной – работал химик Феликс Хоффманн, и ему первому в мире пришла в голову идея модифицировать салициловую кислоту так, чтобы сделать ее более приятной и менее опасной. Хоффманн, ученик самого Адольфа фон Байера – с ним мы уже встречались, обсуждая индиго, – решил изменить группу – OH, обведенную на предыдущем рисунке кружочком. Он полагал, что именно она отвечает за побочное действие салициловой кислоты. Пытаясь изменить ее свойства, он прибег к классической реакции органической химии, ацетилированию, в ходе которой группа – OH превращается в производную уксусной кислоты. Так и появилась ацетилсалициловая кислота, навсегда изменившая мировую медицину.

История аспирина, как и история пенициллина, хинина и множества других веществ, бросает свет на то, насколько важно для ученого вдохновляться природными процессами в поисках инновационных технологий. Но вдохновения недостаточно: в природе существуют миллионы и миллионы веществ, и совершенно нереально было бы проверить их все одно за другим, чтобы оценить их свойства. Хотя изучение естественных соединений по-прежнему составляет важную область фармакологических исследований, сегодня используются куда как более логичные и рациональные подходы к оценке потенциальных терапевтических свойств тех или иных соединений. Исследования начинаются с изучения физиологии и молекулярных механизмов патологии, чтобы выявить главную цель лечения на молекулярном уровне. Благодаря сложным компьютерным программам сегодня можно уже реконструировать трехмерную структуру целевой молекулы, рассчитать ее гипотетическую реакцию с окружающей средой и спроектировать лекарство, которое сможет взаимодействовать с молекулярной мишенью в желаемом нами направлении.

Химия на компьютере

Какой образ химика навязывают нам стереотипы? Этакий хлюпик не от мира сего, в халате и огромных очках, толчется среди булькающих колб с ядом и вонючими жидкостями. Если я буду отрицать это, то это будет не совсем правда: те, кто занимаются синтезом, на самом деле проводят дни, погружаясь в ядовитые растворители среди перегонных кубов и сосудов с зловонными реагентами с непроизносимыми названиями. Но и среди нас есть паршивые овцы, теоретики и компьютерщики – особая категория химиков, нашедшая свою среду обитания между доской в аудитории и суперкомпьютером. Эти странные существа чувствуют себя на месте, вводя данные в компьютер, вместо того чтобы рассуждать над колбой с какой-то гадостью или аппаратом, отказывающимся работать.

Но оставим иронию: компьютерное моделирование служит основным инструментом не только для фундаментальных исследований, что позволяет предвидеть свойства веществ до их синтеза, понять механизмы реакций, которые сложно проверить экспериментальным путем или симулировать реакции в экзотических условиях – например, в космосе, – но и в фармацевтических изысканиях: симуляции позволяют, не входя в лабораторию, предсказать вещества, обладающие нужными свойствами, необходимыми для взаимодействия с биологической целью.

Это очень важная и деликатная работа, позволяющая исследованиям двигаться вперед и быстрее, и более целенаправленно. Понять всю сложность химика, специалиста по компьютерному моделированию, непросто, поскольку работа в мире молекул предполагает взаимодействия на уровне квантовой механики и использование крайне сложного математического аппарата. Но я все равно приглашаю вас за собой, поскольку это того стоит. Погружаясь в бесконечно малый мир, мы вынуждены оставить классическую механику – то есть область физики, изучающую макроскопические объекты (очень медленные по сравнению со скоростью света) снаружи, – и взять на вооружение механику квантовую, занимающуюся как раз физикой микроскопических частиц, которая, в силу невероятных их странностей, гораздо сложнее и труднее.

Основы квантовой механики стали известны еще в первой половине ХХ века, и мы можем сказать, что законы, управляющие большей частью физического мира и практически всем химическим, были сформулированы уже около семидесяти лет назад. Еще знаменитый Поль Дирак, один из отцов современной физики, в 1929 году писал: «Основные физические законы, необходимые для математической теории значительной части физики и всей химии, полностью известны, и трудность заключаются лишь в том, что правильное описание этих законов выражается уравнениями, слишком сложными, чтобы быть решаемыми. Поэтому желательно разработать приближенные методы применения квантовой механики на практике, которые бы позволили объяснить основные особенности сложного мира атомов без слишком трудоемких вычислений».