Нобелевскую премию по химии 2026 года получили француз Анри Каган и японец Кэнсо Соаи. Учёных наградили за открытия, которые объяснили, как почти незаметное преимущество одной пространственной формы молекул может многократно усилиться. Работы лауреатов важны и для современной химии, и для более фундаментального вопроса: почему молекулы живых организмов почти всегда предпочитают одну из двух возможных конфигураций.
В центре этой истории находится хиральность. Некоторые молекулы с одинаковым набором атомов и одинаковыми химическими связями могут иметь два разных пространственных строения. Такие варианты называют энантиомерами. Один нельзя превратить в другой простым поворотом молекулы в пространстве.
Для живого организма разница между энантиомерами далеко не формальность. Ферменты и клеточные рецепторы распознают молекулы по их трёхмерной форме, поэтому два варианта одного вещества способны взаимодействовать с организмом по-разному. По той же причине при создании лекарств химикам нередко нужно получить именно один энантиомер и свести количество второго к минимуму.
Возникает более сложный вопрос. Если обе конфигурации могут образовываться в одной реакции, откуда берётся сильное преимущество одной из них? Анри Каган нашёл один из механизмов, который позволяет увеличить первоначальную разницу.
Каган изучал асимметрический катализ. Катализатор ускоряет химическую реакцию, а в данном случае ещё и помогает ей чаще создавать один энантиомер вместо другого. Логично было бы ожидать простую зависимость: небольшой перевес одной формы катализатора даст примерно такой же небольшой перевес среди получившихся молекул. Эксперименты показали другое.
Молекулы катализатора способны объединяться в комплексы, причём разные сочетания работают с разной эффективностью. Поэтому небольшой избыток одного энантиомера катализатора иногда даёт намного более сильное преобладание соответствующего энантиомера нового вещества. Химики называют такое усиление нелинейным эффектом: изменение на входе и результат реакции растут не в одинаковой пропорции.
Кэнсо Соаи обнаружил механизм, который способен усилить первоначальную асимметрию ещё сильнее. В 1995 году его группа описала реакцию между пиримидиновым альдегидом и диизопропилцинком. При их взаимодействии образуется хиральный пиримидильный спирт, то есть вещество, способное существовать в двух пространственных конфигурациях.
Главная необычность начинается после появления первых молекул пиримидильного спирта. Они сами ускоряют образование новых молекул этого же спирта. Такой процесс называют автокатализом: вещество, которое рождается в реакции, затем само помогает реакции идти дальше.
Автокатализ Соаи оказался ещё и асимметрическим. Если одной конфигурации пиримидильного спирта в смеси сначала оказывается хотя бы немного больше, её молекулы эффективнее помогают появляться новым молекулам той же конфигурации. Перевес постепенно растёт при каждом следующем цикле.
Масштаб усиления хорошо виден по цифрам. В более поздних опытах исследователи начинали с энантиомерного избытка около 0,00005%. Проще говоря, две конфигурации присутствовали практически поровну, а преимущество одной было почти невозможно заметить. После нескольких последовательных циклов доля преобладающей конфигурации выросла настолько, что энантиомерный избыток превысил 99,5%.
Учёные выяснили, что для запуска процесса хватает очень слабого первоначального воздействия. Нужное направление удавалось задавать хиральными кристаллами, циркулярно поляризованным светом и небольшими различиями в изотопном составе молекул. В некоторых экспериментах заранее не задавали никакого предпочтения: небольшая случайная разница возникала среди первых молекул, после чего автокатализ самостоятельно увеличивал её.
Именно здесь химия Соаи выходит за пределы лабораторного синтеза и касается происхождения жизни. Многие ключевые биологические молекулы существуют в организмах почти исключительно в одной конфигурации. Например, белки строятся в основном из аминокислот одной конфигурации, а природные сахара предпочитают другую. Такое преобладание называют гомохиральностью.
Почему химия ранней Земли пришла к гомохиральности, пока неизвестно. Нобелевский комитет подчёркивает, что открытия Кагана и Соаи показывают принципиально возможный путь: сначала возникает совсем небольшая асимметрия, а химическая реакция затем самостоятельно усиливает её. Реакция Соаи не доказывает, что именно этот процесс когда-то определил устройство молекул жизни, но впервые наглядно показала, как почти равная смесь способна перейти к подавляющему преобладанию одной конфигурации.
Анри Каган родился во Франции в 1930 году и десятилетиями занимался асимметрическим синтезом. Его исследования помогли химикам понять, почему состав катализатора не всегда напрямую определяет соотношение энантиомеров и как взаимодействие между молекулами меняет результат реакции. В 2001 году Каган получил премию Вольфа по химии.
Кэнсо Соаи родился в Хиросиме в 1950 году. Основной темой его работ стали асимметрический синтез, автокатализ и происхождение молекулярной асимметрии. Открытый его группой процесс вошёл в химическую литературу как реакция Соаи и стал одним из главных экспериментальных примеров того, как чрезвычайно слабое первоначальное различие может само усиливаться в химической системе.
