Baran синтезировал таксол

[andresol]

Много лет назад, когда я учился в аспирантуре, профессор Фил Бэран давал семинар в нашем Университете Питтсбурга. В том числе он говорил о своем проекте синтеза таксола в две стадии в подражание биологическому процессу. Вначале собрать углеродный скелет таксана, а потом селективно окислить его в нужных позициях. Идея показалась мне тогда очень крутой. Если она сработает. И вот на днях пришел ко мне Google Scholar alert, что группа Фила Бэрана закончила свое 13-летнее путешествие, таксол получен.

Я не очень-то слежу за современной органической химией, но мимо этой статьи, которая пока выложена только в виде препринта на ChemRxiv, я пройти не мог. Но для начала я хочу напомнить тем, кто забыл, что такое таксол и почему его все так хотят синтезировать.



В 1950-е годы National Cancer Institute запустил программу по поиску противораковых соединений в растениях, произрастающих на территории США. За несколько лет ботаники собрали, проэкстрагировали и проанализировали все, до чего смогли дотянуться. И в 1964 году экстракт из коры тиса коротколистного, собранного возле вулкана Сент-Хеленс тут в штате Вашингтон, показал очень высокую цитотоксичность. Уже через несколько лет ученые смогли установить весьма непростую структуру активного вещества.

Зачем неказистое деревце с тихоокеанского северо-запада синтезирует этот дитерпеноид, я не знаю, но вряд ли для того, чтобы лечить рак в Homo sapiens. Это одно из множества эволюционных совпадений; все мы большие биохимические машины, и некоторые детали от одной могут подойти к другой в самом неожиданном месте: таксол стабилизирует микротрубочки в клетках человека и тем самым останавливает их деление. Хотя… многие противораковые препараты получаются из природных ядов, которые растения вырабатывают как раз затем, чтобы их не съели животные. Может, и не совпадение.

Как бы то ни было, таксол казался очень перспективным лекарством, но проблема была в том, что этот тис рос очень медленно и взрослое дерево содержало всего 300 миллиграммов таксола, в то время как для лечения одного пациента понадобились бы граммы вещества.

Химики-синтетики бросились синтезировать эту структуру. Как отмечает Бэран во введении своей статьи, к настоящему времени известно 10 синтезов – 7 полных и 3 формальных (от 36 до 59 стадий) – на которые ушли десятки лет и труд полутора сотен химиков. Первым был Роберт Холтон из Университета Флориды в 1994 году, но Кей-Си Николаоу, научный руководитель Бэрана, оспаривает это первенство: он уверен, что первым был он. Как бы то ни было, все эти 10 синтезов дали в итоге не более 39 мг таксола. Не густо.

Я живо представляю, как профессора писали в своих заявках на грант, что они разработают метод для синтеза важнейшего лекарства, для которого иначе придется вырубить всю популяцию тиса коротколистного. Кто же не хочет спасти дерево? Как их студенты и постдоки глубокомысленно рассказывали своим друзьям, что заняты синтезом “лекарства против рака”. И такой пшик. Такая капитуляция полного синтеза. В том, что химики смогут синтезировать 1 мг таксола, вряд ли кто-то сомневался после революции в полном синтезе в 1950-70-е годы. Ничего магического в этой структуре нет.

Но раз такое лекарство существует, принесло фармацевтическим компаниям миллиарды долларов и вроде как лечит кого-то от рака, значит, ученые нашли, как и вещество получить, и деревья спасти. Да, вначале тот же Роберт Холтон нашел, что таксол может быть получен в четыре стадии из очень похожего соединения, которое в большом количестве содержится в другом виде тиса, а, главное, может быть выделено из иголок без убийства дерева. Этот патент сделал его мультимиллионером. В 1993 году фармацевтическая компания Bristol-Myers Squibb вывела препарат на рынок, таксол стал их торговой маркой, а само вещество переназвали паклитаксел. Потом, уже к концу 1990-х годов, ученые из индустрии нашли способ получать тонны таксола в год биохимическими методами, выращивая растительные клетки с нужными ферментами в питательной среде. Wikipedia пишет, что в США паклитаксел сейчас стоит $100 за грамм, что очень терпимо для лекарства.

А что же Фил Бэран? Первую часть своего плана он сумел выполнить еще в 2012 году: собрал скелет таксана всего в 6 стадий (там есть одна кетонная группа, надо же за что-то зацепиться дальше). И после этого его группа 8 лет пыталась доокислить его до таксола. Они опубликовали еще несколько статей по синтезу промежуточно окисленных соединений, наняли индийскую компанию, чтобы та производила для них исходные соединения, но все равно работа потребовала огромное количество оптимизаций (SI содержит таблицы и таблицы провалившихся экспериментов для каждой стадии). Небольшие отклонения в концентрации, свойствах растворителя, добавленном основании (нужен обязательно 2-фторпиридин, а не просто пиридин) направляли синтез по неправильному пути. Но таксол был получен.

И я не впечатлен. Признаюсь, что от Фила Бэрана я ожидал большего. От продвинутого интермедиата с почти собранным таксановым скелетом им понадобилось еще 18 стадий (и это считая за стадию выделение продукта, многие из этих стадий – one-pot последовательности двух или даже трех независимых реакций). Им пришлось использовать множество защитных групп, хотя сам Бэран когда-то пропагандировал отказ от них на пути к “идеальному синтезу”. Они хотели подражать природе, но в качестве окислителей были выбраны соединения пятивалентного хрома, селена, тетраоксид осмия – не самые “зеленые” штуки. Никакая электрохимия, которой Бэран увлекся в последние годы, не помогла.

Вспоминается более широкая проблема C–H активации. Если взять углеводородный скелет и ткнуть в любую связь углерод–водород, природа, кажется, сможет подобрать нужный белок и коферменты, чтобы окислить ее не просто селективно, но и стереоселективно, если эволюция того потребует, и с выходом близким к количественному (иначе бы на один грамм таксола в дереве сидели килограммы таксанов разной степени окисленности). Вот люди-химики пока так не могут. Даже с помощью искусственных ферментов.

Бэран и сам признает, что эта работа – только proof of concept. Они тоже получили только 35.2 мг таксола (общий выход 0.0014%). Но он предположил в 2007 году, что возможно получить таксол таким путем, и в 2020 году он это доказал. Он согласен, что соревноваться с миллионами лет эволюции нам пока бесполезно, и если в природе есть ферменты для биосинтеза таксола, соединение подобной сложности нам нужно получать биохимическим путем. Но он размышляет о поисках аналогов таксола, которые могут быть еще более эффективными лекарствами (раковые клетки и против таксола умеют резистентность вырабатывать). В этом отношении его схема синтеза может быть лучше, чем десяток синтезов, предложенных ранее. Потому что там таксановый скелет собирался только в самом-самом конце, когда счет шел на миллиграммы, а у него возможно получать граммовые количества разнообразных таксаноидов.


(И еще они выкладывают цветные фотографии в SI для каждой стадии).

Зная Бэрана, я ожидаю, что он таксол навсегда не оставит. Объединятся с индустрией, дооптимизируют синтез до чего-нибудь полезного. Фил остается для меня главным (и чуть ли не единственным) химиком-синтетиком наших дней. И ему еще только 40 с небольшим лет. Он был одним из первых, кто стал выкладывать свои статьи на ChemRxiv в общественный доступ. А во время карантина он выложил на свой ютуб-канал курс лекций по химии гетероциклов. Казалось бы, зачем мне сейчас гетероциклы? А вот слушаю уже шестую лекцию.

Comments

[saint-dragon.livejournal.com]

Эта история подтверждает, что Бэрану стать таким "крутым" реально очень подфартило - поставили бы его в пхд-проекте синтезировать подобное и не знали бы мы сейчас профессора с таким именем. Все же как ни крути, а от везения в науке зависит слишком много, это рулетка самая настоящая. А ведь многим не везет на начальных стадиях, хорошо, когда ты уже раскрученный известный профессор, грантов много и можно заниматься vanity projects.

Тотал синтез - это удивительное сочетание рутинного терпеливого и не супер-интеллектуального перебора сотен реакций и условий. Но может это поможет его когда-нибудь автоматизировать...

[andresol.livejournal.com]

Это не лучший синтез Бэрана, но они могли таксол вообще так и не синтезировать, что выглядело бы еще хуже. Любому профессору в подобных хороших местах повезло в научной жизни с руководителями и проектами. Но Бэран смог из своего везения взять по максимуму и стать chemistry celebrity. Мне за его статьями следить интересно, а, например, за статьями Хартвига нет, хотя с Хартвигом я лично работал и методология Хартвига больше пользы для получения лекарств принесла, чем синтезы Бэрана.

Что думают студенты/постдоки Бэрана о синтезе таксола, они обещали написать в своем блоге в скором будущем (http://openflask.blogspot.com/). Вряд ли они там будут полностью откровенными. Но этот таксоловый проект, как и почти любой проект в полном синтезе, был лотереей: если бы удалось синтезировать килограмм таксола в 10 стадий, то были бы героями. А так природа пока оказалась хитрее химиков-органиков.

[grihanm.livejournal.com]

А мне, признаться, всегда тотальный синтез казался чем то очень не интересным и малополезным. Наука интересна возможностью получить неожиданный результат, а тут есть чёткая цель, к которой мучительно идёшь, жуя по дороге тонны дерьма.

[andresol.livejournal.com]

Я смотрю на total synthesis как на смесь искусства и спорта. От бега на 100 метров никто тоже не ждет неожиданностей. Но Олимпиаду много, кто смотрит. Так и статьи по полному синтезу попадают в число самых скачиваемых.

[grihanm.livejournal.com]

Ага... Если со стометровкой сравнивать, то интрига кто первый добежит (синтезирует) и насколько быстро (с каким количеством стадий/выходом). Не, я Олимпиады не очень. :) Раньше футбол любил, теперь - шахматы предпочитаю. :) Так что тотальный синтез нет, не моё.

[grihanm.livejournal.com]

Вот кстати, записал бы видосик про эту публикацию, и выложил бы. На канале ХиМnews например. Ибо объединять популяризационные усилия надо.

[andresol.livejournal.com]

В теории я ничего не имею против ютуба и хотел бы попробовать что-нибудь записать. Но на практике пока не до этого. Это в жж я уже 10+ лет пишу, знаю, какая кнопка что делает. А там желательно и камеру с микрофоном купить, и презентацию подготовить. О таксоле, если по-хорошему, надо целую лекцию на час читать, а не пытаться за 10 минут уложиться, делая вид, что все зрители хорошо знают, что такое таксол. Вот когда-нибудь настолько будет хотеться записать видео, что возьму и запишу, но не сейчас.

Твои видео я смотрю, на канал подписался. Но вот вижу, что пока в жж комментариев можно больше собрать, чем на ютубе.

[grihanm.livejournal.com]

Дело житейское, канешн

[rempi.livejournal.com]

C-H активация всегда подразумевает окисление, или есть и радикальные варианты?

[andresol.livejournal.com]

Атом водорода в природных соединениях почти всегда будет замещен более электроотрицательным элементом (O, N, C, Cl), поэтому формально это окисление. Хотя реакция CH₄ + 2Li = CH₃Li + LiH была бы, например, восстановительной С-Н активацией.

А вот механизм этой реакции может быть и радикальным, и ионным, и разные concerted реакции бывают с переходными металлами. В природе С-Н активация почти всегда радикальная, насколько я представляю. Сам кислород O₂ - это бирадикал.

[rempi.livejournal.com]

Очень интересно! Я как газофазный физхимик занимался практически исключительно радикальными реакциями, т.е. гомолитическим разрывом связей C-H. Но это газовая фаза, в ней радикалы устойчивы. А в случае ферментов в водном растворе - что служит радикальным центром, где неспаренные электроны сидят?

[andresol.livejournal.com]

Радикалы могут жить в конденсированной фазе. Большинство очень недолго, но некоторые так и называются "стабильные радикалы", что они так с неспаренным электроном и плавают в растворе, например, трифенилметил Ph₃C*.

Но в биологических процессах обычно замешаны короткоживущие радикалы, поэтому о точных механизмах реакций могут идти споры. В биосинтезе таксола для активации и последующего окисления C-H связей используются так называемые cytochrome P450 oxidases - комплексы белка и гема - железосодержащего кофактора. Вот этот атом железа, который может менять степень окисления, принимая и отдавая электроны, находится в активном центре фермента, и можно его назвать "радикальным центром". Но там еще и молекулярный кислород участвует, который сам по себе стабильный бирадикал *O–O*.

В Wikipedia кое-что про механизм действия этих ферментов написано: https://en.wikipedia.org/wiki/Cytochrome_P450#Mechanism.
Но саму С–Н активацию можно свести вот к этой схеме:

[rempi.livejournal.com]

Спасибо! А селективность достигается за счет белковой структуры фермента, т.е. он просто втыкает радикальный центр в нужное место?
Надо придумать как его засунуть в газовую фазу и что с ним делать после этого - и можно proposal писать :)

[andresol.livejournal.com]

Да, белковая структура должна обеспечивать селективность. Меня, как химика, вообще живые организмы всегда поражали, насколько у них сложно все в клетках устроено. Потому что это мы можем в 20-стадийном синтезе очищать продукт после каждой стадии, переносить его в новую колбу с совершенно новыми условиями и растворителем. А в клетках все реакции происходят в воде, без особого нагревания, и все промежуточные вещества каким-то образом (только диффузией?) переносятся от одного фермента к следующему. При том, что разнообразных ферментов и веществ в клетке тысячи.

Если бы в клетку попали те окислители, которые Бэран в своем синтезе использовал, то они бы вначале окислили все белки и сахара, а только потом предшественников таксола. В живой клетке эти высокореактивные центры так спрятаны ферментом, что только нужные молекулы в нужных местах окисляются.

Белок в газовую фазу будет очень сложно перенести. Сам гем - порфириновое кольцо с железом посередине - проще, может, кто-то такое и делал, но всем, конечно, интереснее, как они ведут себя в биохимических условиях.

[rempi.livejournal.com]

У меня есть такая аналогия с шаростержневой моделью молекулы: мы ее можем подержать в руках, покрутить, разобрать, но химия работает не так. Вместо этого химик берет мешок с моделями, трясет его и надеется что они сами как надо соберутся. Сейчас наметился прогресс в молекулярной физике, так что быть может лет через десять кто-нибудь сумеет манипулировать молекулами на уровне шаростержневой модели. Не уверен правда насчет белков, двухатомные бы освоить.
И гем, и сами белки переносят в газовую фазу, но это конечно непросто сделать. В принципе, можно даже сольватированную систему в газовую фазу поместить, но всегда будет оставаться вопрос, сколько надо сольватных оболочек, чтобы молекула вела себя как в растворе. Есть и другой подход - изучить изолированную молекулу и попытаться предсказать ее поведение в растворе с помощью теории, откалиброванной по газофазным исследованиям.

[2born.livejournal.com]

Очень интересно, спасибо!

[andresol.livejournal.com]

Спасибо, что читаете. Рад, что не только химикам интересно.

[motek.livejournal.com]

Интересно. Таксол очень много используется, да.

Не поняла что особенного он сделал если до него уже синтезировали 39 мг.

[andresol.livejournal.com]

Тут дело не в массе полученного продукта, а в особенностях синтетического пути. Для практического синтеза таксола ни один из уже 11 предложенных химических синтезов не годится, даже если бы они 39 граммов синтезировали: нужно сильно больше, дешевле и быстрее. Но Бэран предполагает, что промежуточные продукты в его синтезе могут оказаться аналогами таксола и тоже потенциальными противораковыми препаратами. Время покажет, заинтересуются ли фармацевтические компании работать с ним в этом направлении.

Но он не medicinal chemist, а синтетик в первую очередь. Конкретно этим синтезом он хотел создать пример для его нового философского подхода к синтезу вообще. Он и выбрал таксол, потому что уже было несколько известных его синтезов, которые он хотел переплюнуть. Но вот на мой взгляд не получилось.

[slonik-ora.livejournal.com]

Я раньше думал, что таксол и паклитаксель - это как колцемид и колхицин, т.е. одно вещество выделено, а другое синтезировано. Спасибо ) Только фраза про клетки человека неточная, Hоmo sapiens тут не при чём. Микротрубочки одинаковы у всех эукариот, и любые вещества, которые резко влияют на их динамику (типа нокодазола или того же колхицина), являются цитостатиками. Ну, а для терапии рака используется любая подходящая дрянь, которая на трансформированные клетки действует сильнее, чем на обычные. Поэтому от химиотерапии в первую очередь страдают пулы активно делящихся клеток - в частности, опухолевые и костного мозга.

[andresol.livejournal.com]

Спасибо за уточнение. Я хотел вначале написать про клетки животных, потом подумал, что животных много, откуда я знаю, как таксол действует на муравьев или на амеб. Можно было бы написать о клетках млекопитающих. Но тут у химиков другая шутка существует, что заявки на грант пишутся о том, как мы будем лечить рак у мышей. Если мышиные модели на человека часто не переносятся, то и обратное тоже должно быть верно. Я точно знаю, что таксол лечит рак в людях, поэтому оставил Homo sapiens. Но соглашусь, что не только в них.

Историю с названием я сам не знал. Изначально вещество называлось таксол, но потом фармацевтической компании разрешили зарегистрировать это название как торговую марку, а для generic вещества придумали новое название. Даже слушания в Конгрессе были, насколько это законно. Не знаю других таких случаев. И сам Бэран продолжает в статье использовать слово Taxol®, потому что химики к нему привыкли.

[slonik-ora.livejournal.com]

Вещество всё равно все будут называть таксолом - на эппендорфиках со стоковым раствором надпись длиннее чем "taxol" не уместится ))
А про канцерогенез лично я вообще рассуждаю в заявках на фоне работы с клеточными культурами ))

[shultz-flory.livejournal.com]

Интересно было бы E-фактор этого синтеза посчитать.

[andresol.livejournal.com]

Он будет ужасным. Если выход они посчитали в 0.0014%, то E-factor минимум 99.9986 / 0.0014 = 71000. Это без учета растворителей, отходов, полученных в ходе оптимизации синтеза. И я не знаю, на что они этот выход считали: на коммерчески доступные вещества или на интермедиат с таксановым скелетом.

[de-chocolate.livejournal.com]

Спасибо, очень интересно. Я недавно как раз читала про паклитаксел.

[andresol.livejournal.com]

Спасибо! Я квалифицированно могу только о химической стороне дела писать, о медицинской части сам мало знаю.

[betain.livejournal.com]

Спасибо! Круто, что продолжаешь писать по оргихиму :).
Фил, конечно молодец, что закончил синтез. Честно у меня, со стороны, смешанное отношение к нему. С одной стороны он делает много, чтобы продвинуть оргсинтез, а с другой стороны он кажется невероятным популистом и делает все из-за этого. При этом, действительно сложно представить другую более видную фигуру на горизонте молодых профессоров, никто не отсвечивает пока. Так что, надеюсь, что он продолжит начатое и будет развитие.
Спасибо за ссылки на лекции!

[andresol.livejournal.com]

Его руководитель Nicolaou тоже был "популяризатором", и вот про него мне казалось, что он перегибал палку, когда вставлял слишком много фотографий себя в свои книги о синтезе и начал раскрашивать кольца в структурных формулах.

А Бэран делает много вещей, за которые я могу его только похвалить: у них на сайте выложены презентации со всех group meetings, вот видеолекции по гетероциклам выложил, статьи выкладывают в открытый доступ (иначе бы я ее и не стал читать), в SI размещают фотографии, а то и видео всех установок, чтобы было максимально удобно все воспроизводить, у них есть блог, где они обещали скоро и о таксоле написать. Такую популяризацию я приветствую. Я вот тоже этот пост написал не ради денег и не потому, что меня кто-то попросил / заставил, а чисто из любви к искусству синтеза. Вот у Бэрана такая любовь есть.

[betain.livejournal.com]

Вот как? Не знал по поводу Nicolaou, любопытно.
Про Бэрана я слышал, что суперподробные SI появились не просто так, а в ответ на критику воспроизведения его работ. В любом случае это хорошая практика.
Я не пишу, что Бэран чем-то плох, если он даже иногда популист, скорее наоборот это видимо нужно для "катализа" научного соперничества. Но при этом, мне думается, что без этого могли бы получиться более интересные работы. Также для финансирования нужен популизм на марше, вот так я объясняю для себя получившуюся картину. Хорошо, что это приводит к популяризации правильных идей и начинаний.

[andresol.livejournal.com]

Да, было такое, что люди не могли воспроизвести его статью, которую он опубликовал как раз будучи аспирантом у Nicolaou. И когда они стали критиковать Бэрана в блоге, он пришел в комментарии, объяснил, что те делали не так, и когда ему возразили: почему нельзя было о всех этих мелочах в SI написать - Бэран стал очень подробные SI писать. Но это вообще должно было давно стать нормой: если в 1990 году сделать цветные фото установки было нетривиальной задачей, то даже в 2010 году я фоткал свои колбы без проблем.

Вот Nicolaou не пришел бы, не стал бы опускаться до уровня интернетовских споров. Поэтому в определенных кругах его считают жуликом, который некоторые свои синтезы вообще не сделал. Слышал такую байку, что когда JACS стал требовать SI и картинки спектров, Nicolaou перестал там публиковаться и перешел в ACIE, потому что там тогда ничего такого не требовалось.

[betain.livejournal.com]

Мда, любопытные подробности.

\\в 2010 году я фоткал свои колбы без проблем\\
Это верно. Я удивлен, что до сих пор нет внятного ELN для всех, с обязательной публикацией всех экспериментов по проекту. Тогда, возможно, пропали бы проблемы с SI и уменьшилась возня с негативными результатами.

[m-cardholder.livejournal.com]

Спасибо, интересно!

[andresol.livejournal.com]

Спасибо! Никто больше в жж о total synthesis не пишет (или я о таких журналах не знаю), вот и у моих химических постов читатели находятся.