Nagroda Nobla 2026 z chemii: Henri Kagan i Kenso Soai

– Nie mam wątpliwości, że jest to odkrycie, które zmienia sposób naszego myślenia. A właściwie już go zmieniło, chociażby w odniesieniu do pytania o to, jak mogło powstać życie – mówi prof. dr hab. Sławomir Sęk z zakładu Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Wydziału Chemii UW. – Pokazuje również, że w naturze nie ma pełnej „sprawiedliwości”. Można to porównać do sytuacji, w której dwie drużyny wychodzą na boisko piłkarskie, a po dziewięćdziesięciu minutach okazuje się, że na murawie pozostali zawodnicy tylko jednej drużyny. To oczywiście bardzo duże uproszczenie, ale dobrze oddaje istotę zjawiska.

Zajmujący przestrzeń

Niektóre cząsteczki są jak dłonie. Kiedy spojrzymy na swoje, prawa i lewa są jak lustrzane odbicia, ale nie są identyczne. Podobnie niektóre reakcje chemiczne prowadzą do powstania dwóch różnych cząsteczek, z których każda jest odwzorowaniem drugiej. Naukowcy od dziesięcioleci wiedzieli, że teoretycznie możliwe jest zaprojektowanie reakcji, w których powstawałoby tylko jedno z lustrzanych odbić, jednak sposób realizacji tego w praktyce pozostawał zagadką.

Wyjaśnijmy na początku jedną rzecz: Chiralność nie dotyczy wyłącznie chemii – jest właściwością geometryczną obiektów i cząsteczek. Świat można podzielić na dwa zbiory obiektów: te, które są chiralne (większość), oraz te, które są achiralne. Czym zatem jest chiralność?

Obiekty można opisać tym określeniem, jeśli nie są identyczne ze swoim odbiciem – te achiralne „w lustrze” niczym się nie różnią. Dłonie należą do pierwszej grupy (słowo „chiralny” pochodzi zresztą od greckiego określenia oznaczającego „dłoń”). Kule – np. bilardowa – do drugiej. Bycie nieidentycznymi odbiciami lustrzanymi oznacza, że ​​obiektu wyjściowego i jego odbicia nie da się na siebie nałożyć tak, aby zajmowały dokładnie tę samą przestrzeń. Jeśli położymy lewą dłoń (ze względu na kierunek, w który wskazuje wtedy kciuk nazwijmy ją umownie prawoskrętną) na stole i na niej ułożymy prawą (lewoskrętną), nie tylko kciuki, lecz także palce nie będą do siebie „pasowały”. A nawet jeśli złożymy dłonie jak do modlitwy, i tak będą z nich z obu stron wystawały kostki.

Cząsteczki chiralne składają się wprawdzie z tych samych atomów, lecz ułożonych w odmienny sposób. Mają też identyczny układ wiązań, lecz różnią się kształtem. Co kluczowe, cząsteczki będące swoimi lustrzanymi odbiciami mogą wywierać zupełnie odmienny wpływ na układy biologiczne – takie jak nasze organizmy – które również wykazują cechę chiralności (czyli „lewo- lub praworęczności”).

Nie za odkrycie istnienia chiralności przyznano jednak tegoroczną Nagrodę Nobla z chemii. „Henri Kagan i Kenso Soai znaleźli rozwiązanie zagadki chemicznej sprzed ponad wieku: jak homochiralność może pojawić się spontanicznie. Reakcje chemiczne, które opracowali, są spektakularne” – mówi Heiner Linke, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii.

Manipulujący dłońmi

Przełomowy krok w pracach obu naukowców nastąpił w 1986 r., kiedy profesor Henri Kagan z Université Paris-Sud odkrył nową metodę sterowania reakcjami chemicznymi. Pozwoliło mu to na wytworzenie większej ilości jednego z dwóch enancjomerów (form lustrzanych) – obrazowo mówiąc więcej lewych dłoni zamiast prawych – niż wcześniej uważano za możliwe.

W 1995 r. Soai odkrył reakcję, w której powstają tylko jedne z dwóch możliwych form lustrzanych – był to pierwszy raz, kiedy ludzkości udało się uzyskać taki wynik. Mamy tu dwie proste molekuły, które zaczynają ze sobą reagować, w wyniku czego mogą powstać dwa produkty (lewe lub prawe dłonie). Soai wykazał, że to pierwszy produkt, który powstanie, decyduje o następnych – jeśli będzie to nasza lewa dłoń, to wszystkie kolejne także będą lewe, w dodatku każda z nich będzie powodowała tworzenie się jeszcze większej liczby lewych dłoni (homochiralność). To tak jakby produkt decydował o tym, co się będzie działo z substratami!

– Dzisiejsi laureaci odkryli, że jeżeli startujemy z niezbyt czystej mieszaniny związków prawoskrętnych i lewoskrętnych, to są układy, w których możemy spodziewać się, że nagle dostaniemy lawinę jednej ze skrętności – tłumaczy dr hab. Wiktor Lewandowski z Zakładu Chemii Organicznej i Technologii Chemicznej, Wydział Chemii UW. – Zostało to pokazane najpierw w przypadku prof. Kagana, na podstawie reakcji katalitycznej, a później prof. Soai rozwinął to w kierunku, w którym molekuła sama dla siebie staje się katalizatorem, elementem, który powoduje lawinę skrętności.

Reakcja ta należy do tzw. autokatalitycznych. Początkowo przebiega ona powoli, ponieważ stężenie produktu pełniącego funkcję katalizatora jest znikome. W miarę upływu czasu przybywa produktu, co powoduje stałe zwiększanie szybkości reakcji. Ta zaczyna spadać dopiero wtedy, gdy wyczerpują się wyjściowe substraty.

Wyniki prac noblistów sugerują, w jaki sposób naturalne reakcje zachodzące w organizmach żywych mogą prowadzić do powstawania niemal wyłącznie jednego rodzaju cząsteczek będących swoimi lustrzanymi odbiciami.

– Bardzo wiele cząsteczek jest achiralnych, czyli nie ma wybranej skrętności – mówi prof. Sęk. – Nie ma takich właściwości, aby w ogóle móc być skrętnymi. Nieważne, jak będziemy myśleć o jednej z tych cząsteczek, to zawsze jej odbicie lustrzane da się tak obrócić, żeby było identyczne z oryginałem.

Decydujący o życiu

„To najbardziej ekscytujący dzień w moim życiu; bardzo się cieszę, że mogę dzielić Nobla z profesorem Henrim Kaganem” – powiedział profesor Soai, który w chwili otrzymania wiadomości o Nagrodzie był na zakupach.

Zapytany o znaczenie swoich badań, wyjaśnił: „Chiralność jest kluczowa i stanowi warunek konieczny powstania życia, dlatego bardzo nas cieszy odkrycie reakcji organicznej, która wyjaśnia zjawisko homochiralności. Oczywiście, nie jest to ostateczna odpowiedź. Należy kontynuować badania w tej dziedzinie, aby lepiej zrozumieć życie”.

Chemicy podkreślają, że nagroda ta stanowi wyróżnienie dla prac sięgających samych podstaw zrozumienia, jak możemy kontrolować to, którą „dłoń” cząsteczki wytwarzamy – ma to kluczowe znaczenie np. w optyce czy produkcji substancji smakowych i zapachowych, ale też w farmacji.

– Nasz organizm ma pewną skrętność, a zatem leki, które z nim oddziałują, również muszą być chiralne – mówi dr Lewandowski. – Ibuprofen może być nieidentyczny ze swoim lustrzanym odbiciem. Jedna jego forma będzie miała właściwości przeciwzapalne i przeciwbólowe, a druga będzie obojętna dla organizmu. Chiralne jest ok. 70 proc. leków.

Prace noblistów pozwalają także wyjaśnić, w jaki sposób wszystkie chiralne cząsteczki na Ziemi – nasze białka, cukry i inne biomolekuły – postanowiły, że będą się skręcać w jedną stronę, a nie w drugą.

– Chiralność jest bardzo ciekawą cechą – wyjaśnia prof. Sęk. – Pokazuje, że natura nie działała przypadkowo, że z premedytacją preferowała formy chiralne o konkretnej skręcalności. To mogło w konsekwencji doprowadzić do monopolu jednej formy skręcalności nad drugą. Tymczasem to, która jest dominująca, nie jest regułą. Aminokwasy, które wchodzą w skład białek, preferują lewoskrętność. Natomiast cukry, które też są w naszych organizmach w dużych ilościach, wolą z kolei prawoskrętność.

Dlaczego życie przyjęło akurat taką formę? Nie wiadomo – mówi ekspert. I dodaje: – Po części odpowiedzią jest odkrycie tegorocznych noblistów. Pokazali oni, że cząsteczki chiralne są w stanie same siebie katalizować, czyli wspomagać powstawanie swoich kopii. Ten efekt powoduje, że w momencie, kiedy cząsteczki są syntezowane, nie dostajemy równych ilości obydwu form.

Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii pokazuje również jak takie odkrycia mogą „karmić” naukowców zajmujących się różnymi dziedzinami nauki – od badaczy zajmujących się genezą życia na Ziemi, przez farmację, po uczonych tworzących elektroniczny sprzęt najnowszej generacji. W każdej z tych dziedzin liczy się chiralność związków.

Na koniec jeszcze podsumowanie Petera Somfaia z Lunds universitet, członka Komitetu Noblowskiego: „Poza znaczeniem pracy laureatów, ona sama to prawdopodobnie najfajniejsze eksperymenty w chemii organicznej”.