«Апостериори»: Нобелевскую премию по химии присудили за исследование зеркальных молекул

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Нобелевскую премию по химии 2026 года получили Анри Каган и Кэнсо Соаи за исследования асимметрического органического синтеза. Их работы показали, как даже небольшой первоначальный избыток одной из двух зеркальных форм молекулы может многократно усиливаться в ходе химической реакции.

Многие органические молекулы могут существовать в двух формах, которые имеют одинаковый состав и практически одинаковое строение, но с точки зрения пространственной ориентации являются зеркальными отражениями друг друга. Такие формы называют энантиомерами, а само свойство – хиральностью.

Для обычной химической реакции между двумя энантиомерами часто нет принципиальной разницы. Но для живых организмов она может быть огромной. Например, белки построены почти исключительно из аминокислот одной хиральности, а биологические сахара преимущественно имеют противоположную. Ферменты и рецепторы тоже обладают определённой пространственной структурой, поэтому две зеркальные версии одного вещества могут совершенно по-разному взаимодействовать с организмом.

Отсюда возникает сразу две проблемы. При производстве лекарств химикам часто необходимо получать преимущественно один нужный энантиомер. А с точки зрения происхождения жизни остаётся более фундаментальный вопрос: почему биологическая химия вообще когда-то выбрала одну из двух практически равноправных зеркальных форм?

Первую часть ответа в 1980-х годах получил французский химик Анри Каган. До этого обычно предполагалось, что между хиральностью катализатора и результатом реакции существует примерно линейная зависимость. Если исходный катализатор содержит лишь небольшой избыток одной зеркальной формы, то и получаемый продукт должен иметь примерно такой же небольшой перевес.

В работе, опубликованной в 1986 году в Journal of the American Chemical Society, Каган и его коллеги показали, что это не всегда так. В некоторых реакциях небольшой дисбаланс катализатора способен привести к значительно большему дисбалансу конечного продукта. Каган назвал это нелинейным эффектом. Одни сочетания зеркальных молекул катализатора оказываются активнее других, поэтому реакция сама усиливает первоначальную асимметрию.

Но ещё более необычный пример обнаружил японский химик Кэнсо Соаи. В 1995 году его группа описала реакцию, в которой продукт одновременно является катализатором собственного образования. Причём каждая зеркальная форма преимущественно способствует появлению новых молекул той же хиральности.

В результате возникает положительная обратная связь. Если в начале реакции одной формы случайно оказалось чуть больше, она начинает быстрее создавать свои копии. В результате разница увеличивается, а затем увеличившийся перевес ещё сильнее ускоряет этот процесс.

В первом эксперименте Соаи небольшого, примерно двухпроцентного избытка одного энантиомера оказалось достаточно для заметного усиления асимметрии. В последующих экспериментах исследователи смогли начать с гораздо меньшего дисбаланса. Соаи показал, что первоначальный избыток порядка 0,0005% может в результате серии реакций превратиться в смесь, более чем на 99% состоящую из одной зеркальной формы.

Такой процесс называют асимметрическим автокатализом. Его возможность теоретически рассматривали ещё в 1950-х годах как один из способов объяснить происхождение биологической гомохиральности. Реакция Соаи впервые продемонстрировала такой механизм экспериментально.

В дальнейшем исследователи показали, что первоначальный дисбаланс в подобных экспериментах можно создавать различными способами – например, с помощью циркулярно поляризованного света или хиральных кристаллов кварца. Такие механизмы рассматриваются и среди возможных источников небольшой первоначальной асимметрии органических веществ до появления жизни.

Работы Кагана и Соаи также оказались важны для практической химии. Понимание того, как небольшая асимметрия может усиливаться в ходе реакции, помогает разрабатывать способы получения преимущественно одного энантиомера – в том числе при синтезе лекарств.

При этом происхождение асимметрии, характерной для живых организмов, остаётся одной из нерешённых проблем химии. Пока неизвестно, почему на ранней Земле возник первоначальный перевес одной из зеркальных форм и какой именно механизм затем его усилил. Работы Кагана и Соаи показали важную часть возможного ответа: для появления почти полного преобладания одной формы не обязательно изначально иметь большое преимущество. При определённых условиях химические реакции способны самостоятельно усилить даже очень небольшой дисбаланс. Поэтому случайного или вызванного внешними условиями перевеса, возникшего ещё до появления жизни, теоретически могло быть достаточно, чтобы определить дальнейшее развитие биологической химии.