Groene chemie: schonere en snellere chemische reacties

Kan een nieuwe aanpak helpen om het wetenschappelijk onderzoek te versnellen en tegelijk vriendelijker te zijn voor het milieu?

Dr. Wilfried Braje, onderzoekswetenschapper bij AbbVie, gebruikt een speciale technologie voor chemische reacties die minder energie gebruiken en minder afval produceren.

Hoe verander je een 150 jaar oude aanpak?

Sommige groene initiatieven zijn eenvoudig: vermijd plastic rietjes, red de oceanen. Andere zijn complexer, zoals wanneer je een eeuwenoud systeem voor chemische reacties probeert te veranderen.

Maar volgens dr. Wilfried Braje hoeft het helemaal niet ingewikkeld te zijn. Als senior hoofdonderzoeker bij AbbVie vindt hij dat het voor wetenschappers een tweede natuur zou moeten zijn om afval te verminderen en milieuvriendelijker te zijn, vooral als ze werken aan het verbeteren van levens.

Braje en zijn collega-wetenschappers in de AbbVie-laboratoria in het Duitse Ludwigshafen waren dan ook enthousiast toen ze een eenvoudige, maar elegante oplossing ontdekten voor een historisch probleem: een technologie die een op zich al revolutionaire wetenschappelijke methode van 150 jaar oud aanzienlijk verbetert. Braje legt uit hoe 'het favoriete oplosmiddel van de natuur' het milieu ten goede kan komen en het wetenschappelijk onderzoek kan versnellen.

Kunt u eerst het probleem toelichten? Waarom moet chemie 'groener' worden?

Dr. Wilfried Braje: Als ik aan vrienden uitleg wat ik doe, zeg ik dat ik mezelf zie als een 'wetenschappelijke kok', met het lab als mijn keuken. Het is zoals een cake maken: je neemt verschillende ingrediënten, zoals olie, suiker en bloem, en dan kijk je hoe goed al die ingrediënten met elkaar reageren door te bakken (of, zoals ik liever doe, aan de lepel te likken).
 
Op dezelfde manier proberen we in de wetenschap na te gaan of we de juiste ingrediënten hebben voor een mogelijk kandidaat-geneesmiddel door een chemische reactie uit te voeren. Al meer dan 150 jaar proberen wetenschappers die 'recepten' voor chemische reacties uit in organische oplosmiddelen, afgeleid uit minerale olie. Die organische solventen zijn duur, giftig en vaak ontvlambaar, maar we hebben het altijd zo gedaan en het werkt ook. De wetenschap die op organische solventen gebaseerd is, maakt veel reacties mogelijk die zijn gebruikt om baanbrekende geneesmiddelen te ontwikkelen.

En hoe verbetert uw team dat proces precies?

Braje: Onze aanpak gaat terug op de grondlegger van chemie in water, professor Bruce H. Lipshutz, die een team van onderzoekers leidde aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara. Zij slaagden erin om verschillende chemische reacties uit te voeren voor de productie van actieve farmaceutische ingrediënten, maar dan met nano-micellen in water, in plaats van in schadelijke organische oplosmiddelen. Het proces laat vrijwel geen afval achter. In 2014 las ik over hun werk en legde ik contact met professor Lipshutz. Achttien maanden later kwam ons team met een eigen technologie die chemische reacties in water zeer efficiënt laat verlopen.

Onze technologie verbetert de initiële chemie-in-watermethode aanzienlijk door gebruik te maken van een goedaardig voedingsadditief. Alle beginstoffen voor de reactie worden in water opgelost. En net als bij het oorspronkelijke proces van de Lipshutz-groep blijft er heel weinig afval over.

Er is ook minder energie voor nodig. Met onze technologie kun je op kamertemperatuur werken, terwijl je met organische solventen een temperatuur van 130 °C nodig hebt.

Herinnert u zich het moment waarop u en uw team de ontdekking deden?

Braje: Het was echt memorabel.  Twee wetenschappers uit ons team, Tanja Lindner en Johanna Klee, hadden al heel wat chemische reacties uitgevoerd voor een neurowetenschappelijk project. Toen we het nieuwe additief gebruikten, merkten we al snel dat de reactietijd werd teruggebracht van uren tot één minuut. Het was haast niet te geloven. We hebben dat experiment drie keer herhaald om onszelf ervan te overtuigen dat het echt waar was.  Was het 'recept' wel correct? Ze kregen blaren op hun handen door zoveel monsters voor analyses te nemen op zo'n korte tijd.  Ons team zal dat moment nooit vergeten.
 
We hebben enorm veel geleerd en ontdekken nog elke dag nieuwe aspecten omdat zo veel andere collega’s nu meewerken om de technologie verder te ontwikkelen en toe te passen op veel verschillende chemische reacties. 

AbbVie-wetenschappers Tanja Lindner en Johanna Klee maken deel uit van Wilfrieds team.

Wat zijn, behalve minder afval, de voordelen van chemie in water?

Braje: De chemische reacties zijn aanzienlijk efficiënter geworden. We hebben minder hoge temperaturen nodig en gebruiken minder energie, maar verbazingwekkend genoeg zien we ook veel kortere reactietijden.  Wat vroeger meer dan 12 uur duurde, is teruggebracht tot minuten of zelfs seconden. Al die factoren leiden er uiteindelijk toe dat potentiële geneesmiddelen sneller bij de patiënt komen en dat er minder grondstoffen worden gebruikt. Het meest verrassende is nog dat we nu met succes chemische reacties kunnen uitvoeren die vroeger zelfs met de meest geavanceerde methodes niet werkten. Telkens als we ontdekken dat iets nu wel werkt en vroeger niet, kunnen we sneller overgaan tot de volgende productiefase of opnieuw beginnen met een nieuw 'recept'.
 
We zijn natuurlijk enthousiast over onze verbetering aan het proces, maar in feite zijn chemische reacties in water niets nieuws. Het menselijk lichaam telt ongeveer 37 triljoen cellen en elke seconde vinden er in elke cel miljoenen chemische reacties plaats. Water is al miljarden jaren het favoriete oplosmiddel van de natuur, en wij maken gewoon gebruik van die natuurlijke aanpak.

Wat is de volgende stap voor de chemie-in-watertechnologie van AbbVie?

Braje: Ons team blijft samenwerken met andere academische partners om de sector aan te moedigen om 'groen te gaan'. Ik weet dat de beweging groeit, en deze technologie zal de volgende generatie wetenschappers zeker enthousiasmeren vanwege haar efficiëntie.
 
AbbVie is ook lid van de Pharma Roundtable for Green Chemistry van de American Chemical Society, waar ik het genoegen heb ons bedrijf te vertegenwoordigen. Nadat ik vorig jaar enkele van onze resultaten had voorgesteld, werd een subteam voor Chemie in Water gevormd. We werken nu samen om de methode verder te ontwikkelen.
 
Voor een oncologisch onderzoeksproject heb ik al succesvolle reacties in water gezien, terwijl diezelfde reactie om een molecule te maken, mislukte met organische oplosmiddelen. Dat is voor mij ongelooflijk boeiend. De resultaten zijn in veel gevallen ongezien. Voor ons is er geen weg terug.