شیمی‌دان‌هایی که آینده بشر را دوباره نوشتند /نوبل شیمی چطور زندگی همه ما را تغییر داد؟

نگار علی– این جایزه، یکی از پنج جایزه اصلی نوبل، توسط آکادمی سلطنتی علوم سوئد و بر اساس پیشنهاد کمیته نوبل شیمی اعطا می‌گردد. تاریخ اعلام برندگان نوبل شیمی ۲۰۲۵، امروز، ۸ اکتبر ۲۰۲۵، ساعت ۱۳:۱۵ به وقت ایران است.

سال ۲۰۲۴ میلادی، شاهد اهمیت یافتن حوزه‌های بین‌رشته‌ای در شیمی بودیم، زمانی که جایزه به دیوید بیکر برای طراحی محاسباتی پروتئین و به دمیس هاسابیس و جان جامپر برای پیش‌بینی ساختار پروتئین با استفاده از هوش مصنوعی اهدا شد. این انتخاب، بر اهمیت بالای «ابزارها و تکنیک‌های» نوینی تأکید کرد که در مرز بین شیمی، محاسبات و زیست‌شناسی قرار دارند.  

فرآیند انتخاب برندگان نوبل تا ۵۰ سال محرمانه می‌ماند

فرآیند انتخاب برندگان نوبل به شدت محرمانه است. کمیته نوبل شیمی در آکادمی سلطنتی علوم سوئد، هزاران دعوت‌نامه را برای اساتید و دانشمندان منتخب در سراسر جهان ارسال می‌کند تا نامزدهای احتمالی را پیشنهاد دهند. با این حال، مذاکرات و مستندات مربوط به این انتخاب‌ها تا ۵۰ سال محرمانه باقی می‌مانند. این محرمانگی شدید، تحلیلگران را ملزم می‌کند تا برای پیش‌بینی، به شاخص‌های معتبر خارجی، به ویژه جوایزی که بر اساس تأثیر استنادی بالا (مانند Clarivate) یا جوایز معادل (مانند Wolf Prize) تعیین می‌شوند، تکیه کنند.  

همچنین، مشخص شده است که کمیته نوبل اغلب قبل از ارائه یک پیشنهاد نهایی، بین ۱۰ تا ۲۰ گزارش محرمانه از کارشناسان برجسته جمع‌آوری می‌کند و این فرآیند ممکن است چندین سال به طول انجامد. این رویه سخت‌گیرانه دلالت بر این دارد که کشف‌هایی شانس دریافت جایزه را دارند که حداقل ۱۵ تا ۴۰ سال از ارائه اولیه آن‌ها گذشته باشد و تأثیر جهانی و ماندگار آن‌ها به طور کامل در جامعه علمی تثبیت شده باشد. این روند، شانس کاندیداهای «دیرینه» (Overdue) با سابقه قوی در دهه‌های گذشته را بالا می‌برد.  

این گزارش به برجسته‌ترین اکتشافات در حوزه شیمی می‌پردازد که نه تنها مرزهای دانش را جابه‌جا کردند، بلکه عواقب مستقیم و غیرقابل بازگشتی بر زندگی روزمره انسان‌ها، از امنیت غذایی گرفته تا توانایی بازنویسی کد حیات، داشته‌اند.

انقلاب بقا: شکستن قفل نیتروژن و امنیت غذایی جهانی

شاید هیچ کشف شیمیایی به اندازه فرآیند هابر-بوش نتوانسته باشد به طور همزمان هم نجات‌دهنده و هم یک تهدید زیست‌محیطی باشد. فریتس هابر (۱۹۱۸) و کارل بوش (۱۹۳۱) برای توسعه سنتز آمونیاک (NH۳​) از نیتروژن جوی و هیدروژن جایزه گرفتند. این فرآیند صنعتی، تولید کودهای مصنوعی مقیاس‌پذیر را ممکن ساخت، که برای پاسخگویی به تقاضای غذایی جمعیت رو به رشد جهان در اوایل قرن بیستم حیاتی بود.  

پیامدهای دوگانه هابر-بوش

اهمیت این کشف غیرقابل انکار است: تخمین زده می‌شود که فرآیند هابر-بوش پایه غذایی نزدیک به نیمی از جمعیت فعلی جهان را تشکیل می‌دهد و برای تولید یک سوم تولید سالانه جهانی غذا استفاده می‌شود. هابر با این کشف، عملاً محدودیت‌های بیولوژیکی در دسترس بودن نیتروژن قابل جذب (که قبلاً متکی به منابع محدودی مانند گوانو بود) را از بین برد و اجازه داد تا جمعیت انسانی رشد بی‌سابقه‌ای داشته باشد.  

اما این نوآوری، یک تضاد اخلاقی سازنده را به همراه داشت. هابر نه تنها به دلیل سنتز آمونیاک، بلکه به دلیل نقش کلیدی‌اش در توسعه سلاح‌های شیمیایی، به «پدر جنگ‌های شیمیایی» نیز شهرت دارد. آمونیاک، علاوه بر کود، در تولید مواد منفجره نیز استفاده می‌شود. فراتر از مسائل اخلاقی، این فرآیند صنعتی نیازمند ورودی انرژی بسیار بالایی است که عمدتاً از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود، که به انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند. همچنین، رواناب ناشی از مصرف بیش از حد کودهای نیتراتی مصنوعی می‌تواند منجر به آلودگی آب‌های زیرزمینی و پدیده‌های آسیب‌رسان مانند شکوفایی جلبکی (یوتریفیکاسیون) در اکوسیستم‌های آبی شود. موفقیت این انقلاب شیمیایی، مدیون ترکیب تئوری ناب هابر با نبوغ مهندسی کارل بوش در توسعه فرآیندهای فشار بالا در مقیاس صنعتی بود. این نشان می‌دهد که تحولات شیمیایی بزرگ، نیازمند همگرایی علم، مهندسی و مقیاس‌پذیری هستند.  

انقلاب سلامت مولکولی: از ساختار ویتامین‌ها تا ترمیم DNA

در اوایل قرن بیستم، ویتامین‌ها اغلب به عنوان یک «حالت خاص ماده» یا «کلوئیدی» تلقی می‌شدند و ماهیت شیمیایی دقیق آن‌ها ناشناخته بود. کار پاول کارر (۱۹۳۷) این دیدگاه مبهم را به یک علم کمی تبدیل کرد. کارر ساختار شیمیایی کاروتنوئیدها و ویتامین‌های A و B۲ را کشف کرد. او اولین کسی بود که ساختار ویتامین A را نقشه‌برداری کرد و نشان داد که چگونه بدن از بتاکاروتن (رنگدانه موجود در هویج و سبزیجات) برای تولید ویتامین A استفاده می‌کند. از آنجا که ویتامین A برای رشد و بینایی ضروری است، تعیین ساختار آن و ویتامین B۲، امکان تولید مصنوعی و انبوه این ترکیبات حیاتی را فراهم کرد. این دستاورد، پایه‌ای برای صنعتی شدن داروسازی و افزودنی‌های غذایی شد و نقشی محوری در مبارزه با کمبودهای غذایی و بیماری‌های مرتبط در سراسر جهان ایفا کرد.  

استحکام طرح اولیه حیات (ترمیم DNA)

اگرچه کشف ساختار DNA (۱۹۶۲) جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی را دریافت کرد، اما نوبل شیمی ۲۰۱۵ بر حفاظت از این طرح اولیه متمرکز بود. توماس لینداهل، پل مودریچ و عزیز سانچار (۲۰۱۵) سازوکارهای پایداری حیات را آشکار کردند. اطلاعات ژنتیکی ما روزانه تحت حمله پرتوها و خطاهای شیمیایی است. اگر این سیستم‌های ترمیم وجود نداشتند، DNA مدت‌ها پیش باید به «آشوب شیمیایی» تبدیل می‌شد. این دانشمندان نحوه ترمیم DNA توسط پروتئین‌ها و حفظ اطلاعات ژنتیکی را ترسیم کردند. این درک از سیستم‌های دفاعی مولکولی، مستقیماً به توسعه درمان‌های هدفمند برای بیماری‌هایی مانند سرطان (از جمله سرطان پوست) منجر شده است. این کشف، نقش شیمی مدرن را از کشف اجزای حیات به رمزگشایی از دستورالعمل‌های نگهداری و دفاع از حیات در سطح اتمی ارتقا داد.  

انقلاب ساختار: جهان پلیمرهای طراحی شده و مواد نوین

انقلاب در مواد مصنوعی و پلاستیک‌ها، یکی از بزرگترین دگرگونی‌های شیمیایی قرن بیستم بود. این انقلاب با کار هرمان اشتودینگر (۱۹۵۳) که نظریه‌های پیشگامانه‌ای در مورد ساختارهای پلیمری (ماکرومولکول‌ها) ارائه داد، آغاز شد و زیربنای رشد سریع صنعت پلاستیک را فراهم کرد.  

نظم بخشیدن به مواد با کاتالیزورهای زایگلر-ناتا

کارل زایگلر و جولیو ناتا (۱۹۶۳) با توسعه کاتالیزورهای خاص، صنعت پلاستیک را متحول کردند. پیش از کار آن‌ها، تولید پلاستیک اغلب منجر به زنجیره‌های پلیمری با شاخه‌های شیمیایی تصادفی می‌شد که استحکام و کاربرد محصول نهایی را کاهش می‌داد. زایگلر کاتالیزوری را کشف کرد که زنجیره‌های تمیزتر و طولانی‌تری (مانند پلی‌اتیلن) ایجاد می‌کرد، که با فشار و دمای پایین‌تر ممکن بود. ناتا این کشف را تکمیل کرد و با حل مشکل استریوشیمیایی (جهت‌گیری نامطلوب شیمیایی) کاتالیزوری را طراحی کرد که صرفاً اتصالات همسو را می‌پذیرفت. این توانایی در کنترل معماری مولکولی، نقطه عطف بزرگی بود، زیرا به شیمی‌دانان اجازه داد تا برای اولین بار پلیمرهایی با ساختار منظم و مستحکم تولید کنند که در الیاف مصنوعی لباس‌ها و بطری‌های پلاستیکی روزمره یافت می‌شوند. این گذار از شیمی «تحلیل مواد موجود» به شیمی «طراحی مواد مورد نیاز» بود.  

پلاستیک‌های رسانای برق

در سال ۲۰۰۰، جایزه نوبل به آلن هیگر، آلن مک‌دیارمید و هیدکی شیراکاوا اعطا شد، زیرا آن‌ها نشان دادند که پلاستیک‌ها، که معمولاً به عنوان عایق در نظر گرفته می‌شوند، می‌توانند به رسانای جریان الکتریکی تبدیل شوند. این کشف، دیدگاه ما نسبت به مواد را به طور ریشه‌ای تغییر داد و زمینه را برای انقلاب «الکترونیک پلاستیکی» فراهم کرد که کاربردهای هیجان‌انگیزی در فناوری اطلاعات دارد.  

انقلاب ابزارها: دیدن و وزن کردن درشت‌مولکول‌ها

بسیاری از پیشرفت‌های عظیم در زیست‌شناسی شیمیایی تنها زمانی ممکن شد که شیمی‌دانان ابزارهای لازم برای تجزیه و تحلیل مولکول‌های بسیار بزرگ حیات را توسعه دادند. این جوایز ابزاری، شتاب‌دهنده‌های علم مدرن بودند.

طیف‌سنجی جرمی و NMR (۲۰۰۲)

جان فن و کوئیچی تاناکا (طیف‌سنجی جرمی) و کورت ووتریش (رزونانس مغناطیسی هسته‌ای یا NMR) در سال ۲۰۰۲ جایزه گرفتند. طیف‌سنجی جرمی قبلاً برای مولکول‌های کوچک استفاده می‌شد. فن و تاناکا روش‌هایی را توسعه دادند که به درشت‌مولکول‌های زیستی (مانند پروتئین‌ها) اجازه می‌داد تا در فضا «پرواز کنند» تا بتوان جرم آن‌ها را تعیین کرد (عبارت مشهور فن: «بال دادن به فیل‌های مولکولی»). ووتریش نیز NMR را برای مطالعه ساختارهای سه‌بعدی پروتئین‌ها در محلول ممکن ساخت. این ابزارها امکان شناسایی سریع و قابل اعتماد پروتئین‌ها و درک عملکرد آن‌ها در سلول‌ها را فراهم کردند و «زیست‌شناسی شیمیایی» را به «علم بزرگ» زمان ما تبدیل نمودند.  

کریستالوگرافی اشعه ایکس

در کنار این‌ها، کار مکس پروتز و جان کندرو (۱۹۶۲) در استفاده موفقیت‌آمیز از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای تعیین ساختار پروتئین‌های پیچیده مانند هموگلوبین، پایه‌های نقشه‌برداری مولکولی را بنا نهاد. این تکنیک در دهه‌های اولیه، اطلاعات بنیادینی در مورد اندازه اتم‌ها و پیوندهای شیمیایی ارائه داد.  

انقلاب مهندسی حیات: بازنویسی کد و طراحی هدفمند

جدیدترین جوایز نوبل شیمی نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم از صرفاً تحلیل حیات به سمت مهندسی و کنترل کامل سیستم‌های زیستی است.

قیچی‌های ژنتیکی CRISPR/Cas۹ (۲۰۲۰)

امانوئل شارپنتیه و جنیفر دودنا (۲۰۲۰) برای کشف ابزار CRISPR/Cas۹ جایزه گرفتند. این ابزار، که به عنوان «قیچی‌های ژنتیکی» شناخته می‌شود، روشی ارزان، آسان، و بسیار دقیق برای ویرایش DNA موجودات زنده فراهم کرده است. این فناوری انقلابی در علوم زیستی مولکولی ایجاد کرده و فرصت‌های بی‌سابقه‌ای برای توسعه درمان‌های سرطان، تحقق رویای درمان بیماری‌های ارثی، و مهندسی نباتات (مانند ایجاد مقاومت به خشکی در گیاهان) فراهم کرده است.  

هوش مصنوعی و طراحی پروتئین (۲۰۲۴)

نوبل شیمی ۲۰۲۴ نشان داد که آینده شیمی در گرو همگرایی با هوش مصنوعی است. دمیس هاسابیس و جان جامپر برای پیش‌بینی ساختار پروتئین‌ها با استفاده از هوش مصنوعی، و دیوید بیکر برای طراحی محاسباتی پروتئین، جایزه گرفتند.  

مشکل پیش‌بینی ساختار سه‌بعدی پروتئین‌ها از روی توالی اسید آمینه، یک چالش بزرگ ۵۰ ساله در زیست‌شناسی بود. هاسابیس و جامپر با استفاده از مدل‌های هوش مصنوعی (مانند AlphaFold) این مشکل را حل کردند. از آنجایی که ساختار سه‌بعدی یک پروتئین عملکرد آن را تعیین می‌کند، این پیشرفت، سرعت طراحی دارو و واکسن را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. در همین حال، دیوید بیکر توانست پروتئین‌های کاملاً جدیدی طراحی کند که در طبیعت وجود ندارند، برای کاربردهایی مانند ساخت واکسن‌ها، نانومواد و حسگرهای دارویی. این توانایی در طراحی هدفمند و فراطبیعی بلوک‌های سازنده حیات، شیمی را به مرحله جدیدی از مهندسی حیات ارتقا داده است.  

شیمی، کلید بقا و فراتر از آن

جوایز نوبل شیمی، چه در حوزه‌های بنیادی (مانند ساختار ویتامین‌ها) و چه در حوزه‌های صنعتی (مانند پلیمرها)، همواره در پی حل بزرگترین مسائل بشریت بوده‌اند. این جوایز دو مسیر اصلی را دنبال کرده‌اند: ایجاد تولیدات دگرگون‌کننده (مانند غذا و مواد) و توسعه ابزارهای تحلیلی که مرزهای علم را گسترش می‌دهند.

تحلیل اکتشافات نوبل نشان می‌دهد که بزرگترین دگرگونی‌ها اغلب در تلاقی شیمی با دیگر علوم رخ داده‌اند. فرآیند هابر-بوش نشان‌دهنده تضاد بنیادین بین بقا و مسئولیت‌پذیری زیست‌محیطی است. کاتالیزورهای زایگلر-ناتا، شیمی را قادر ساختند که از کشف به طراحی مواد انتقال یابد. امروزه، انقلاب ابزارهایی مانند CRISPR و هوش مصنوعی در حوزه پروتئین‌ها، نشان‌دهنده مسیر آینده شیمی در قرن بیست و یکم است: دستیابی به کنترل کامل بر سیستم‌های زیستی در سطح مولکولی و امکان خلق راه‌حل‌هایی هدفمند برای چالش‌های پزشکی و پایداری.

تحولات بنیادین ناشی از نوبل شیمی و تأثیر جهانی