Các nhà hóa học tạo đột phá trong khám phá hóa học thuốc
Trong nhiều năm, nếu như bạn hỏi người tạo ra các loại dược phẩm mới là họ mơ ước gì thì vị trí đầu tiên trong danh sách của họ sẽ là cách để thay thế một nguyên tử carbon một cách dễ dàng với một nguyên tử nitrogen trong một phân tử.
Nhưng hai nghiên cứu của các nhà hóa học trường đại học Chicago, được xuất bản trên tạp chí Science và Nature, đã đề ra hai phương pháp thực hiện mơ ước này. Các phát hiện mới có thể khiến việc phát triển các loại thuốc mới trở nên dễ dàng hơn.
“Đây là bài toán thách thức vô cùng lớn mà ngay khi bắt đầu xây dựng phòng thí nghiệm của mình, tôi đã cố gắng giải quyết nó”, theo lời kể của Mark Levin, một phó giáo sư hóa học và là tác giả chính của cả hai bài báo này. “Chúng tôi không hoàn toàn giải quyết trọn vẹn nó nhưng chúng tôi đã có được hai lời giải lớn cho bài toán tổng thể này, và những phát hiện đó đặt một nền tảng rõ ràng cho tương lai”.
Trao đổi “cơ thể”
Trong hóa học, một đơn nguyên tử có thể tạo ra một khác biệt cực lớn trong một phân tử. Sự hoán đổi một nguyên tử carbon cho một nguyên tử nitrogen, và cách phân tử thuốc này tương tác với đích của nó có thể thay đổi một cách đáng kể. Nó có thể khiến cho thuốc đi vào não dễ dàng hơn hoặc nắm lấy những protein lỗi trên đường đi của mình. Vì vậy khi các nhà khoa học trong quá trình tạo ra các loại thuốc mới, họ thường mong muốn cố gắng nắm lấy một phân tử cụ thể.
Điều rắc rối là không dễ dàng làm được điều đó. Để xây dựng một phân tử, bạn phải tuân theo từng bước một. Nếu bạn đi một mạch đến điểm cuối con đường thì sau khi khởi động thử nghiệm, bạn nghĩ thuốc có thể họa động tốt hơn nếu bạn thay đổi chỉ một nguyên tử, bạn phải quay trở lại chính điểm bắt đầu và tái tạo toàn bộ quá trình đó. “Có một phân tích chi phí lợi ích cho vấn đề này. Nó có giá như thế nào nếu bắt đầu lại? hay bạn phải đi theo những gì bạn có?”, Tyler Pearson, một nghiên cứu sinh postdoct và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu, nói.
Phòng thí nghiệm của Levin đã xem xét một cách mới để tạo ra những thay đổi nhỏ với bộ khung của một phân tử mà không cần trở lại vạch xuất phát. Trong trường hợp này, họ muốn tìm ra một cách để nắm lấy một phân tử carbon bằng một nguyên tử nitrogen – một sự hoán đổi cụ thể rất thường xảy ra trong ngành hóa dược.
Nhưng những phương pháp tồn tại có thể giúp thực hiện điều này lại có thành công rất giới hạn. “Bạn phải loại bỏ một cách ngẫu nhiên carbon lỗi trong phân tử và điều này có thể là nguyên nhân khiến cho phần còn lại của phân tử chuyển hướng”, Jisoo Woo, một học viên cao học và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu còn lại giải thích. “Điều này có thể có một tác động lớn lên sự hoạt động của phân tử mà anh tạo ra”.
Nguyên tắc tương tự tạo ra thay đổi một nguyên tử có tiềm năng hữu dụng cũng có mặt trái: nếu phản ứng có một tác dụng phụ ngoài mong muốn của việc di chuyển một nguyên tử khác biệt, phân tử có thể trở nên vô dụng và không phù hợp với mục đích được hướng tới.
Phòng thí nghiệm này đã giải quyết bài toán này bằng hai cách bổ sung khác biệt.
Loại bỏ thuận tay phải
Một cách tiếp cận, được nêu trong bài báo trên tạp chí Nature do Jisoo Woo là tác giả thứ nhất, dựa trên các phân tử có sẵn một nguyên tử nitrogen ở gần cấu trúc đó 1. Phương pháp mới đã tách vòng nguyên tử bằng ozone, sau đó sử dụng phân tử nitrogen đầu tiên để “hướng dẫn” phân tử thứ hai.
Một cách tiếp cận khác, được miêu tả trong bài báo trên Science do Pearson dẫn đầu, dựa trên các phân tử không có sẵn một nguyên tử nitrogen. Nó có thể đơn giản là loại bỏ một nguyên tử carbon – loại thuận tay phải – và thay thế bằng một nguyên tử nitrogen 2.
Không có phương pháp nào hoàn hảo, các nhà khoa học nói. Nhưng họ đề xuất một cách tiến tới nơi mà chưa có phương pháp đã biết nào tồn tại.
Levin nói, các kỹ thuật này hữu dụng bởi chúng gần gũi với cách mọi người nghĩ khi phát triển các loại thuốc mới. “Nó cũng giống như chúng ta gõ một máy tính hơn là gõ máy chữ”, ông nói. “Dễ dàng hơn khi gõ trên một máy tính bởi vì nó giúp bạn viết theo cách mình nghĩ, vốn không phải lúc nào cũng tuyến tính”.
Các nhà khoa học chỉ ra là việc có cả hai giải pháp đều bao gồm một chút tình cờ và cải tiến. “Với tôi, đây là ví dụ rõ nét về sự sáng tạo mà anh cần để tạo ra các đột phá trong hóa học”, Levin nói. “Với cả hai cách, chúng tôi đã dự đoán các sự kiện và nó trao cho chúng tôi một cái nhìn về một thứ dị thường và qua đó, nó đem lại cho chúng tôi một chỗ đứng vững vàng để có thể thoải mái phát huy sáng tạo”.
Thanh Nguyễn tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-11-chemists-breakthrough-drug-discovery-chemistry.html
———————————————-
1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06613-4
2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj5331
