Нобелівська премія 2026 року з хімії дісталася Анрі Кагану та Кенсо Соаї. Вони знайшли реакції, які дозволяють отримувати тільки один із двох дзеркальних ізомерів, у вигляді яких існує чимало органічних речовин. Ці дослідження, на перший погляд, далекі від космічної теми, дозволяють дати відповідь на запитання про те, як у Всесвіті виникло життя.
Хімічна основа життя
Анрі Каган та Кенсо Соаї, які цього року отримали Нобелівську премію з хімії, займаються тією її частиною, яка безпосередньо пов’язана з біологією. Їхні роботи насамперед цікаві фармацевтичній промисловості, оскільки одним з їхніх наслідків є можливість підвищення бажаних проявів і зменшення шкідливих.
Проте ці самі роботи цікаві й з погляду на проблему походження життя і того, наскільки складно йому розпочатися. А це вже напряму пов’язано з його розповсюдженістю у Всесвіті. Проте щоб розібратися у цьому, треба почати з самих основ: чим жива матерія відрізняється від неживої.
На світанку існування хімії, у ХV–XVIII століттях, більшість вчених була впевнена, що будова живих організмів принципово відрізняється від будови неживої матерії, а тому їх неможливо звести до простої суми хімічних реакцій. Багато хто пов’язував це з наявністю у Всесвіті особливої «життєвої сили», яка дає змогу перетворити набори атомів на живих істот.
Ця теорія називається віталізмом, і багато хто й досі апелює до неї, коли йдеться про те, що, можливо, Земля є єдиною в усьому Всесвіті планетою, що породила життя. Однак уже в ХІХ столітті хіміки зрозуміли, що вся складність біологічних процесів стає трохи менш містичною, якщо припустити, що хімічні перетворення вуглеводнів призводять не просто до додавання окремих елементів у загальну «кашу», а до утворення певних просторових структур.
Стало зрозуміло, що це справді може пояснити життя, але водночас призвело до відкриття такого складного явища, як ізомерія. Це різновиди органічних молекул, в яких атоми ті самі, але з’єднані по-різному, що впливає на їхні фізичні та хімічні характеристики.
Потім відбулися експерименти з поляризованим світлом, тобто таким, в якому електромагнітні коливання відбуваються в одній площині, й виявилося, що існують ізомери оптичних речовин, які мають абсолютно однакові фізичні й хімічні властивості (принаймні у неорганічному середовищі), але при цьому площину поляризації обертають в різні боки.
Розгадка цієї загадки була не такою вже складною навіть для вчених ХІХ століття. Просто структура цих молекул має бути асиметричною і при цьому дзеркальною.
Найпростіша аналогія — руки людини. Їх можна обертати як завгодно, але ніколи неможливо абсолютно точно сумістити в просторі в одній формі: якісь пальці завжди стирчатимуть не туди.
Енантіомери та проблема гомохіральності
Власне, аналогія з руками й дала назву цьому явищу. Грецьке χέρι означає «кисть руки», тож наявність у речовини дзеркальних ізомерів отримала назву хіральності. Самі ж дзеркальні ізомери назвали енантіомерами, а ситуація, коли речовина складається тільки з одного їх виду — гомохіральністю (у перекладі — «однаковість рук»).
І залишалися б вони маловідомим курйозом, якби не виявилося, що всі цукри, які входять до складу ДНК та РНК, є правими енантіомерами, а всі амінокислоти, крім гліцину, який енантіомерів не має, з яких побудовані білки, — лівими.
Внутрішня логіка тут абсолютно чітка: білки синтезуються на рибосомах, які зчитують інформацію з РНК, і все це відбувається завдяки хімічним зв’язкам, тому вони й повинні мати різну орієнтацію.
Проблема виникає з тим, як така структура взагалі могла виникнути, адже науковці достатньо швидко навчилися синтезувати органічні речовини з неорганіки, але в результаті отримували суміш, в якій ліві та праві ізомери були представлені однаково. Така суміш називається рацематом.
Віталізм, який успішно поховали стараннями хіміків, знову був як живий. Бо якщо природним чином виходить тільки рацемат, то має бути якась «ци» чи «прана», яка виліпила з нього гомохіральні білки та РНК.
Саме на цьому ґрунті багато хто й досі відстоює неможливість існування життя на інших планетах, звичайно ж, прив’язуючи до цього концепцію Бога, який особливо прихильний до нашої планети.
Звідси ж походить іще одна ідея. Ніби на іншій планеті можуть бути рослини та тварини, але людина не зможе вижити, споживаючи їх, адже, наприклад, їхня ДНК може містити ліві цукри, а білки — праві енантіомери амінокислот. Такий сценарій повністю не виключений, хоча що більше хіміки дізнаються про цю непросту тему, то сумнівнішим він здається.
Асиметричний синтез
Проте хіміки не злякалися. Ще на межі ХІХ та ХХ сторіч вони відшукали перший спосіб порушити сувору рацематність органічних сумішей. Для цього в багатьох випадках виявилося достатньо помістити їх у середовище, яке саме по собі було гомохіральним, наприклад, у середовище тих же білків чи амінокислот.
Одразу ж виникало запитання: звідки могло взятися перше таке середовище? Знову життя видавалося наслідком дії якоїсь містичної сили. Ситуація ускладнювалась ще й тим, що інших методів розрізнити ліві та праві ізомери, крім як через спостереження у поляризованому світлі, не було. Лише з появою рентгеноструктурного аналізу працювати в цій галузі стало по-справжньому зручно.
Але ще до того науковці зрозуміли, що є ще одна проблема. Порушення рацематності ще не означало настання гомохіральності. Бо існувала купа проміжних станів, в яких одного з енантіомерів було більше, але й інший був присутній. Виникло поняття енантіометричного надлишку, тобто того, наскільки одного варіанта молекул у суміші більше, ніж іншого. Змінюватися він може від 0, що відповідає співвідношенню 50:50 до 100. Це означає повну гомохіральність.
Ще у першій половині ХХ століття вчені зрозуміли, що шлях до отримання гомохіральних речовин лежить через хімічні реакції із молекулами, які самі по собі є асиметричними. Виявилося, що часто це ті речовини, в яких серед вуглецю кисню та водню присутній ще й якийсь атом металу.
Характерним прикладом тут може бути всім знайомий хлорофіл, який надає листю зеленого кольору. В його молекулі присутній атом магнію, а сама вона досить асиметрична і витягнута. Але найцікавіше те, що у продуктів реакції з ним присутній значний енантіометричний надлишок.
Так з’явилося поняття асиметричного синтезу. Стало можливим отримувати ліві чи праві енантіомери вибірково. Але дух віталізму ще не був подоланий остаточно. Адже часто нові методи не давали абсолютно гомохірального продукту, чого в природі не спостерігається. Та й звідки мають братися нові молекули хлорофілу, теж було незрозуміло. Але, можливо, рішення було у тому, що біологічні реакції у природі утворюють складні цикли.
Ситуація змінилася, коли 1968 року Вільям Ноулз, Рьодзі Нойорі та Баррі Шарплес незалежно один від одного дійшли висновку, що ключ до всього лежить у застосуванні асиметричних металовмісних молекул, причому їм самим не обов’язково вступати в реакцію.
Адже в природі багато чого відбувається просто в присутності каталізатора. Так з’явилося асиметричне гідрування органічних молекул — перший метод асиметричного синтезу, яким можна було застосовувати у фармакологічній індустрії. Але все ще було одне «але» — енантіометричний надлишок навіть у цій реакції складав лише 15 %.
Що зробили Каган і Соаї
Тепер варто розповісти, що саме зробили лауреати Нобелівської премії з хімії. Андре Каган працював у галузі асиметричного синтезу ще з початку 1970-х років. Він спробував використати як каталізатори асиметричні молекули на основі металів, які зазвичай рідко трапляються в живих організмах. Першим великим його досягненням стала селективна реакція у присутності каталізатора на основі родію. Її продукт мав дуже високий енантіометричний надлишок. Потім Каган багато працював над отриманням селективних каталізаторів на основі лантаноїдів.
Однак головне своє відкриття Каган зробив 1986 року. Він працював над достатньо складною каталітичною реакцією з несиметричною титановмісною молекулою як каталізатором, коли помітив, що реакція протікає нелінійно.
Зазвичай подібні реакції працюють за принципом: наскільки багато молекул каталізатора, настільки швидко та ефективно вони працюють. Однак у цьому випадку на певному етапі пришвидшення реакції перестало залежати від збільшення кількості каталізатора. Бо вже самі молекули речовини, що реагує, почали збиратися навколо його молекул, і це додатково порушувало рацематність продукту. Це — так зване асиметричне підсилення.
Потім, вже знаючи про результати робіт Кагана, Кенсо Соаї вирішив досягти асиметричного підсилення, застосувавши принципи автокаталізу. Тут все ще простіше: це такі реакції, в яких продукт сам виступає каталізатором власного синтезу. У природі таке відбувається постійно. По суті, все життя — одна велика система автокаталітичних циклів.
У 1995 році Соаї показав світу реакцію, яка зараз носить його ім’я. Вона не стала останнім кроком в еволюції асиметричного синтезу. Навпаки, спонукала інших науковців шукати подібні процеси.
Головний результат її відкриття полягає в тому, що вчені нарешті змогли показати, яким чином з однорідної суміші ізомерів отримати ДНК та білки у тому вигляді, в якому ми їх знаємо.
То чи існує життя за межами Землі
Зазвичай роботи Ноулза, Нойорі, Шарплеса, Кагана та Соаї розглядають у розрізі створення нових ліків. Однак для розуміння того, як життя могло виникнути на Землі чи інших планетах, воно не менш важливе.
Річ у тім, що методи асиметричного синтезу, вся ця металовмісна органіка, складні каталізатори на її основі, автокаталітичні процеси, надзвичайно схожі на те, що відбувається в клітині та навколо неї, хоча часто в них беруть участь компоненти, які рідко трапляються в живих організмах. Але так, — це можливий шлях, яким могло виникнути життя.
Взагалі тема його існування біля інших зір значно ширше за проблему синтезу гомохіральних вуглеводнів. Науковці досі міркують над питаннями можливості альтернативної біохімії, наприклад, на основі кремнію. Поки що ці питання залишаються без відповіді, зрозуміло лише, що така система потребує геть інших умов, ніж на нашій планеті.
Не менш важливо, наскільки поширені планети, схожі на Землю, де умови сприятливі для еволюції органічних молекул. Проте ми знаємо, що органіки в космосі багато. А завдяки роботам цьогорічних нобелівських лауреатів з хімії стало зрозуміло, що у водневому середовищі, насиченому атомами металів, процеси асиметричного синтезу можуть запускатися самі собою. А далі, можливо, з’являються перші реплікатори — РНК, від яких уже веде шлях до ДНК і білків, а зрештою — до живих клітин, тканин і цілих організмів.
