Uzvarētāju kombinācijas

Pieticīgā divstāvu biroju ēkā Silīcija ielejas centrā notiek virkne eksperimentu, kas varētu uz visiem laikiem mainīt to, kā zinātnieki meklē jaunus materiālus. Vienā laboratorijā robota roka, kas ir noslēgta galda izmēra vakuuma kamerā, ir paredzēta elektronisku savienojumu sintezēšanai. Robots atlasa keramikas vafeles no mazas kompaktdisku kaudzes un ievelk vafeles uz centrālo kameru pēdas attālumā. Elektronu stars spridzina disku, izpūšot keramikas tvaikus pret sīkiem kvadrātiņiem uz spīdīgas silīcija plāksnītes. Slēģi vakuuma kamerā ar klikšķi tiek atvērti un aizvērti, lai precīzi kontrolētu, cik daudz tvaiku sasniedz katrā kvadrātā. Robots noliek pirmo keramikas disku un izvēlas citu. Process tiek atkārtots, līdz sudrabainā plāksne ir pārklāta ar tumšiem kvadrātiem, no kuriem katrs ir potenciāls jauns augstas temperatūras supravadītājs.

Lejā gaitenī pāri galda virsmai šurpu un atpakaļ sita vēl viena maza robota roka. Rokas adatas gals iesmidzina dažus pilienus desmitiem iedobīšu, kas novietotas plastmasas paplātē mīksta vāka grāmatas izmērā. Katrā iedobē ir atšķirīgs ķīmisko vielu maisījums, un drīz katrā no tiem būs tāda veida plastmasa, kas nekad agrāk nav ražota. Viens no šiem jaunajiem polimēriem varētu kļūt par materiālu augstas stiprības konstrukcijām, elektroizolācijai vai bioloģiskiem implantiem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 1998. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Laipni lūdzam starta uzņēmuma Symyx galvenajā mītnē un, iespējams, materiālu meklēšanas nākotnē. Šajā jaunajā stratēģijā, kas aizgūta no ķīmijas un biotehnoloģijas, automatizētās mašīnas ātri sintezē un izsijā no desmitiem līdz desmitiem tūkstošu jaunu materiālu, cerot, ka maksās netīrumus. Tās ir lielas pārmaiņas salīdzinājumā ar to, kā materiālu zinātnieki ir tradicionāli strādājuši, sekojot precīzām receptēm un ik pa laikam iedvesmas lēkmēm, lai mēģenēs sajauktu ķīmiskas vielas, pa vienam nogurdinoši gatavojot jaunus materiālus.

Gūt norādes no dabas

Lai gan Veinbergs un viņa kolēģi no Symyx ir pirmie, kas mēģina komerciāli izmantot kombinatoriskās metodes materiālu izpētē, viņi šo procesu neizgudroja. Patiesībā tos par dažiem miljardiem gadu pārspēja ļoti radošs novators: Evolution. Šūnām ir iespēja izveidot plašu molekulu klāstu, pamatojoties uz ierobežotu skaitu celtniecības bloku, un pēc tam atlasīt tos, kas darbojas vislabāk. Šajā pazīstamajā evolūcijas procesā šūnas rada milzīgu DNS un olbaltumvielu molekulu daudzveidību, sakārtojot kopīgus celtniecības blokus citā secībā. Dabiskā atlase dara visu pārējo.

Sākot ar 1980. gadu sākumu, pētnieki sāka atdarināt dabas piemēru. Viņi sāka veidot peptīdu-īsu proteīnu kolekcijas, kas var saistīties ar šūnu receptoriem un tādējādi regulēt šūnu darbību. Tas, cik labi notiek šī regulēšana, ir atkarīgs no tā, cik cieši peptīds saistās ar receptoru, kas pats par sevi ir atkarīgs no pareizās peptīdu celtniecības bloku, aminoskābju, secības iegūšanas. Pētnieki izgudroja vairākas metodes, kas ļāva sakārtot aminoskābes dažādās kombinācijās un izsekot to ražotajiem produktiem. Viņi atklāja, ka viņi var viegli izveidot tūkstošiem peptīdu neko līdzenu. Pārbaudot šo savienojumu aktivitāti šūnās, pētnieki varēja ātri atrast ķīmiski aktīvāko peptīdu un izstrādāt tā struktūru.

Šie agrīnie panākumi neieguva daudzus cilvēkus, kuri izstrādā jaunas terapeitiskās zāles iztikai. Sākotnēji medicīnas ķīmiķi izrādīja milzīgu pretestību, saka Džozefs Hogans, ArQule-a Medford (Masa) dibinātājs un galvenais zinātniskais darbinieks. Viņi uzskatīja, ka tas ir pilnīgi neelegants un neglīts salīdzinājumā ar tradicionālo pieeju savienojumu racionālai izstrādei un pēc tam rūpīgai sintezēšanai.

Pieejai bija arī praktiski ierobežojumi. Tā kā enzīmi kuņģī noārda peptīdus, lielākā daļa pētnieku uzskatīja tos par sliktiem medikamentiem. Taču ideja bija gaisā, un drīz vien jaunas pētnieku grupas parādīja, ka pamatstratēģija var pārsniegt peptīdus un radīt mazus organiskos savienojumus, kas ir līdzīgi tiem, kas veido lielāko daļu zāļu.

Deviņdesmito gadu sākumā ātrgaitas ķīmijas trakums pārņēma farmācijas nozari. Jaunuzņēmumi atdzīvojās, lai komercializētu kombinatoriskās zināšanas. Ieguldot simtiem miljonu dolāru no investoriem, šie uzņēmumi sāka izveidot potenciālo zāļu bibliotēkas ar tik daudz savienojumu, cik lielie farmācijas uzņēmumi bija uzkrājuši savu noliktavu plauktos pēdējo 100 gadu laikā. Nevar atstāt novārtā, ka lielie farmācijas uzņēmumi, piemēram, Glaxo Wellcome un Merck, iesaistījās cīņā, uzsākot savus kombinatoriskos pētījumus un pārsteidzošus darījumus ar kombinatoriskās ķīmijas jaunizveidotiem uzņēmumiem. Astoņdesmito gadu vidū tradicionālisti smējās par ideju par narkotiku kombinatorisko sintēzi, saka Veinbergs. Bet viņi tagad nesmejas.

Atpakaļ uz nākotni

Šulcs liek derības, ka materiālu zinātnei tagadne atkal ir kā astoņdesmito gadu beigas. 1995. gadā Bērklija ķīmiķis Šulcs, kurš ieņem kopīgu amatu Lorensa Bērklija Nacionālajā laboratorijā (LBNL), sadarbojās ar LBNL fiziķi Sjao Dongu Sjanu un citiem, lai izveidotu kombinatorisku materiālu bibliotēku, nevis zāļu kandidātu. Vispirms grupa izveidoja 128 dažādu savienojumu blokus, no kuriem katrs ir potenciāls augstas temperatūras supravadītājs un katrs sīks plankums, kura diametrs ir tikai 200 miljonās daļas. Bērklija komanda un citi turpināja izveidot fosforu, datu uzglabāšanas materiālu, polimēru, katalizatoru un pat elektronisko ierīču bibliotēkas.

Visiem šiem dažādajiem materiāliem pamatstratēģija ir vienāda: vienlaikus izveidojiet daudz savienojumu, pēc tam skenējiet tos vienlaikus, lai noskaidrotu, kurš no tiem darbojas vislabāk. Piemēram, lai izveidotu supravadītāju masīvu, Bērklija komanda pa vienam caur masku izsmidzināja septiņus dažādus neorganiskos oksīdus. Izmantojot virkni dažādu masku, lai kontrolētu katra oksīda nogulsnēšanos, pētnieki izveidoja savienojumu šaha dēli, kurā katrs 200 mikronu kvadrāts uz tāfeles saturēja atšķirīgu elementu kombināciju. Pēc tam visa mikroshēma tika apstrādāta un pārbaudīta uz darbību.

Taču šādu masīvu izveidošana izrādās vienkāršāka; ir daudz grūtāk izvēlēties uzvarētājus. Nav lielas atšķirības, ja varat vienlaikus izveidot 100 000 savienojumu, ja jums tie joprojām ir jāpārbauda pa vienam, saka Brandeisas universitātes ķīmiķis Gregorijs Petsko, kurš ir arī ArQule zinātniskais padomnieks. Ātrās skrīninga metodes ir plaši pieejamas zāļu atklāšanas pētījumos, lai noteiktu vēlamo bioloģisko aktivitāti. Taču līdzvērtīgi ekrāni lielākajai daļai fizisko īpašību, piemēram, elastības un elektriskās vadītspējas, mērīšanai vienkārši vēl nepastāv.

Kā izmērīt materiāla nanograma stiprumu? jautā Lūks Šneiders, kurš vada kombinatorisko darbu SRI International, konsultāciju un pētniecības uzņēmumā Menlo Parkā, Kalifornijā. Neviens vēl nav izstrādājis šo tehnoloģiju. Turklāt kombinatoriskajām pieejām ir nepieciešams uzreiz izmērīt tūkstošiem savienojumu. Ir jāveido pilnīgi jauna tehnoloģija, saka Šneiders.

Vairākas grupas cenšas izstrādāt ērtas metodes milzīgu dažādu materiālu partiju īpašību ātrai pārbaudei. Symyx savu jauno zilo luminoforu atrada šā gada sākumā, vienkārši apstarojot ultravioleto gaismu virkni kandidātu luminoforu, lai noskaidrotu, kurš spīd visspilgtāk. Tiek izstrādāti citi ātrgaitas ekrāni. Pagājušajā gadā Sjans un viņa LBNL kolēģi izgudroja jaunu ātrdarbīgu skenējošu mikroskopu, ko viņi izmanto, lai pārbaudītu masīvus, lai noteiktu elektroniskās īpašības. Ričards Vilsons un viņa kolēģi no Hjūstonas universitātes ir eksperimentējuši ar infrasarkano staru sensoru, lai izsekotu katalizatoru bloku aktivitāti, aplūkojot reakciju laikā izdalīto siltumu.

Lai gan tiek meklēti jauni ekrāni, lielākā daļa panākumu kombinatorisko materiālu izstrādē ir gūti, izstrādājot interesantu jaunu savienojumu bibliotēkas. Nesen Bērklija komanda izcēla vairāk jaunu teritoriju, ziņojot par pirmo elektronisko ierīču kombinatorisko masīvu. Šajā gadījumā pētnieki izveidoja vienkāršas ierīces, ko sauc par feroelektriskajiem kondensatoriem, ko izmantoja informācijas glabāšanai kā elektriskā lādiņa paketes DRAM (dinamiskās brīvpiekļuves atmiņas) datoru mikroshēmās. Datoru uzņēmumi cer samazināt DRAM mikroshēmas līdz vēl mazākiem izmēriem. Taču materiāli, kas pašlaik tiek izmantoti, lai ierobežotu elektrisko lādiņu, sabojājas, ja tie ir pārāk plāni, izraisot strāvu, kas izplūst kā ūdens no necaurlaidīga kausa.

Lai atrastu jaunus kausus, kas neizplūst tik daudz, Sjans un kolēģi uzbūvēja vairākus tūkstošus kondensatoru, katrs ar lādiņu ierobežojošu slāni, kas izgatavots no nedaudz atšķirīga keramikas sakausējuma. Grupa atklāja, ka konkrēta bārija, stroncija un titāna kombinācija, kas papildināta ar volframa pieskārienu, bija vislabākā noplūdes apturēšanā. Jaunais materiāls, visticamāk, nenokļūs ierīcēs nekavējoties, jo tam joprojām ir jāpierāda sevi citu iemeslu dēļ, piemēram, jāatbilst pašreizējai mikroshēmu izgatavošanas praksei. Bet tas piedāvā daudzsološu jaunu iespēju.
Lai gan kondensatori un luminofori ir vilinoši mērķi šīm revolucionārajām kombinatoriskajām metodēm, lielā atdeve var izrādīties katalizators. Katalizatori ir atslēga neskaitāmiem komerciāliem procesiem, sākot no plastmasas ražošanas līdz liela apjoma ķīmisko vielu ražošanai un beidzot ar emisiju kontroles ierīcēm automašīnās. Izstrādājiet katalizatoru, lai izgatavotu labāku vai lētāku plastmasu, un jūs varēsit uzvarēt. Jūs varat deformēt tirgus ar šīm lietām, saka Hogans.

Neskatoties uz ekonomiskajiem stimuliem, pētniekiem ir grūti izstrādāt katalizatorus. Katalīze ir ļoti sarežģīts process, un katalizatori ir smalki radījumi; katrs darbojas vislabāk savos apstākļos, piemēram, temperatūrā, spiedienā un reaģentu koncentrācijās. Ir ārkārtīgi grūti noskaidrot, kā šie mainīgie ietekmē katalizatoru. Tā rezultātā polimēru ķīmija jau sen ir daļēji zinātne un daļēji māksla, un ķīmiķi, lai atrastu jaunus katalizatorus, lielā mērā paļaujas uz intuīciju un veiksmi. Neviens nezina, kā no jauna izveidot ideālu katalizatoru, saka Petsko.

Materiālu sarežģītība padara jaunu katalizatoru atklāšanu par galveno kombinatorisko ķīmiķu testēšanas vietu. 1996. gadā pētnieki Amir Hoyveda un Marc Snapper vadībā Bostonas koledžā iesniedza vienu no pirmajiem ziņojumiem par dažādu katalizatoru bibliotēku izveidi. Un tagad gandrīz visi citi, tostarp Symyx, ArQule, SRI un DuPont, cenšas darīt to pašu.

Joprojām šķēršļi

Neskatoties uz progresu, kombinētajai ķīmijai joprojām ir jāpierāda sevi materiālu izpētē. Un, lai gan kombinatoriskās metodes no zinātniskām dīvainībām vairāku gadu laikā kļuva par uzlecošu zvaigzni narkotiku biznesā, materiālu rūpniecībā panākumus varētu būt grūtāk sasniegt.

Ātrā skrīnings, izrādās, nav vienīgās galvassāpes. Pētniekiem ir arī jānāk klajā ar ātrākām metodēm katra savienojuma precīzas molekulārās struktūras noteikšanai. Tas ir īpaši grūti kristāliskiem materiāliem, piemēram, augstas temperatūras supravadītājiem, saka Xiang. Pat ja zinātnieki zina precīzu masīvā esošā kvadrāta ķīmisko sastāvu, materiāls var pieņemt dažādas struktūras, tāpat kā nokrišņi var nonākt lietus, krusas vai sniega veidā.

Un ārpus šādiem pētniecības šķēršļiem rada vēl biedējošākas komercializācijas problēmas. Ar laba materiāla atrašanu nepietiek, saka Sjans. Pētniekiem ir jāizdomā, kā palielināt ražošanu no nanogramiem līdz tonnām. Pat ja vielu var ražot salīdzinoši lielos daudzumos, beztaras materiāli bieži uzvedas pavisam savādāk nekā plānās kārtiņas. Savienojums, kas darbojas kā augstas temperatūras supravadītājs, ja tā ir plāna kārtiņa, var izturēties pilnīgi citādi kā pulverveida masa. Ir daudz vienkāršu šaubītāju, kuri apšauba, [vai] to visu var izdarīt, saka Bobs Ezzells, Dow Chemical ķīmiķis.

Daudzi nevēlas riskēt. Lielākā daļa pētījumu vadītāju, kuriem ir atbildība par budžetu, nevēlas uzņemties azartspēles ar nepārbaudītu tehnoloģiju, saka Džeralds Koermers, Engelharda ķīmiķis. Viņu tendence ir atturēties.

Taču kombinatorisma piekritēji nav nobijušies. Šī tehnoloģija, saka SRI Schneider, saasina pētniecības bruņošanās sacensību, ļaujot tās lietotājiem nākt klajā ar jauniem produktiem ātrāk un lētāk nekā konkurenti. Un biznesā, kurā uzvarētājus un zaudētājus bieži nosaka patentu tiesā, kombinatoriskā ķīmija varētu ļaut uzņēmumiem iegūt tiesības uz jaunām tehnoloģijām, pirms citi uzņēmumi vispār pamana jaunu jomu, saka Šneiders. Sākotnējā patentā ir ļoti grūti aptvert visu, ko vēlaties aptvert, skaidro Šneiders. Viņš saka, ka, paātrinot atklāšanas procesu, kombinatoriskā ķīmija ļauj aptvert vairāk pasaules.

Process darbojas arī apgrieztā veidā. Tas arī atvieglo jūsu konkurentiem iespēju apiet jūsu tehnoloģiju, ļaujot viņiem ātri izpētīt simtiem vai tūkstošiem alternatīvu savienojumu jau esošajam, saka Šneiders. Līdz ar to Šneiders uzskata, ka tuvākajā nākotnē ķīmisko vielu un materiālu uzņēmumi būs vairāk vai mazāk spiesti pielietot kombinatoriskus centienus, lai neļautu konkurentiem pirātizēt savu pamatbiznesu.

Kad tas notiks, to var minēt. Un tas prasīs radikālas izmaiņas domāšanā. Pētījumi patiešām nav daudz mainījušies kopš Madame Curie, saka Šneiders. Viņš piebilst, ka kombinatoriskā ķīmija ir būtiskas izmaiņas pētniecības domāšanā. Šo izmaiņu veikšana ir grūti piespiest cilvēkus darīt. Lai pētnieki būtu pārliecināti, ka kombinatoriskā ķīmija ir materiālzinātnes nākotnes vilnis, nevis tikai pārejošs uzplaukums, tai tiešām būs jāpiedzīvo, saka Šneiders. Bet, ja un kad kāds saņems pirmo lielo sitienu, viņš saka, visi sekos un sacīs: Dievs, es nespēju noticēt, ka mēs to visu laiku neesam darījuši.

paslēpties