Die Natur ist für viele Chemiker das große Vorbild und ein unerschöpflicher Ideengeber. Schließlich hat sie über Jahrmillionen eine Vielzahl äußerst komplexer Moleküle und eine Vielfalt von Strukturen hervorgebracht. Für jede noch so komplizierte Aufgabe existiert ein entsprechendes Protein. Inzwischen haben Chemiker immer besser gelernt, Biomoleküle nachzubauen oder deren Funktionalitäten nachzuahmen, oft mit dem Ziel wirkungsvollere Arzneimittel herzustellen. Dass die Synthesen heute sehr viel schneller, effizienter und günstiger erfolgen, ist nicht zuletzt Barry Sharpless, Morten Meldal und Carolyn Bertozzi zu verdanken, denen der diesjährige Nobelpreis für Chemie zuerkannt wurde – „für die Entwicklung der Click- und der bioorthogonalen Chemie“, wie die Schwedische Akademie der Wissenschaften am Mittwochvormittag erklärte.

Den Stein ins Rollen brachte Barry Sharpless am Scripps Forschungszentrum in La Jolla im Jahr 2001, dasselbe Jahr, in dem er seinen ersten Chemienobelpreis erhielt – für die Entwicklung symmetrischer Synthesen. Sharpless war damals schon länger unzufrieden damit gewesen, wie Chemiker bei der Entwicklung neuer Arzneien, versuchten, die Wirkungsweise natürlicher Biomoleküle zu imitieren. Diese Methoden führten häufig zu schwer beherrschbaren und teueren molekularen Konstruktionen. Wenn ein potenzielles Arzneimittel gefunden wurde, konnten oft nur kleine Mengen davon für Tests und klinische Studien hergestellt werden. An eine industrielle Produktion war meist nicht zu denken.

Sharpless verfolgte einen neuen und minimalistischen Ansatz in der Chemie, den er „Click-Chemie“ nannte und in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ vorstellte. Eine solche Click-Reaktion sollte, damit sie den Namen verdient, in Gegenwart von Sauerstoff, Stickstoff und Wasser als Lösungsmittel ablaufen. Ihm war es bereits mit seinem Verfahren gelungen, das Antibiotikum Meropenem auf Basis kleinerer Bausteine in großem Maßstab herzustellen. Dafür brauchte er allerdings sechs Jahre Entwicklungszeit.

Ein großer Stolperstein bei der Synthese von Biomolekülen sind die Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen, die für die Chemie des Lebens eine zentrale Rolle spielen. Diese Bindungen sind stabil und deshalb schwer aufzubrechen, aber noch schwerer zu knüpfen, etwa wenn man neue Verbindungen herstellen will. Sharpless experimentierte mit kleineren Molekülen, deren Kohlenstoffatome er mit Sauerstoff- und Stickstoffatomen leicht miteinander verbinden konnte. Als Resultat erhielt er unter anderem Meropenem.

Der Weg zu perfekten Click-Reaktion

Sharpless ahnte nicht, dass fast zur gleichen Zeit in Dänemark Mordan Meldal auf einen Reaktionsmechanismus gestoßen war, der zum Synonym für die Click-Chemie werden sollte. Der dänische Chemiker entdeckte bei seiner Suche nach Wirkstoffen per Zufall, dass sich in Gegenwart von Kupfer als Katalysator ein Molekül dreifach ungesättigter Alkine mit einem halogenhaltigen Kohlenwasserstoff verband. Allerdings nicht so, wie man es erwarten sollte. Das Alkin hatte mit dem vermeintlich „falschen“ Ende des Halogenids reagiert, wodurch ein ringförmige Kohlenwasserstoff-Verbindung entstanden war, ein Triazol. Unerwünschte Nebenprodukte traten so gut wie nicht auf. Sharpless zeigte, das Meldals Ansatz auch in Wasser abläuft.

Meldals Click-Reaktion wird heutzutage dazu verwendet, um auf einfache und effiziente Weise organische Moleküle miteinander zu verbinden, etwa um pharmazeutische Wirkstoffe zu synthetisieren, Weichmacher oder andere Baugruppen mit speziellen Eigenschaften in Kunststoffe einzubauen, gewissermaßen mit einem „Click“.

Carolyn Bertozzi von der Stanford University in Kalifornien schließlich gelang es, die Click-Reaktion so zu modifizieren, dass sie ohne den Kupferkatalysator abläuft. Dadurch war es ihr unter anderem möglich, Zuckermoleküle, die beispielsweise auf der Oberfläche einer lebenden Zelle sitzen, mit Farbstoffmolekülen auszustatten. Die Zelle kann dadurch mittels Fluoreszenzlicht unter einem Mikroskop sichtbar gemacht werden. Bertozzis sogenannte bioorthogonale Reaktion wird heute dazu genutzt, Krebszellen n und die Wirkung von Arzneistoffen zu untersuchen.