Laimėjimo deriniai

Kukliame dviejų aukštų biurų pastate pačiame Silicio slėnio centre vyksta eksperimentų serija, galinti visam laikui pakeisti tai, kaip mokslininkai ieško naujų medžiagų. Vienoje laboratorijoje roboto ranka, uždaryta stalviršio dydžio vakuuminėje kameroje, skirta sintetinti elektroninius junginius. Robotas parenka keraminę plokštelę iš mažos kompaktinių diskų krūvos ir patraukia plokštelę į centrinę kamerą, esančią už pėdos. Elektronų spindulys sprogdina diską, pučia keramikos garus į mažyčius kvadratėlius ant blizgios silicio plokštelės. Vakuuminėje kameroje esančios langinės atsidaro ir užsidaro, kad tiksliai valdytų, kiek garų patenka į kiekvieną kvadratą. Robotas padeda pirmąjį keraminį diską ir pasirenka kitą. Procesas kartojamas tol, kol sidabrinė plokštelė pasidengia tamsiais kvadratais, kurių kiekvienas gali būti naujas aukštos temperatūros superlaidininkas.

Prieškambaryje dar viena mažytė roboto ranka šniokščia pirmyn ir atgal per stalviršį. Rankos adatos galiukas išpurškia kelis lašus į dešimtis šulinėlių, esančių plastikiniame dėkle, kurio dydis prilygsta minkštu viršeliu. Kiekviename šulinyje yra skirtingas cheminių medžiagų mišinys ir netrukus kiekviename bus tokio tipo plastiko, kurio anksčiau nebuvo. Vienas iš tų naujų polimerų galėtų tapti pasirinkta medžiaga didelio stiprumo konstrukcijoms, elektros izoliacijai ar biologiniams implantams.

Ši istorija buvo mūsų 1998 m. gegužės mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Sveiki atvykę į startuolio, vadinamo Symyx, būstinę ir galbūt į ateitį, susijusią su medžiagų žvalgymu. Pagal šią naują strategiją, pasiskolintą iš chemijos ir biotechnologijų, automatizuotos mašinos greitai sintezuoja ir sijoja nuo dešimčių iki dešimčių tūkstančių naujų medžiagų, tikėdamosi, kad bus sumokėta. Tai didžiulis pokytis, palyginti su tradiciškai dirbusių medžiagų mokslininkų darbo, vadovaudamiesi tiksliais receptais ir retkarčiais įkvėpimo šaltiniu, maišyti chemikalus mėgintuvėliuose, nuobodžiai gaminant naujas medžiagas po vieną.

Paimti užuominą iš gamtos

Nors Weinbergas ir jo kolegos iš Symyx yra pirmieji, kurie bando komerciškai pritaikyti kombinatorinius metodus medžiagų tyrimams, jie šio proceso neišrado. Tiesą sakant, juos keliais milijardais metų nugalėjo labai kūrybingas novatorius: Evolution. Ląstelės turi galimybę sukurti daugybę įvairių molekulių, pagrįstų ribotu statybinių blokų skaičiumi, ir tada pasirinkti geriausiai veikiančias. Šiame pažįstamame evoliucijos procese ląstelės sukuria didžiulę DNR ir baltymų molekulių įvairovę, išdėstydamos bendrus statybinius blokus kita tvarka. Natūrali atranka padaro visa kita.

Devintojo dešimtmečio pradžioje tyrinėtojai pradėjo mėgdžioti gamtos pavyzdį. Jie pradėjo kurti peptidų trumpų baltymų kolekcijas, kurios gali prisijungti prie ląstelių receptorių ir taip reguliuoti ląstelių funkciją. Tai, kaip gerai vyksta šis reguliavimas, priklauso nuo to, kaip stipriai peptidas jungiasi su receptoriumi, kuris pats priklauso nuo to, ar gaunama tik tinkama peptidų statybinių blokų, aminorūgščių, seka. Tyrėjai išrado keletą metodų, kurie leido suskirstyti aminorūgštis į skirtingus derinius ir sekti jų pagamintus produktus. Jie nustatė, kad jie gali lengvai sukurti tūkstančius peptidų nieko plokščio. Išbandę šių junginių aktyvumą ląstelėse, mokslininkai galėtų greitai rasti chemiškai aktyviausią peptidą ir išsiaiškinti jo struktūrą.

Šios ankstyvos sėkmės nesulaukė daug atsivertusių tarp tų, kurie kuria naujus terapinius vaistus pragyvenimui. Iš pradžių buvo didžiulis vaistų chemikų pasipriešinimas, sako Josephas Hoganas, ArQule-a Medford, Masačusetso valstijoje įsikūrusio kombinatorinio startuolio įkūrėjas ir vyriausiasis mokslinis pareigūnas. Jie manė, kad tai buvo visiškai neelegantiška ir negraži, palyginti su tradiciniu požiūriu racionaliai kurti ir kruopščiai sintetinti junginius.

Šis metodas taip pat susidūrė su praktiniais apribojimais. Kadangi skrandyje esantys fermentai skaido peptidus, dauguma tyrinėtojų laikė juos prastais vaistais. Tačiau idėja sklandė ore, ir netrukus naujos tyrimų grupės parodė, kad pagrindinė strategija gali neapsiriboti peptidais ir sudaryti mažus organinius junginius, panašius į tuos, kurie sudaro daugumą vaistų.

Dešimtojo dešimtmečio pradžioje didelės spartos chemijos pamišimas apėmė farmacijos pramonę. Startuoliai atgijo siekdami komercializuoti kombinatorines žinias. Šios bendrovės, gavusios šimtus milijonų dolerių iš investuotojų, ėmėsi kurti potencialių vaistų bibliotekas su tiek junginių, kiek didelės farmacijos įmonės per pastaruosius 100 metų buvo sukaupusios savo sandėlių lentynose. Didelės farmacijos įmonės, tokios kaip Glaxo Wellcome ir Merck, įsitraukė į ginčą, pradėdamos savo kombinacinius tyrimus ir sudarydamos įspūdingus sandorius su kombinatorinės chemijos naujovėmis. Devintojo dešimtmečio viduryje tradicionalistai juokėsi iš kombinatorinės narkotikų sintezės idėjos, sako Weinbergas. Bet dabar jie nesijuokia.

Atgal į ateitį

Schultzas lažinasi, kad medžiagų mokslui dabartis yra tarsi devintojo dešimtmečio pabaiga. 1995 m. Berklio chemikas Schultzas, einantis bendras pareigas Lawrence'o Berkeley nacionalinėje laboratorijoje (LBNL), kartu su LBNL fiziku Xiao Dong Xiang ir kitais sukūrė kombinatorinę medžiagų biblioteką, o ne vaistų kandidatus. Pirmiausia grupė sukūrė 128 skirtingų junginių matricas, kurių kiekvienas yra potencialus aukštos temperatūros superlaidininkas, o kiekvienas yra mažas taškelis, kurio skersmuo yra tik 200 milijonųjų metro dalių. Berkeley komanda ir kiti kūrė fosforo, duomenų saugojimo medžiagų, polimerų, katalizatorių ir net elektroninių prietaisų bibliotekas.

Visoms šioms įvairioms medžiagoms pagrindinė strategija yra ta pati: vienu metu padarykite daug junginių, tada vienu metu nuskaitykite juos, kad sužinotumėte, kuris geriausiai veikia. Pavyzdžiui, kad sukurtų superlaidininkių masyvą, Berklio komanda per kaukę po vieną purškė septynis skirtingus neorganinius oksidus. Naudodami daugybę skirtingų kaukių, kad kontroliuotų kiekvieno oksido nusėdimą, mokslininkai sukūrė šaškių lentą iš junginių, kuriuose kiekviename lentos 200 mikronų kvadrate buvo skirtingas elementų derinys. Tada visas lustas buvo apdorotas ir patikrintas dėl aktyvumo.

Tačiau tokių matricų kūrimas yra paprastas dalykas; daug sunkiau išrinkti nugalėtojus. Nėra didelio skirtumo, jei vienu metu galite pagaminti 100 000 junginių, jei vis tiek turite juos išbandyti po vieną, sako Brandeis universiteto chemikas Gregory Petsko, kuris taip pat yra ArQule mokslinis patarėjas. Greitojo atrankos metodai yra plačiai prieinami vaistų atradimo tyrimuose, siekiant nustatyti pageidaujamą biologinį aktyvumą. Tačiau lygiaverčių ekranų daugumai fizinių savybių, tokių kaip lankstumas ir elektrinis laidumas, matuoti, tiesiog dar nėra.

Kaip išmatuoti medžiagos nanogramo stiprumą? klausia Luke'as Schneideris, vadovaujantis kombinatorinėms pastangoms SRI International, konsultacijų ir tyrimų įmonėje Menlo parke, Kalifornijoje. Niekas dar nesukūrė šios technologijos. Be to, kombinatoriniai metodai reikalauja išmatuoti tūkstančius junginių vienu metu. Turi būti sukurta visiškai nauja technologija, sako Schneideris.

Kelios grupės bando sukurti patogius metodus, leidžiančius greitai išbandyti didžiulių skirtingų medžiagų partijų savybes. „Symyx“ savo naują mėlyną fosforą rado anksčiau šiais metais, tiesiog apšviesdamas ultravioletine šviesa daugybę galimų fosforo, kad pamatytų, kuris šviečia ryškiausiai. Kiti didelės spartos ekranai yra kuriami. Praėjusiais metais Xiang ir jo LBNL kolegos išrado naują didelės spartos skenuojantį mikroskopą, kurį naudoja elektroninių savybių masyvams tikrinti. Richardas Wilsonas ir jo kolegos iš Hiustono universiteto eksperimentavo su infraraudonųjų spindulių jutikliu, skirtu katalizatorių matricų aktyvumui sekti, žiūrėdami į šilumą, išsiskiriančią reakcijų metu.

Nors ieškoma naujų ekranų, daugiausia sėkmės kuriant kombinatorinę medžiagą pavyko kuriant įdomių naujų junginių bibliotekas. Neseniai Berklio komanda išskyrė daugiau naujų teritorijų, pranešdama apie pirmąjį kombinacinį elektroninių prietaisų masyvą. Šiuo atveju mokslininkai sukūrė paprastus įrenginius, vadinamus feroelektriniais kondensatoriais, naudojamus informacijai saugoti kaip elektros krūvio paketus DRAM (dinaminės laisvosios kreipties atminties) kompiuterių lustuose. Kompiuterių kompanijos tikisi sumažinti DRAM lustus iki dar mažesnių matmenų. Tačiau šiuo metu elektros krūviui apriboti naudojamos medžiagos sugenda, kai yra per plonos sluoksniuotos, todėl srovė išteka kaip vanduo iš nesandaraus kibiro.

Siekdami rasti naujus kibirus, kurie ne tiek daug prateka, Xiang ir bendradarbiai sukūrė kelių tūkstančių kondensatorių masyvą, kurių kiekvienas turi krūvį ribojantį sluoksnį, pagamintą iš šiek tiek kitokio keramikos lydinio. Grupė išsiaiškino, kad tam tikras bario, stroncio ir titano derinys, papildytas volframu, buvo geriausias būdas sustabdyti nuotėkį. Tikėtina, kad naujoji medžiaga iš karto nepateks į įrenginius, nes ji vis tiek turi pasitvirtinti dėl kitų priežasčių, pavyzdžiui, atitikti dabartinę lustų gamybos praktiką. Tačiau tai siūlo daug žadančią naujovę.
Nors kondensatoriai ir fosforai yra viliojantys šių revoliucinių kombinacinių metodų taikiniai, didelis atlygis gali pasirodyti esąs katalizatorius. Katalizatoriai yra labai svarbūs daugeliui komercinių procesų, pradedant plastiko gamyba ir baigiant didelio kiekio cheminių medžiagų gamyba, baigiant išmetamųjų teršalų kontrolės įtaisais automobiliuose. Sugalvokite katalizatorių, kad pagamintumėte geresnį ar pigesnį plastiką, ir jūs laimėsite daug. Tais dalykais galite iškreipti rinkas, sako Hoganas.

Nepaisant ekonominių paskatų, mokslininkams sunku kurti katalizatorius. Katalizė yra žinomai sudėtingas procesas, o katalizatoriai yra smulkmeniški padarai; kiekvienas geriausiai veikia esant tam tikroms sąlygoms, tokioms kaip temperatūra, slėgis ir reagentų koncentracija. Išsiaiškinti, kaip šie kintamieji veikia katalizatorių, yra nepaprastai sunku. Todėl polimerų chemija jau seniai buvo iš dalies mokslas ir menas, o chemikai labai pasikliauja intuicija ir sėkme, ieškodami naujų katalizatorių. Niekas nežino, kaip sukurti idealų katalizatorių nuo nulio, sako Petsko.

Dėl medžiagų sudėtingumo naujų katalizatorių atradimas yra svarbiausia kombinatorinių chemikų bandymų vieta. 1996 m. mokslininkai, vadovaujami Amiro Hoyveda ir Marco Snapperio iš Bostono koledžo, paskelbė vieną iš pirmųjų pranešimų apie įvairių katalizatorių bibliotekų kūrimą. Ir dabar beveik visi kiti, įskaitant Symyx, ArQule, SRI ir DuPont, bando daryti tą patį.

Vis dar kliūtys

Nepaisant pažangos, kombinacinė chemija vis dar turi pasitvirtinti medžiagų tyrimuose. Ir nors kombinatoriniai metodai iš mokslo keistumo per kelerius metus tapo kylančia žvaigžde narkotikų versle, sėkmę medžiagų pramonėje pasiekti gali būti sunkiau.

Greitas patikrinimas, pasirodo, nėra vienintelis galvos skausmas. Tyrėjai taip pat turi sugalvoti greitesnius metodus, kaip nustatyti tikslią kiekvieno junginio molekulinę struktūrą. Tai ypač sunku kristalinėms medžiagoms, tokioms kaip aukštos temperatūros superlaidininkai, sako Xiang. Net jei mokslininkai žino tikslią masyvo kvadrato cheminę sudėtį, medžiaga gali turėti įvairių struktūrų, lygiai taip pat, kaip krituliai gali iškristi kaip lietus, kruša ar sniegas.

Be tokių tyrimų kliūčių, kyla dar daugiau bauginančių komercializavimo iššūkių. Neužtenka rasti geros medžiagos, sako Xiang. Tyrėjai turi išsiaiškinti, kaip padidinti gamybą nuo nanogramų iki tonų. Net jei medžiagos gali būti pagamintos gana dideliais kiekiais, birios medžiagos dažnai elgiasi labai skirtingai nei plonos plėvelės. Junginys, kuris veikia kaip aukštos temperatūros superlaidininkas, kai yra plona plėvelė, gali elgtis visiškai kitaip kaip milteliai. Yra daug tiesiog abejojančių, kurie abejoja, [ar] visa tai galima padaryti, sako Bobas Ezzellis, „Dow Chemical“ chemikas.

Daugelis nenori rizikuoti. Dauguma tyrimų vadovų, atsakingų už biudžetą, nenori lošti dėl nepasitvirtinusios technologijos, sako Engelhardo chemikas Geraldas Koermeris. Jų polinkis susilaikyti.

Tačiau kombinatorijos šalininkai nesijaudina. Pasak SRI Schneider, ši technologija eskaluoja mokslinių tyrimų ginklavimosi varžybas, todėl jos vartotojai gali greičiau ir pigiau sugalvoti naujus produktus nei konkurentai. O versle, kuriame laimėtojai ir pralaimėtojai dažnai nustatomi patentų teisme, kombinatorinė chemija gali leisti įmonėms susikurti teises į naujas technologijas, kol kitos įmonės net nesulaukia naujos srities, sako Schneideris. Pradiniame patente labai sunku padengti viską, ką norėtumėte padengti, aiškina Schneideris. Pasak jo, pagreitindama atradimo procesą, kombinatorinė chemija leidžia aprėpti daugiau pasaulio.

Procesas taip pat veikia atvirkštine tvarka. Taip pat jūsų konkurentams lengviau apeiti jūsų technologiją, nes jie gali greitai ištirti šimtus ar tūkstančius alternatyvių junginių, jau esančių rinkoje, sako Schneider. Dėl to Schneider mano, kad artimiausiu metu chemijos ir medžiagų įmonės bus daugiau ar mažiau priverstos naudoti kombinacines pastangas, kad konkurentai negalėtų piratuoti savo pagrindinės veiklos.

Tik kada tai įvyks, gali spėlioti. Ir prireiks kardinalių mąstymo pokyčių. Moksliniai tyrimai tikrai nepasikeitė po Madame Curie, sako Schneider. Jis priduria, kad kombinatorinė chemija yra esminis tyrimo mąstymo pokytis. Tokį pakeitimą sunku priversti žmones tai padaryti. Kad tyrėjai būtų įsitikinę, kad kombinatorinė chemija yra medžiagų mokslo ateities banga, o ne tik trumpalaikis bangavimas, tai tikrai turės įtakos, sako Schneideris. Bet jei ir kai kas nors gaus tą pirmąjį didelį smūgį, sako jis, visi seks ir sakys: Dieve, aš negaliu patikėti, kad mes to nedarėme visą laiką.

paslėpti