Зеркальные молекулы как основа жизни

Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по химии 2026 года ученым Анри Кагану из Франции и Кэнсо Соаи из Японии. Их отметили за «открытие нелинейных эффектов и автокатализа в ассиметричном органическом синтезе». Анри Каган открыл новый способ управления химическими реакциями, который произвел революцию в производстве фармацевтических препаратов, пищевых ароматизаторов, парфюмерных отдушек и новых материалов. Кенсо Соаи же провел один из самых впечатляющих химических экспериментов с зеркальными изомерами, повторив природные процессы.

Загадка зеркальных молекул

Некоторые молекулы, например аминокислоты, существуют в виде двух вариантов или зеркальных отражений друг друга. Это явление в химии называют хиральностью. Однако в белках клеток живых организмов присутствует лишь одна из зеркальных форм — это явление называют гомохиральностью (от греч. «одинаковый» и «рука»). Вопрос о том, как могла возникнуть подобная химическая асимметрия, долгое время оставался для химиков загадкой. При проведении экспериментов с реакциями, способными порождать две зеркальные молекулы, в пробирках неизменно получались обе формы. Ученые же стремились получить только одну из них — ту самую, которая присутствует в наших белках и необходима для нужд фармацевтики и других отраслей.

Впервые о гомохиральности стало известно в середине XIX века, когда французский ученый-химик Луи Пастер исследовал винную кислоту. Он вырастил кристаллы винной кислоты и исследовал их под микроскопом — и обнаружил, что они существуют в двух вариантах, каждый из которых является зеркальным отражением другого. С помощью пинцета химик разделил их и растворил по отдельности. Когда он пропускал поляризованный свет через жидкости, одна из них искривляла свет вправо, а другая — влево. В конце концов, эти вещества стали называть хиральными, а две молекулы, являющиеся зеркальными отражениями друг друга, — энантиомерами.

В 1857 году Пастер исследовал, что происходит, когда бактерии ферментируют различные энантиомеры винной кислоты. Оказалось, что бактерии охотно работают с энантиомером, который искривляет свет вправо, но не взаимодействуют с зеркально отраженной молекулой. Позже исследователи обнаружили, что встречающиеся в природе аминокислоты всегда искривляют поляризованный свет влево, в то время как сахар, содержащийся в спирали ДНК, делает обратное, искривляя свет вправо.

Понимание того, что молекулы живых организмов содержат только один из двух возможных энантиомеров, привело к следующему вопросу: что произошло при зарождении жизни, сделав ее химию односторонней? Когда химики экспериментировали с реакциями, в результате образовывались хиральные молекулы, они всегда получали в своих пробирках равномерную смесь обоих энантиомеров. Однако в живых организмах всегда встречалось одно зеркальное изображение аминокислот.

Некоторые ученые утверждали, что хиральная химия уникальна для жизни. Однако в начале 1900-х годов немецкий химик Вилли Марквальд провел первую успешную асимметричную реакцию, в ходе которой получил больше одного энантиомера, чем другого. Ключевым моментом было то, что Марквальд использовал катализатор — вещество, которое приводит в действие химические реакции.

Эксперименты с асимметрией

Анри Каган, работавший в Университете Париж-Юг, был одним из многих химиков, занимавшихся совершенствованием асимметричных реакций в начале 1980-х годов. Он пытался получить энантиомеры для фармацевтического производства. Важность решения этой задачи стала очевидной после скандала с талидомидом в начале 1960-х годов, когда тысячи детей родились с врожденными пороками развития. Проанализировав ситуацию, исследователи поняли, что вредное воздействие было вызвано зеркальным изомером активного вещества.

Для проведения асимметрических реакций ученые часто использовали двухкомпонентные катализаторы: атом металла, выступавший в роли «двигателя» реакции, и хиральное вещество, которое обеспечивало асимметрию процесса. Каган решил детально изучить сам катализатор. На самом деле никто не знал, как именно он работает: в ходе химической реакции атом металла и хиральная молекула взаимодействовали, но механизм этого взаимодействия оставался неясным.

Ученый предположил, что в ходе реакции металл катализатора притягивает как минимум две хиральные молекулы. Если при этом объединить правовращающий и левовращающий энантиомеры, могут образоваться три формы катализатора: «право-право», «лево-право» и «лево-лево». Катализаторы типов «право-право» и «лево-лево» должны были приводить к образованию продуктов, являющихся зеркальными отражениями друг друга, — но как повел бы себя катализатор типа «лево-право»?

Каган выяснил, что катализатор типа «право-лево» вел себя иначе, чем два других, — он обеспечивал протекание химической реакции значительно медленнее.

В 1986 году Каган описал как минимум три различные асимметрические реакции, демонстрирующие так называемые нелинейные эффекты. Это стало историческим прорывом, и многие химики начали исследовать данное явление.

Самый элегантный эксперимент

Кенсо Соаи из Токийского университета науки в конце 1990-х гг. изучал асимметрическую химическую реакцию с выраженным нелинейным эффектом. Внимательно посмотрев на структуры катализатора и образующегося продукта, он обнаружил между ними значительное сходство. Это навело ученого на мысль: нельзя ли разработать реакцию, в которой катализатор воспроизводит сам себя?

В то время уже было известно несколько примеров автокаталитических реакций, однако ни одна из них не была асимметричной. Экспериментируя со множеством различных молекул, Соаи сумел найти хиральное вещество — 5-пиримидилалканол, — способное к самовоспроизводству. В статье 1995 года он описал этот эксперимент.

В течение следующих восьми лет Соаи продолжал поиски идеального автокаталитического процесса. Наконец, в 2003 году он представил химическую реакцию, в ходе которой возникал избыток определенного энантиомера, способного затем создавать свои собственные копии. Это был первый случай, когда кому-либо удалось создать хиральность из ахиральной комбинации молекул.

Реакция Соаи считается одним из самых элегантных химических экспериментов в истории и вызвала всплеск интереса у химиков, стремящихся понять происхождение жизни. Сегодня исследователи по всему миру пытаются повторить это достижение, но с целью получения гомохиральных аминокислот и сахаров.

От зарождения жизни — к фармацевтике

Нелинейные эффекты, открытые Каганом, стали важным инструментом для химиков при разработке новых реакций и при анализе механизмов их протекания. Это критически важно для производства веществ, которые будут взаимодействовать с живыми организмами, — например, фармацевтических препаратов, пищевых ароматизаторов, парфюмерных отдушек и агрохимикатов. В ряде случаев такие реакции важны при создании новых материалов.

Что еще важнее, эти открытия вышли далеко за пределы органической химии и помогли разгадать одну из величайших загадок науки: как возникает свойство, характерное для всех живых организмов.

«Анри Каган и Кенсо Соаи нашли решение химической загадки, существовавшей более века: как может спонтанно возникать гомохиральность. Разработанные ими химические реакции впечатляют», — заявил председатель Нобелевского комитета по химии Хайнер Линке.