The Economist - USA (2021-10-09)

76 Science & technology The Economist October 9th 2021

Around 1980 Dr Parisi found some of the

rules that govern apparently random phe­

nomena.  He  studied  a  type  of  material

called  “spin  glass”,  in  which,  for  example,

iron atoms are mixed at random into a ma­

trix of copper atoms. The iron atoms each

behave  as  tiny  magnets  but,  whereas  in  a

normal  lump  of  magnetised  metal  their

north­south poles all point in the same di­

rection, in a spin glass they do not. Dr Par­

isi  devised  a  way  to  understand  how  they

find their optimal orientations. His mathe­

matical  ideas  not  only  help  explain  some

of the complex systems of Earth’s climate,

as  described  by  his  two  fellow  laureates,

but  also  illuminate  other  apparently  ran­

dom phenomena in fields as diverse as ani­

mal behaviour, neuroscience and machine

learning. 

This year’s physics prize is the first sci­

entific  Nobel  awarded  for  understanding

of  the  climate.  Asked  if  this  was  a  not­so­

subtle  message  to  world  leaders  ahead  of

the  upcoming  cop26  climate  summit  in

Glasgow,  members  of  the  award  commit­

tee  said  the  prize  was  meant  to  celebrate

the discoveries themselves. But, they add­

ed, it also showed that the modelling of the

climate and the notion of global warming

rest on solid physical science. Human be­

ings  can  no  longer  say  they  did  not  know

how or why Earth is heating up. 

Ringing the changes

The  chemistry  prize  was  shared  by  Benja­

min  List,  of  the  Max  Planck  Institute  for

Coal  Research,  in  Mülheim  an  der  Ruhr,

and David MacMillan, of Princeton Univer­

sity.  Their  prizewinning  work,  published

in  2000,  was  conducted  independently,

and unknown to each other at the time, but

with  the  same  end  in  mind.  This  was  to

break  the  stranglehold  of  enzymes  and

transition metals on the field of catalysis.

Some chemical reactions proceed with

alacrity.  Most,  though—including  many

that  are  industrially  important—need  a

helping hand in the form of a catalyst. Evo­

lution has provided a goodly range of these

in  the  form  of  enzymes,  which  are  large,

complicated and sometimes temperamen­

tal  protein  molecules,  but  which  have  the

advantage  that  they  can  create  pure  ver­

sions  of  what  are  known  as  optical  iso­

mers.  These  are  molecules  that  have  two

forms  which  are  mirror  images  of  each

other. This is important in the drug indus­

try, for the different versions, known as en­

antiomers, can have different effects in the

body.  Also,  if  you  choose  the  right  en­

zymes, it is often possible to carry out mul­

ti­step reactions in only a few stages.

Transition metals are those in the mid­

dle  of  the  periodic  table—copper,  nickel

and iron, for example. The structures of the

electron  shells  surrounding  the  nuclei  of

their atoms are complicated, meaning they

are  chemically  versatile.  This  is  what

makes  them  good  catalysts.  Some  transi­

tion­metal  catalysts  are  the  metals  them­

selves.  More  often,  they  are  small  mole­

cules that include a transition­metal atom.

Transition­metal catalysts can be easier to

handle  than  enzymes,  but  usually  fail  to

distinguish  between  enantiomers.  Also,

transition­metal compounds are frequent­

ly toxic, with all the environmental conse­

quences that entails. And multi­step reac­

tions involving them can be long­winded.

Dr List and Dr MacMillan found a way to

have the best of both worlds: small­mole­

cule catalysts that have no metal atoms in

them, can turn out pure enantiomers, and

often  simplify  multi­step  reactions.  That

has significant industrial implications.

Dr List worked on an enzyme called al­

dolase  A.  This  catalyses  what  is  known  as

the  aldol  reaction,  an  important  way  of

forging  molecular  bonds  between  carbon

atoms. Aldolase Ais made of 350 amino ac­

ids, the building blocks of proteins, but the

bit  that  does  the  work  consists  of  only

three of these: lysine, glutamic acid and ty­

rosine.  The  rest  of  the  enzyme  is  packag­

ing. He therefore wondered if he could iso­

late the enzyme’s active centre and yet pre­

serve  its  activity.  In  fact,  he  did  better.  He

showed that the aldol reaction can be cata­

lysed by a single amino acid, proline. And,

crucially, this retains the enantiomeric pu­

rity of the enzyme­mediated reaction.

Dr MacMillan came from the other end

of  the  problem.  He  wanted  to  remove  the

metal  (in  this  case  copper)  from  the  cata­

lyst  involved  in  a  different  process,  the

Diels–Alder reaction. This is a way of join­

ing  two  molecules  into  a  six­carbon  ring.

One  of  the  reagents  contributes  four  car­

bon  atoms  to  the  ring  and  the  other  con­

tributes  two.  Six­carbon  rings  are  ubiqui­

tous  in  organic  chemistry,  and  by  putting

different  side  groups  onto  the  reagents  a

vast variety of them can be turned out. Dr

MacMillan  found  he  could  catalyse  Diels­

Alder  reactions  using  a  type  of  metal­free

molecule called an imidazolidinone to ac­

tivate  the  two­carbon  component,  mean­

ing that it combines enthusiastically with

its four­carbon compadre.

The result of these two pieces of work is

a  field  called  asymmetric  organocatalysis

(the asymmetric part of the name referring

to  its  ability  to  generate  pure  enantio­

mers), that is now rippling through indus­

trial  chemistry.  And,  since  industrial

chemistry, in one form or another, under­

pins most economic activity, it is also rip­

pling, however invisibly, through life.

Sense and sensibility

The  idea  that  there  are  five  senses  goes

back at least as far as Aristotle. But it is not

quite true. Four of the senses are obvious,

if  only  because  each  is  associated  with  a

particular organ: sight with the eyes, hear­

ing with the ears, taste with the tongue and

smell with the nose. But the fifth classical

sense, touch, is distributed over the whole

surface of the body, albeit that it is concen­

trated in the fingertips. 

Touch, moreover, is only one such dis­

tributed  sense.  Others  perceived  con­

sciously  include  pain,  heat  and  cold.  And

modern  science  has  shown  there  are  also

unconsciously  perceived  senses,  known

collectively as proprioception. These keep

track of the position and movement of the

body and its parts. This year’s Nobel prize

for physiology or medicine went to the dis­

coverers  of  the  molecular  mechanisms  of

two of these distributed senses—tempera­

ture and mechanical stimulation.

The  winners  were  David  Julius  of  the

University of California, San Francisco and

Ardem  Patapoutian  of  Scripps  Research,  a

biomedical institute in San Diego. Dr Julius

did  the  pioneering  work  on  temperature.

He  and  Dr  Patapoutian,  acting  indepen­

dently, then advanced this work. After that,

Dr  Patapoutian  moved  on  to  look  at  me­

chanical stimulation.

Dr Julius’s chosen tool for his investiga­

tion, which he began in the late 1990s, was

capsaicin.  This  is  the  active  ingredient  of

chilli  peppers.  By  a  chemical  coincidence

(as was then assumed and is now known)

capsaicin reacts with, and thus stimulates,

one  of  the  body’s  heat­receptor  proteins.

Dr Julius set out to discover what this pro­

tein was. To do so he made millions of frag­

ments  of  genetic  material  for  proteins

known  to  be  active  in  heat­receptor  cells.

He  then  introduced  these  fragments  into

other cells, to encourage them to manufac­

ture  the  relevant  protein  fragments.  That

done, he tested the modified cells for sen­

sitivity to capsaicin.

The  fragments  which  induced  capsa­

icin sensitivity turned out to be parts of a

protein now called trpv1. This belongs to a

class  of  proteins  called  ion  channels,

which  do  many  jobs  in  the  body.  As  pre­