Inleiding
Sinds de dringende crisis van de opwarming van de aarde de publieke aandacht heeft getrokken, hebben chemische productieprocessen aanzienlijke kritiek gekregen. Deze kritiek is terecht: zo draagt bijvoorbeeld het Haber-Bosch-proces—dat ammoniak produceert en daarmee in de voedselbehoeften van de helft van de wereldbevolking voorziet—maar liefst 1,4% bij aan de jaarlijkse koolstofemissies en verbruikt het 1% van de jaarlijkse mondiale energie. Er is duidelijk behoefte aan hervorming in de chemie, en er is ruimte om dit te doen. Bovendien is de chemische productiesector al de op drie na grootste uitstoter van CO2 ter wereld, en wordt verwacht dat de impact hiervan de komende tien jaar verder zal toenemen. Echter, vaak buiten het zicht in klimaatgesprekken is het onderzoek dat plaatsvindt op de werkbanken in de industrie en de academische wereld. Milieuhervorming kan op grote schaal plaatsvinden, maar beginnen aan de werkbank is veel praktischer voor het zetten van een precedent.
Duurzaamheid in het chemisch laboratorium moet een reeks acties zijn, niet slechts een idee, en beginnen met een duurzaam einddoel voor ogen kan transformerend zijn in onze inspanningen tegen klimaatverandering. Dit actiegerichte paradigma wordt steeds vaker aangetroffen op industrieconferenties, zoals de JMP Discovery Summit Europe in Manchester, VK. Het idee dat statistiek urgente duurzaamheidskwesties aan de werkbank kan aanpakken, stond centraal in presentaties van groepen zoals Moderna, Boehringer Ingelheim en ORF Genetics.
In dit werk zullen we de maatstaven verkennen waarmee chemici hun experimenten groener kunnen maken, vervolgens kijken naar academische en industriële voorbeelden van groene chemie, en ten slotte bespreken hoe statistische methoden en computationele chemie kunnen leiden tot milieuvriendelijke chemische formulering en synthese.
Groene wetenschap benaderen in de 21e Eeuw
De twaalf criteria voor groene chemie werden in 1998 beschreven door de Amerikaanse chemici Paul Anastas en John Warner. Sommige suggesties die zij deden waren voor de hand liggend: minimalisering van afval, kiezen voor vriendelijkere oplosmiddelen, en het kiezen van reagentia met hernieuwbare grondstoffen (zoals ethanol, geproduceerd uit maïs). Echter, sommige van hun tips voor groenere wetenschap waren meer genuanceerd: maximalisering van het percentage atomen in de reagentia die aanwezig blijven in de producten (bekend als atomeconomie), minimalisering van het gebruik van beschermende en blokkerende groepen, die stappen toevoegen aan synthetische routes, en het handhaven van materiaalefficiëntie in zuiveringsstappen.
De criteria van Anastas en Warner kregen veel lof, en de groene chemiebenadering is nu ingezet in bijna elke subdiscipline van het veld, van analytische scheidingen tot organometaalchemie. En in 2015 nam de Verenigde Naties de noodzaak van groene chemie op in hun lijst van 17 doelen voor een duurzamere toekomst.
Vooruitgangen in chemie die gebruikmaken van deze principes vertegenwoordigen enkele van de meest geavanceerde wetenschappen die momenteel plaatsvinden, en we hoeven niet verder te kijken dan de Nobelprijs voor Scheikunde in 2022 voor een voorbeeld. Drs. Bertozzi, Meldal en Sharpless deelden de prijs van 2022 voor hun werk in klikchemie, waarbij ze een reeks reacties ontwikkelden die plaatsvinden bij kamertemperatuur, in lucht, en met 100% atomefficiëntie. Het bestuderen van reacties zoals deze kan helpen de basis te leggen voor zeer efficiënte en praktische reacties in de industrie, en veel toonaangevende onderzoeksgroepen richten zich op milieuvriendelijke chemie.
De opkomst van groene chemie op grote schaal
Chemici kunnen en moeten hun werkbankactiviteiten optimaliseren voor duurzaamheid: elke druppel draagt bij aan de vloed, en elke wetenschapper kan helpen in de strijd tegen klimaatverandering. Maar de grootschalige operatie en missie van een bedrijf moeten ook gericht zijn op milieuvriendelijkheid.
Een voorbeeld hiervan is het IJslandse plantbiotechnologiebedrijf en pionier in recombinante eiwitten ORF Genetics. Hun synthetische route naar groeifactoren maakt gebruik van de natuur, niet door deze na te bootsen. Ásta María Einarsdóttir, onderzoeksmedewerker bij ORF, merkt op dat door gebruik te maken van gerst, zij groeifactoren kunnen creëren “op een zeer duurzame schaal.” Gerst wordt erkend als een veilige voedingsstof en in tegenstelling tot veel andere productiesystemen voor groeifactoren, is het endotoxinevrij. Door gerst te gebruiken als een vat om recombinante eiwitten te produceren en op te slaan, kan ORF Genetics doorgaan zonder veel van de gevaren die aanwezig zijn in andere syntheseroutes voor groeifactoren. Hun werk is een uitstekend voorbeeld van beginnen met een duurzaam einddoel voor ogen: gerstzaden kunnen niet alleen worden gebruikt als ideale productieomgevingen, maar ook als opslagplaatsen. Werken aan een milieudoel en schone methoden gebruiken om daar te komen, creëert een basis voor succes in groene chemie.
Maar chemici hoeven niet alleen te staan in hun werk naar duurzamere reacties. Terwijl we ons in het milieutijdperk bevinden, bevinden we ons ook in het computationele tijdperk. De constructie van digitale reactienetwerken stelt ons in staat om wat Weber et al. beschrijft als het “extraheren-maken-gebruiken-weggooien” schema te omzeilen en naar hernieuwbare grondstoffen te gaan.
Er moet een brug zijn tussen duurzame chemie aan de werkbank en zinvolle verandering op industriële schaal, en digitale chemie zou deze verbinding kunnen bieden. Julia O’Neill, oprichter van Direxa Consulting en voormalig onderscheiden fellow bij Moderna, zegt dat “statistische methoden en Design of Experiments (DOE) essentieel zijn om vooruitgang te versnellen, vooral voor producten die echt nodig zijn.” Specifiek zegt O’Neill dat het gebruik van statistische methoden de tijdschema’s niet alleen voor R&D kan verbeteren, maar ook voor opschaling, productie en commercialisering. Bovendien kunnen methoden zoals DOE helpen productgegevensbibliotheken op te bouwen en sneller translationeel werk mogelijk maken, zoals Moderna deed om zijn Spikevax COVID-19-vaccin aan te passen aan opkomende varianten van het virus.
Een nieuw, statistisch tijdperk van formulering en synthese
Statistisch ontworpen experimenten zijn perfect geschikt voor de formulering, waar meerdere variabelen moeten worden overwogen om een ideaal product te produceren. Een ding dat O’Neill erkent, is dat er natuurlijke terughoudendheid is over het opnemen van statistiek in deze setting. “Ik denk dat een deel van de perceptie dat Design of Experiments het werk kan vertragen, gewoon mensen zijn die denken dat er een kunstmatige impact is om de zoektocht te volgen,” zegt ze. Want terwijl “een bepaald basisniveau van training [in DOE] essentieel is,” vervolgt O’Neill, stelt software zoals JMP “de experimentator in staat om de hinderlijke variatiebronnen te blokkeren, resultaten te krijgen in een alles-in-één soort studie, en een duidelijk beeld te krijgen van oorzaak en gevolg tegen het einde.” De kracht van statistisch ontworpen experimenten om meerdere variabelen tegelijkertijd te testen, zorgt voor een dieper begrip van meer variabelen, alles met minder materialen en minder tijd geïnvesteerd.
Fabrikanten van consumentenproducten hebben dit win-win paradigma gezien en het potentieel van statistisch denken in formulering gerealiseerd. Nu gebruiken bedrijven zoals Procter en Gamble statistische methoden zoals DOE om een nieuw tijdperk van formulering in te luiden, waardoor complexere mengsels en voorbereidingen mogelijk worden dan ooit tevoren. Oude procedures en denkwijzen kunnen niet bijdragen aan nieuwe duurzaamheidsdoelen, en het omarmen van een digitaal-eerst mentaliteit zal schonere verkenning en ontwikkeling vergemakkelijken, vanaf het begin.
DOE heeft lang nut gehad in chemische formulering en productie, en terecht. Maar het potentieel van statistisch denken in chemische synthese begint ook erkend te worden. Aliagas et al. waarschuwen ons voor de impact van de ontwikkeling van farmaceutica, verantwoordelijk voor honderden duizenden kilo’s afval door de werkbank- en klinische fasen. Hier kan DOE opnieuw helpen: de techniek kan worden gebruikt om de impact van meerdere variabelen in formulatieschema’s te meten, maar het kan ook worden gebruikt om de effectiviteit van moleculen voor therapeutisch gebruik te voorspellen. Dit verkleint de pool van kandidaat-geneesmiddelen, en, in combinatie met computationeel geoptimaliseerde syntheseroutes, kan een tweevoudig milieuvriendelijk voordeel bieden. Zoals Einarsdóttir vervolgt, “het kunnen gebruiken van statistieken stelt je in staat om veel complexere problemen op te lossen dan voorheen,” waardoor bijna onbeperkte medische onderzoeksmogelijkheden ontstaan.
Eén plaats waar dit soort onderzoek plaatsvindt, is de Miller School of Medicine van de Universiteit van Miami, waar onderzoekers gebruik maken van machine learning en modellering om potentiële medicijnstructuren voor kankerbehandeling te voorspellen, waardoor de noodzaak van tijdrovende proef-en-fout syntheses in het laboratorium wordt geëlimineerd. Vervolgens worden deze structuren via voorspellende modellering in silico aangepast om preklinische leads te produceren. Niazi et al merken op dat dit proces, bekend als computerondersteund medicijnontwerp, kan “resulteren in geneesmiddelensyntheseprocessen die zowel efficiënt als milieuvriendelijk zijn,” wat een uitstekend voorbeeld biedt van het beginnen met een duurzaam einddoel voor ogen.
Conclusie
In Stephen Covey’s wereldberoemde boek De zeven eigenschappen van effectief leiderschap is eigenschap nummer twee om te beginnen met het einddoel voor ogen. En om chemici effectief te laten zijn in het milieutijdperk, moeten wij ook beginnen met het einddoel voor ogen. Van het simpelweg vervangen van een giftiger oplosmiddel door een milder oplosmiddel, tot het veranderen van de gehele manier waarop we groeifactoren produceren en medicijnen ontdekken, de gedachtegang achter duurzaamheid in de chemie moet van begin tot eind doorlopen. Alleen door de principes van groene chemie in elke stap toe te passen, kunnen we ons vakgebied laten bijdragen aan de strijd tegen klimaatverandering.
