Trong hàng nghìn năm phát triển của hóa học, việc thay đổi một nguyên tử duy nhất trong cấu trúc phân tử luôn là thách thức lớn. Các nhà khoa học thường phải thực hiện nhiều bước phản ứng phức tạp, sử dụng nhiệt độ cao, chất xúc tác đắt tiền hoặc tạo ra nhiều sản phẩm phụ chỉ để thay thế một nguyên tử trong hợp chất ban đầu.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science đã mở ra khả năng hoàn toàn khác. Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) tuyên bố phát triển thành công kỹ thuật “chỉnh sửa đơn nguyên tử” đầu tiên trên thế giới, cho phép thay đổi trực tiếp một nguyên tử bên trong phân tử mà không cần trải qua các quy trình tổng hợp phức tạp như trước.

Minh chứng rõ nét nhất được thực hiện trên furan, một hợp chất hữu cơ dị vòng chứa nguyên tử oxy. Bằng phương pháp mới, các nhà khoa học đã thay thế trực tiếp nguyên tử oxy trong cấu trúc furan bằng nguyên tử nitơ để tạo thành pyrrole, một hợp chất có giá trị lớn trong lĩnh vực dược phẩm.

Điều đáng chú ý là hai hợp chất này chỉ khác nhau đúng một nguyên tử trong cấu trúc phân tử nhưng lại sở hữu những đặc tính hoàn toàn khác biệt. Trong khi furan được xếp vào nhóm hợp chất có độc tính và có khả năng gây ung thư, pyrrole lại là thành phần quan trọng trong nhiều loại thuốc điều trị ung thư, bệnh tim mạch và thuốc giảm đau.

Theo Giáo sư Yoonsu Park, tác giả chính của nghiên cứu, các hợp chất vòng thơm như furan có độ ổn định năng lượng rất cao, khiến việc thay đổi một nguyên tử trong cấu trúc của chúng từ lâu được xem là gần như bất khả thi.

Để vượt qua rào cản này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chiến lược quang xúc tác, tận dụng ánh sáng làm động lực cho phản ứng hóa học. Thông qua chất xúc tác acridinium và ánh sáng xanh lam, các nhà khoa học tạm thời phá vỡ cấu trúc vòng thơm ổn định của furan, tạo điều kiện để nhóm amin chứa nitơ được chèn vào đúng vị trí của nguyên tử oxy.

Ở giai đoạn tiếp theo, nguyên tử oxy bị loại bỏ khỏi phân tử, kết hợp với hydro tạo thành nước, trong khi nguyên tử nitơ được giữ lại trong vòng thơm để hình thành pyrrole. Toàn bộ quá trình diễn ra ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, khác biệt hoàn toàn so với các phương pháp truyền thống vốn yêu cầu nhiệt độ lên tới khoảng 500 độ C cùng các chất xúc tác vô cơ đắt tiền.

Đánh giá về công trình này, nhà hóa học hữu cơ Mark Levin thuộc Đại học Chicago cho rằng đây là giao thức đầu tiên cho phép chuyển đổi trực tiếp furan thành pyrrole trong điều kiện phản ứng nhẹ nhàng và thực tế hơn đáng kể so với các phương pháp trước đây.

Trong bài bình luận đăng trên chuyên mục “Góc nhìn” của Science, hai nhà hóa học Ellie F. Plachinski và Tehshik P. Yoon từ Đại học Wisconsin-Madison nhận định rằng hiệu quả sinh học của nhiều loại thuốc phụ thuộc rất lớn vào sự sắp xếp chính xác của các nguyên tử trong phân tử. Vì vậy, khả năng chỉnh sửa trực tiếp từng nguyên tử có thể tạo ra bước tiến lớn trong việc thiết kế và tối ưu hóa các ứng viên thuốc mới.

Theo các chuyên gia, kỹ thuật này không chỉ giúp đơn giản hóa quy trình tổng hợp hóa học mà còn mở ra khả năng xây dựng nhanh chóng các thư viện hợp chất phục vụ nghiên cứu dược phẩm. Đây là một trong những thách thức quan trọng nhất của ngành công nghiệp phát triển thuốc hiện nay.

Nhóm nghiên cứu KAIST cho biết đang tiếp tục mở rộng phương pháp này cho nhiều hợp chất có cấu trúc tương tự furan và pyrrole, đồng thời nghiên cứu khả năng triển khai trên quy mô công nghiệp. Nếu thành công, công nghệ chỉnh sửa đơn nguyên tử có thể tạo ra cuộc cách mạng trong hóa học tổng hợp, giúp rút ngắn đáng kể thời gian phát triển thuốc và mở ra những hướng đi hoàn toàn mới cho ngành dược phẩm toàn cầu.

TH