В нескольких словах
Химик Джон Хартвиг, лауреат премии Фонда BBVA, обсуждает важность своих исследований в области катализа для создания новых лекарств (ВИЧ, гепатит, рак) и материалов (OLED). Он выражает серьезную обеспокоенность текущим состоянием финансирования науки в США при администрации Трампа, считая это угрозой для будущего лидерства страны в инновациях. Также Хартвиг затрагивает потенциал ИИ в химии и свои работы по химической переработке пластика.
Самые известные ученые — это обычно те, кто исследует экзистенциальные вопросы, как физики, изучающие черные дыры или теории гравитации, или те, кто решает медицинские проблемы, как создатели вакцин от COVID или исследователи, ищущие методы лечения рака. Однако есть группа ученых, влияние которых на нашу повседневную жизнь даже больше, чем у предыдущих, но которые часто остаются незамеченными. Химик Джон Хартвиг (Иллинойс, США, 60 лет) из Калифорнийского университета в Беркли (США) принадлежит к этой группе.
Исследователь только что получил премию Фонда BBVA «Границы знания» в области фундаментальных наук за продвижение ключевых достижений в области катализа. Хотя это достижение может показаться эзотерическим, оно сделало возможным контроль и ускорение химических реакций, которые позволили производить ранее невозможные лекарства против ВИЧ, гепатита или депрессии. По его собственным оценкам в видеозвонке из Калифорнии, «область катализа вносит вклад примерно в 30% ВВП США», и эта цифра схожа в других развитых странах.
В мире химии некоторые реакции слишком медленные или слишком сложные и нуждаются в помощи металлов, действующих как катализаторы для их ускорения. Одним из достижений, в которых участвовал Хартвиг, является гомогенный катализ, где катализаторы и реагенты находятся в одной фазе, обычно жидкой, что позволяет проводить более точные и эффективные реакции.
Одним из величайших достижений Хартвига стала разработка катализаторов, способных разрывать связи углерод-водород, очень стабильные и трудные для модификации. Эти связи распространены в органических молекулах, но их стабильность делала их малопригодными для синтеза лекарств. Хартвиг и его группа смогли преобразовать эти связи в связи углерод-бор (C-B), что является ключевой трансформацией, поскольку бор действует как химический «крючок», позволяя эффективно собирать сложные молекулы. Сегодня эти реакции используются в производстве противовирусных препаратов или лекарств против рака поджелудочной железы или легких. «Удивительно, что этот процесс стал использоваться в больших масштабах. Например, он был применен для производства около тысячи килограммов соединения для клинических испытаний с Amgen в лечении солидных опухолей», — объясняет Хартвиг. Его химия также нашла применение в электронных устройствах, таких как органические светодиоды (OLED), используемые в ярких экранах мобильных телефонов или высококачественных телевизорах.
Вопрос. Как вы оцениваете ситуацию с исследованиями в США после первых месяцев президентства Дональда Трампа?
Ответ. Ситуация для науки в США ужасная. Вопрос в том, как это выразить, не создавая впечатления, что мы все должны бежать из страны. Но я думаю, общественность должна понимать, что происходит. Например, многие гранты Национальных институтов здравоохранения (NIH) не финансируются из-за косвенных стратегий правительства, таких как блокирование заседаний комитетов, принимающих эти решения. У меня есть три постдокторанта с заявками на стипендии, которые даже не рассматриваются.
Кроме того, у меня есть грант на 3,5 миллиона долларов, рекомендованный к финансированию, предназначенный для проектов по переработке пластика, и сейчас он находится в состоянии «паузы в коммуникации». Я не знаю, будет ли он в итоге одобрен или просто исчезнет. Это мешает нам работать над коммерческой жизнеспособностью химической переработки, которую мы разработали и которая могла бы принести пользу многим другим людям в этой области.
Университеты также теряют финансирование по вопросам, не имеющим ничего общего с их научными программами. Например, из-за студенческих протестов, связанных с конфликтом между Газой и Израилем, некоторые учреждения страдают от сокращений. Страшно видеть эту ситуацию после 30 лет работы в науке в США. Идея так сильно урезать поддержку исследований в США вызывает тревогу. Наука и инновации были одной из наших отличительных черт, нашей подписью как нации. И, кроме того, экономика будущего зависит от открытий, которые делаются сегодня.
Эти открытия могут быть сделаны в университетах или в промышленности, но люди, которые их осуществляют, сначала проходят через университеты, получают ученые степени в науках, а затем, возможно, основывают биотехнологическую компанию, которая открывает новое лекарство или разрабатывает технологии, меняющие жизнь миллионов людей. Это естественный цикл инноваций.
Компании, такие как Google или многие другие в технологическом секторе, пополнялись людьми, обученными в этих учреждениях. Если мы подорвем эту базу обучения и финансирования, что произойдет с позицией США как технологического лидера? Возникает тревожное чувство: это шаги, которые предпринимают авторитарные режимы для укрепления своей власти. И мы видим, как это происходит на наших глазах. Как это остановить? Это очень сложно.
В. Как вы видите влияние искусственного интеллекта на вашу область?
О. У нас есть проект с Merck с целью разработки способов использования искусственного интеллекта для предсказания того, что сделает катализатор. Произошли невероятные достижения в вычислительной химии. Сегодня исследователи могут рассчитать, какими будут структуры молекул и каков будет энергетический барьер для протекания реакции. Но эти расчеты, хотя и очень ценны, требуют много времени и огромной вычислительной мощности. Поэтому мы и другие группы в этой области пытаемся выяснить, можем ли мы объединить эти знания с машинным обучением для прогнозирования катализаторов. Это область, которая все еще находится в зачаточном состоянии, но, конечно, мы видели впечатляющий рост машинного обучения во многих аспектах нашей жизни. Так что вопрос в том: может ли то же самое произойти в химии?
Конечная цель, Святой Грааль в этой области, которого еще никто не достиг, — это использование генеративного искусственного интеллекта для предсказания катализатора, который сможет осуществить совершенно новую трансформацию или провести селективную реакцию на чем-то, что никогда раньше не делалось. Я думаю, здесь большой потенциал. Я убежден, что это окажет огромное влияние в будущем, но предсказать, каким именно будет это влияние, сложно.
В. А что насчет применения для окружающей среды? Я видел, что вы работали с пластиками, которые легче перерабатывать.
О. Мы называем это химической переработкой. Переработка, которая осуществляется сегодня, в основном является тем, что мы называем механической переработкой. То есть, берут пластик, измельчают его, а затем плавят для формирования нового объекта. Но большинство продуктов, получаемых этим процессом, являются материалами гораздо более низкой стоимости. Например, если взять пластиковую упаковку или игрушку с определенными свойствами, при механической переработке она смешивается с другими пластиками того же типа, измельчается и переформовывается в новый материал. Однако этот материал обычно используется для таких продуктов, как уличная мебель или пластиковые полы, имитирующие дерево, но не для изготовления пищевой упаковки или высококачественных прозрачных пластиков.
То, что мы пытаемся сделать, — это разработать методы разложения этих пластиков. Мы сосредоточились на полиэтилене и полипропилене, которые являются пластиками с наибольшим объемом производства. Вместе они составляют более половины всех производимых пластиков. Но они чрезвычайно стабильны, и мы ищем способы избирательно разорвать их связи. Недавно мы опубликовали исследование, в котором показали, что можно взять полиэтилен и с помощью этилена произвести пропилен. То есть, мы берем длинную цепь полиэтилена, состоящую из тысяч атомов углерода, фрагментируем ее на более мелкие части и, в конечном итоге, получаем трех-углеродную единицу, которую можно использовать для производства полипропилена, одного из пластиков с наибольшим объемом производства. Мы надеемся продвинуть этот процесс дальше и со временем разработать его до коммерчески жизнеспособного решения.
В. Считаете ли вы, что решения проблемы изменения климата могут быть достигнуты исключительно за счет научных инноваций, или это по-прежнему проблема с большим социальным измерением?
О. Трудно на это ответить. У меня есть определенные знания по этому вопросу, но для реального прогноза требуется опыт людей, специализирующихся на технико-экономическом анализе и оценках жизненного цикла. Что я могу сказать, так это то, что многие технологические решения будут зависеть от достижений в химии. Например, возьмем случай современных ветрогенераторов. Я говорю не о ветряных мельницах Голландии прошлых веков, а о современных, с гигантскими пластиковыми лопастями. Эти конструкции должны выдерживать огромные силы и служить долго, что представляет собой серьезную проблему в материаловедении. Когда эти лопасти выходят из строя или достигают конца срока службы, необходимо их заменять и искать способы их переработки или повторного использования. Именно здесь химия может предложить новые решения путем разработки новых материалов. Другой пример — снижение веса транспортных средств. Если нам удастся заменить определенные металлы более легкими материалами, мы могли бы повысить энергоэффективность. И если нам удастся практически преобразовать углекислый газ в топливо, это окажет огромное влияние.
В то же время, изменение определенных привычек также является ключевым фактором. Это сложно, я признаю. Я сам прилетел на самолете в Сан-Диего, затем полечу в Теннесси, а потом вернусь домой. Но если нам удастся изменить некоторые модели поведения, это также будет определяющим фактором.
В. Нам нужны технологические изменения и изменения в привычках.
О. Изменение климата — сложная проблема. Если подумать о масштабах, ископаемое топливо используется в десять раз большем количестве, чем химические продукты. Иногда мы беспокоимся о влиянии легкого пластикового пакета, но поездка в супермаркет оказывает гораздо большее воздействие на окружающую среду, чем этот пакет.
В. Если бы вы были молодым исследователем, какая область показалась бы вам наиболее интересной или перспективной?
О. Я думаю, есть очень интересные направления в сочетании химии с ферментами и химико-ферментативных подходов к синтезу. Некоторые молодые исследователи добились больших успехов в этой области, и я думаю, что здесь много возможностей. Это не произведет революцию во всем, но потенциал велик.
Другая важная область — интеграция искусственного интеллекта в химию. Использование машинного обучения для продвижения химических открытий — перспективное направление. Однако то, что мы обычно видим, — это когда новый исследователь — или даже кто-то с опытом, как я — предлагает что-то совершенно неожиданное и удивительное, что-то, что заставляет нас задаться вопросом, как нам это не пришло в голову раньше. Также случается, что определенные открытия прошлого, которые были заброшены, возрождаются с новыми применениями. Хороший пример этого — фотохимия. Вместо использования тепла для запуска химических реакций используется свет. В последние годы эта область переживает бурный рост.
Когда мы начали работать в области, за которую нам присудили эту награду, многие думали, что это что-то очень нишевое, что будет использоваться только в особых случаях, как крайняя мера при синтезе органических молекул. Но сегодня это стало совершенно обыденным явным. Трудно предсказать будущее, но в целом я по-прежнему верю в важность сочетания дисциплин.
В. Оглядываясь назад, с тех пор как вы начали, какие достижения в вашей области вас больше всего удивили?
О. Когда мы начинали, существовало два основных типа реакций, которые люди обычно использовали, и был один фундаментальный шаг реакции, который никто раньше не наблюдал. Попробую объяснить просто: в каталитической реакции вы добавляете небольшое количество катализатора, и он позволяет произвести большое количество продукта. Мы измеряем это в каталитических оборотах: сколько молекул продукта генерирует реакция на каждую молекулу катализатора. Это число может быть очень высоким, потому что реакция происходит циклически. Катализатор начинает с захвата одного реагента, преобразует его, затем захватывает второй реагент, объединяет их и высвобождает продукт, возвращаясь в исходное состояние. Это циклический процесс с множеством шагов. Мы вначале интересовались только одним из этих шагов. Никто его раньше не наблюдал, и я подумал, что если мне удастся его идентифицировать и доказать его существование, возможно, я смогу получить должность в университете.
Этот шаг в итоге стал основой для полной каталитической реакции, и никто не представлял, насколько полезной она станет. Сегодня эта реакция стала самой используемой за последние 40 лет в гомогенном катализе. Когда мы провели нашу первую реакцию, мы протестировали ее только на очень простой молекуле, без какого-либо фармацевтического применения. Но после 20 лет постепенных достижений эта реакция стала широко использоваться в промышленности. Я никогда бы не подумал, что нечто столь теоретическое вначале будет иметь такое большое влияние.
