Функционально-ориентированный дизайн

В последнее время чаще проводятся исследования, направленные на создание молекул с заданным набором свойств, которые должны обеспечить практическую полезность проектируемого вещества. Если бы такие свойства могли быть поставлены во взаимно однозначную связь со структурой соединения, то химикам нетрудно было бы выполнить почти любое требование «заказчиков». К сожалению, в большинстве случаев не удается точно предсказать, что некоторая структура, уже известная или впервые проектируемая, обеспечит веществу способность выполнять определенную работу. Простая аналогия может служить более или менее надежным инструментом для проектирования молекул веществ, имеющего требуемый набор свойств (таких, как растворимость, температура кипения, параметры поглощения света и т.п.), инструментом, позволяющим ограничить область поиска серией близко родственных структур. Однако такой примитивный подход чреват ошибками, во всяком случае при обращении к более сложным по природе свойствам типа, например, биологической активности. Проиллюстрировать это положение можно множеством примеров, но мы здесь ограничимся лишь несколькими.

Этиловый спирт относится к тем немногим органическим соединениям, которые были хорошо известны в течение столетий. Представим себе, однако, что он до сих пор не известен: тогда даже весь огромный объем сведений о свойствах других низших спиртов не позволил бы кому-либо предсказать a priori его воздействие (полезное или разрушительное - в зависимости от дозы!) на человеческий организм, не говоря уже о его роли в исторических событиях (таких, как, скажем, «пивной путч» в Мюнхене или революция 1917 г. в России). Нередко случается и так, что впервые полученные или даже хорошо известные соединения не привлекают внимания, пока, благодаря тому или иному случайному наблюдению, не становятся исключительно важными. Так, ни способность диэтилового эфира служить стабилизирующим растворителем для магнийорганических соединений, ни анестезирующие свойства хлороформа, ни образование жидких кристаллов бензоатом холестерина, ни уникальный набор физических и химических свойств политетрафторэтилена (тефлона) не могли быть в свое время предсказаны только на основе анализа их структур. Таким образом, остается невероятно трудной проблемой разработать общие принципы молекулярного дизайна новых структур, обеспечивающих веществу заданный набор свойств. Тем не менее для определенных классов задач предсказание свойств на основании знания структуры соединения все же возможно. Такой рациональный подход, основанный на идеологии молекулярного дизайна, доказал свою дееспособность, что мы и постараемся продемонстрировать приводимыми в этом разделе примерами.

Логически функционально-ориентированный дизайн ставит перед исследователем гораздо более трудные задачи, чем просто создание молекулярных ансамблей в структурно-ориентированном дизайне. Проектирование новой структуры в функционально-ориентированном дизайне - это многоступенчатая процедура, включающая несколько дискретных этапов. Прежде всего необходимо перевести «заказ» на язык молекулярных структур. Необходимое свойство будущего вещества должно быть тем или иным путем приведено в соответствие со структурой органического соединения (или хотя бы с какими-то его структурными элементами - функциональными группами, общей геометрией, наличием гидрофобных или гидрофильных групп и т.п.). Достаточно часто конечные цели синтеза формулируются не химиком, и потому особенно важно, чтобы оба участника работы - «заказчик» и «исполнитель» - достигли полного взаимопонимания, могли общаться на одном профессиональном языке, единообразно понимали характер работы над проектом и его ожидаемые результаты. Поясним сказанное таким умозрительным примером.