Chemische reacties die alleen gewenste spiegelbeelden opleveren

Nobelprijs Scheikunde Twee chemici vonden een manier om reacties te laten verlopen waar fabrikanten van medicijnen veel aan hebben.

Een lab van Tamiflu-producent Roche, waarvoor de katalysetechnologie van List en MacMillan wordt gebruikt.
Een lab van Tamiflu-producent Roche, waarvoor de katalysetechnologie van List en MacMillan wordt gebruikt. Foto Martin Ruetschi / EPA

Je hebt vóór het jaar 2000, en ná 2000. In dat sleuteljaar voerden twee chemici, onafhankelijk van elkaar, in hun laboratorium een serie reacties uit die een toen nog beperkte chemische subdiscipline heel snel heel groot zouden maken. Vooral de productie van geneesmiddelen is daarna sterk verbeterd, en efficiënter geworden.

De twee chemici, Benjamin List en David MacMillan, kregen woensdag de Nobelprijs voor Scheikunde, „voor de ontwikkeling van de asymmetrische organokatalyse”. Hierbij worden kleine organische moleculen (die zijn opgebouwd uit atomen die in levende organismen belangrijk zijn, zoals koolstof, waterstof en stikstof) gebruikt als katalysator. Een katalysator is een molecuul dat een chemische reactie versnelt, zonder zelf te veranderen, of verbruikt te worden. Katalyse was in 2000 al een groot vakgebied – er is vóór dit jaar al zeven keer eerder een Nobelprijs voor Scheikunde voor uitgereikt. Het begeleidende achtergronddocument bij de prijs vermeldt dat 35 procent van ’s werelds bbp voortkomt uit katalyse.

List en MacMillan hebben het werkingsprincipe van enzymen vertaald naar kleine moleculen

Paul Alsters chemicus

Maar het versnellen van chemische reacties gebeurde tot het jaar 2000 hoofdzakelijk met metalen of enzymen. Dat het ook met organische moleculen kon, was de afgelopen eeuw al een paar keer aangetoond – voor het eerst in 1912. „Maar List en MacMillan hebben deze optie terug op tafel gebracht, en daarna is het snel gegaan”, zegt Bert Weckhuysen, hoogleraar anorganische chemie en katalyse aan de Universiteit Utrecht. Dat beaamt Paul Alsters, chemicus bij Innosyn in Geleen, een spin-off van DSM. „List en MacMillan hebben het werkingsprincipe van enzymen vertaald naar kleine moleculen, die goedkoop en makkelijk te produceren zijn. Dat werkte behoorlijk goed.”

Dat List en MacMillan hun baanbrekende experimenten allebei in 2000 uitvoerden – en dat ze allebei ook even oud zijn – noemt Weckhuysen toeval. „Het had net zo goed in 1998, of 2003 kunnen gebeuren.”

Een voordeel van het gebruik van organische moleculen is dat ze een specifieke vorm hebben. Organische moleculen kunnen in twee vormen voorkomen. Uitgeschreven als formule zijn ze exact hetzelfde, maar in 3D zijn ze elkaars spiegelbeeld – vaak voorgesteld als de linker- en rechterhand die, op elkaar gelegd, niet overlappen. In levende organismen komt meestal maar één van de twee vormen als werkzaam molecuul voor.

Dit is juist voor de productie van geneesmiddelen belangrijk. Bij die productie ontstaan vaak beide spiegelbeelden, maar slechts eentje is werkzaam. Dat maakt de productie inefficiënt. En soms zelfs schadelijk, zoals in de jaren 60 bleek met thalidomide (merknaam Softenon), een medicijn dat door zwangere vrouwen werd geslikt tegen misselijkheid. Het molecuul werd in beide vormen toegediend, en een ervan bleek schadelijk voor het ongeboren kind – baby’s werden geboren met ernstige afwijkingen aan de ledematen.

Niet voor bulkchemie

List en MacMillan gebruikten in hun experimenten één bepaalde vorm van een organisch molecuul als katalysator, en lieten zien dat die zijn specifieke vorm als het ware overdraagt op het eindproduct. Er ontstaat dus maar één van de twee spiegelbeelden. Na hun publicaties bloeide de subdiscipline snel op, en groeide uit tot de ‘derde pijler’ van de katalyse. Zeker voor de farmaceutische industrie biedt de technologie voordelen, zegt Alsters. Ze wordt onder andere toegepast bij de productie van het antivirale middel Tamiflu, van het middel Renine tegen hoge bloeddruk, en van vitamine E. Alsters: „Maar voor de bulkchemie is het minder geschikt omdat er bijproducten ontstaan waar je niet zo makkelijk van afkomt.”

Bert Meijer, hoogleraar organische chemie aan de TU Eindhoven, zegt „zeer verrast” te zijn door de keuze van het Nobelcomité. „Ik had verwacht dat de prijs naar mRNA, en de productie van coronavaccins zou gaan.” Bovendien, zegt hij, had naast List en MacMillan de naam van de Nederlander Hans Wijnberg niet misstaan. Wijnberg wordt gezien als een van de grondleggers van de asymmetrische organokatalyse – hij overleed in 2011. Hij was lang hoogleraar in Groningen en begeleidde daar onder andere promovendus Ben Feringa, die in 2016 een Nobelprijs ontving.

MacMillan kon na de bekendmaking niet direct bereikt worden. „Ik kreeg al heel vroeg tekstberichten van mensen uit Zweden, maar ik dacht dat ze me voor de gek hielden en ben weer gaan slapen. Toen ging m’n telefoon op tilt”, zo liet hij later op de dag weten. List werd vlak na de bekendmaking wel via telefoon bereikt. Hij bevond zich in Amsterdam, bij het Concertgebouw.

Met de wetenschappelijke eer van de prijs komt ook een geldbedrag van tien miljoen Zweedse kronen (ongeveer 955.000 euro), dat List en MacMillan moeten verdelen.