Нобелевскую премию по химии 2026 года дали за реакцию, в которой молекулы выбирают одну «руку»

Все белки в вашем организме построены из левовращающих аминокислот, однако, когда химики получают те же молекулы в колбе, они получают левые и правые версии в равных количествах. Анри Б. Каган и Кэнсо Соаи показали, как реакция способна нарушить это равновесие: крошечный избыток одного зеркального изомера нарастает, пока почти полностью не вытеснит другой. Шведская королевская академия наук присудила им за это Нобелевскую премию по химии, а их работа легла в основу поиска фармацевтическими компаниями нужной версии лекарственного вещества.

Многие молекулы существуют в двух формах, зеркально отражающих друг друга, словно левая и правая рука. Химики называют такие молекулы хиральными, а две их версии — энантиомерами. Они состоят из одних и тех же атомов, соединённых в одинаковом порядке, но не подходят к одним и тем же биологическим «замкам»: поэтому одна форма лекарства может исцелять, а её двойник — не давать эффекта или причинять вред. Жизнь, как говорят химики, гомохиральна: она использует лишь одну «руку» аминокислот и лишь одну «руку» сахаров в своей ДНК, и до сих пор никто не смог полностью объяснить, как это произошло.

Каган, французский химик из тогдашнего Université Paris-Sud, и Соаи, японский химик из Tokyo University of Science, были отмечены «за открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметрическом органическом синтезе». Они поровну разделили 12 миллионов шведских крон. «Анри Каган и Кэнсо Соаи предложили решение химической загадки, которой уже более века: как гомохиральность может возникать спонтанно. Разработанные ими химические реакции впечатляют», — заявил Хайнер Линке, председатель Нобелевского комитета по химии.

Загадка, которую физик сформулировал для химиков

Нобелевский комитет возводит историю этой премии к Луи Пастеру, который пинцетом под микроскопом сортировал кристаллы винной кислоты и обнаружил две зеркальные формы, по-разному вращающие плоскость поляризованного света. Позднее он заметил, что бактерии ферментируют лишь одну из них. Это был первый намёк на то, что химия жизни отдаёт предпочтение одной форме.

Обычная химия так не поступает. Реакция, способная образовать оба зеркальных изомера, будучи предоставленной самой себе, даёт смесь 50 на 50, которую химики называют рацематом. Чтобы получить больше одной «руки», нужен хиральный катализатор — вспомогательное вещество, которое не расходуется и направляет реакцию к одной версии. Первые попытки давали лишь едва заметное смещение.

Затем британский физик-теоретик Чарльз Фрэнк из University of Bristol набросал на бумаге, что потребуется реакции, чтобы довести смесь до полной однорукости. Нужны были хиральный катализатор, способ усиливать один зеркальный изомер и подавлять другой, а также продукт, катализирующий собственное образование, — свойство, называемое автокатализом. В конце своей короткой статьи Фрэнк отметил, что лабораторная демонстрация не невозможна. Десятилетиями никому это не удавалось, и проблема стала учебной головоломкой.

Как им это удалось

Каган взялся за второе условие Фрэнка, задав вопрос, которым до него никто не занимался. Химики считали, что чистота продукта просто отражает чистоту катализатора: если использовать катализатор, на 50 процентов состоящий из одной «руки», продукт получит примерно половину того смещения, которое дал бы чистый катализатор. Каган предположил, что металл в основе таких катализаторов связывает как минимум две хиральные молекулы одновременно, создавая три типа катализатора: лево-левый, право-правый и смешанную лево-правую пару.

Если смешанная пара работала бы медленнее согласованных, она незаметно поглощала бы миноритарную «руку», оставляя основным катализаторам большую часть работы. Его команда проверила три реакции и обнаружила именно такое отклонение от прямой зависимости. В одной из них — широко применяемом окислении, разработанном Барри Шарплессом, — продукт оказался чище катализатора, который его создал. Химики назвали это явление нелинейным эффектом, и оно быстро получило распространение. В родственной цинковой реакции, изученной Рёдзи Ноёри, катализатор, обогащённый одной «рукой» всего на 15 процентов, давал продукт с обогащением 98 процентов.

Соаи занялся последним условием Фрэнка — автокатализом. Работая над реакциями присоединения соединений цинка к альдегидам, он заметил, что продукт очень похож на катализатор, и задался вопросом, не может ли продукт стать собственным катализатором. Его первая самокопирующаяся реакция действительно воспроизводила себя, однако чистота снижалась с каждым циклом: катализатор с обогащением 86 процентов давал продукт лишь с 35-процентным обогащением.

Прорыв произошёл с пиримидиновым спиртом — молекулой с кольцом из атомов углерода и азота, которая образуется при реакции цинкового соединения диэтилцинка с соответствующим альдегидом. Катализатор, полученный из партии этого спирта с избытком одной «руки» всего в 5 процентов, создавал новый спирт с 55-процентным избытком. После возвращения в реакцию этот продукт становился катализатором следующего цикла, достигавшего 87 процентов, а после пяти циклов чистота выходила на плато около 90 процентов. Позднее усовершенствованный вариант взял образец, дисбаланс в котором составлял лишь 0,00005 процента, и за три цикла поднял показатель выше 99,5 процента — усилив соотношение двух «рук» в 630 000 раз. Эта усиливающая самокопирующаяся химия теперь называется реакцией Соаи.

Подбрасывание монеты, выбирающее сторону

В самом поразительном опыте вообще не использовалось ни одного хирального компонента. Команда Соаи начала с молекул, не обладающих хиральностью, и позволила реакции идти своим ходом. Случайные флуктуации всегда дают одной «руке» очень небольшое преимущество, а реакция Соаи достаточно чувствительна, чтобы захватить эту малую долю и усилить её. В серии из 37 экспериментов в 18 доминировала одна «рука», а в 19 — другая; чистота варьировалась от 15 до 91 процента. Дэниел Синглтон, независимо работавший в США, продемонстрировал то же нарушение симметрии.

Такой результат очень похож на то, что могло потребоваться молодой Земле: реакция, которая случайно выбирает сторону, а затем закрепляет этот выбор. Нобелевский комитет называет это первым лабораторным экспериментом, подтвердившим модель Фрэнка без какого-либо внешнего хирального влияния, и первым случаем со времён зарождения жизни, когда кто-либо создал хиральность из смеси молекул, ею не обладавших.

Почему это важно для вашей аптечки

Трагедия с талидомидом в начале 1960-х, когда успокоительное средство вызвало тяжёлые врождённые пороки у тысяч детей, остро напомнила фармацевтическим компаниям, что две «руки» одной молекулы могут действовать в организме совершенно по-разному. Позднее исследователи заключили, что за вред отвечала зеркальная форма препарата, хотя организм превращает одну форму талидомида в другую, поэтому даже чистая доза не была бы безопасной. Сегодня регуляторы ожидают, что компании знают, какую форму хирального препарата они продают и что делает другая.

Нелинейные эффекты Кагана стали повседневным диагностическим инструментом. Если реакция ведёт себя нелинейно, это указывает химикам, сколько хиральных фрагментов собирается вокруг катализатора, и помогает перестроить процесс для получения более чистого продукта. Комитет относит к отраслям, зависящим от этих открытий, фармацевтику, ароматизаторы, парфюмерные композиции, агрохимикаты и некоторые новые материалы. Группа Эрика Каррейры использовала асимметрический автокаталитический этап для получения ключевого строительного блока эфавиренза — препарата против ВИЧ.

Чего премия не объясняет

Премия не объясняет, почему жизнь выбрала левовращающие аминокислоты. В собственном научном обзоре комитета говорится, что модель Фрэнка — лишь один из нескольких возможных путей к событию, произошедшему около 3,5–4 миллиардов лет назад, и что окончательного ответа мы, вероятно, никогда не получим. Реакция Соаи идёт с участием соединений цинка, которые не выжили бы в воде, поэтому это доказательство принципа, а не воспроизведение химии ранней Земли.

Реакция Соаи также работает лишь с узким набором молекул. Только несколько других систем демонстрируют такое же усиливающее самокопирующееся поведение, и ни одной подобной системы не найдено для аминокислот или сахаров. Даже её механизм остаётся предметом споров. Одна группа под руководством Скотта Денмарка объясняет усиление через кластер из четырёх атомов цинка, подходящий лишь молекулам одной «руки», тогда как команда Оливера Траппа предлагает иной промежуточный продукт и кинетическое узкое место. Комитет отмечает, что обе модели могут быть верны для разных молекул, а значит, ни одна из них пока не победила.

Частые вопросы о Нобелевской премии по химии 2026 года

Кто получил Нобелевскую премию по химии 2026 года?

Анри Б. Каган из бывшего Université Paris-Sud во Франции и Кэнсо Соаи из Tokyo University of Science в Японии поровну разделили премию. Они были отмечены за открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметрическом органическом синтезе.

Что означает хиральность в химии?

Хиральную молекулу невозможно совместить с её зеркальным отражением — так же как левую руку нельзя идеально наложить на правую. Две зеркальные версии, называемые энантиомерами, могут вести себя в живых организмах совершенно по-разному.

Что такое реакция Соаи?

Это реакция, в которой продукт выступает катализатором образования новых собственных молекул и отдаёт предпочтение собственной хиральности. Крошечный избыток одного зеркального изомера лавинообразно нарастает в последовательных циклах, пока почти весь продукт не приобретает одну «руку».

Почему хиральность важна для лекарств?

Многие лекарственные молекулы существуют в двух зеркальных формах, и зачастую лишь одна оказывает нужное действие, тогда как другая неактивна или вредна. Эффективное получение правильной формы зависит от асимметрического катализа — области, которую преобразили эти открытия.

Когда это произошло и что дальше

Фрэнк опубликовал свою модель в 1953 году. Каган, родившийся в 1930 году в Булонь-Бийанкуре, описал первые нелинейные эффекты в 1986 году. Соаи, родившийся в 1950 году в Хиросиме, сообщил о своей первой самокопирующейся реакции в 1990 году, об усиливающей версии — в журнале Nature в 1995 году, а о спонтанном нарушении симметрии — в 2003 году. Эта премия опирается на две более ранние Нобелевские премии по химии за асимметрический катализ, вручённые в 2001 и 2021 годах.

Лаборатории по всему миру теперь пытаются сделать для аминокислот и сахаров то, что Соаи сделал для своего пиримидинового спирта. Каган и Соаи получат свои медали в Стокгольме 10 декабря.

Источник: Soai, K.; Shibata, T.; Morioka, H.; Choji, K., «Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule», Nature, 1995. DOI: 10.1038/378767a0

Теги: Нобелевская премия, Henri Kagan, Kenso Soai, аминокислоты, химия, хиральность