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.
