Neke molekule, poput aminokiselina, postoje u dva oblicima koji su kao slika i predmet u odledalu, ili zrcalne slike. Ovakve molekule nazivamo hiralne molekule. Međutim, živi organizmi sadrže samo jednu od tih oblika, recimo, aminokiseline su “lijeve”. Kako je mogla nastati takva hemijska asimetrija, jer bismo očekivali da su i u živom svijetu obje varijante jednako zastupljene? Hemičarima je dugo to bilo zagonetka. Nobelova nagrada za hemiju 2026. godine biće dodijeljena dvojici naučnika, Henriju B. Kaganu i Kensu Soaiju, za otkriće rješenja te zagonetke.
Zašto život koristi samo jednu od dvije moguće „verzije“ iste molekule? To pitanje decenijama je zbunjivalo hemičare. Molekule poput aminokiselina mogu postojati u dva oblika koji su međusobne ogledalne slike – baš kao lijeva i desna ruka. Zato se ove molekule i nazivaju hiralne, prema grčkoj riječi za ruku. Iako su hemijski veoma slični, ne mogu se jednostavno preklopiti jedan preko drugog.
No ovo nije jedina stvar koju znamo za njih. Neke hiralne molekule u različitim, lijevim i desnim oblicima, mogu imati različit miris, recimo molekula karvon. Lijevi oblik miriše na mentu, a desni na na kim.
Ili još gore, kod lijekova, poput čuvenog i tragičnog primjera talidomida, jedna molekula je lijek, a druga izaziva malformacije ploda kod trudnica ako prime taj lijek.
Stvar je u tome što bi po logici stvari trebalo u živom svijetu biti i jednih i drugih oblika molekula podjednako. Ali nije tako. Organske molekule u živom svijetu su uglavnom „ljevičari”.
Živi svijet, dakle, pravi neobičan izbor. Gotovo sve aminokiseline koje grade proteine u našim ćelijama pripadaju samo jednoj od te dvije „ruke“. Druga, zrcalna varijanta, u prirodi je rijetka. Ova pojava naziva se homohiralnost i predstavlja jednu od zanimljivih asimetrija hemije života.
Problem je dugo izgledao gotovo nerješiv. Kada hemičari izvedu reakciju u kojoj mogu nastati dvije zrcalne varijante molekula, uobičajeno je da dobiju približno jednake količine obje. Ako nema razloga da reakcija „preferira“ jednu stranu, zašto bi priroda odabrala samo jednu? S druge strane, ovo pitanje, posebno za lijekove, vrlo je bitno – kako napraviti reakciju u kojoj ćemo dobijati jednu varijantu molekule, a drugu koja nam nije potrebna, nećemo?
Odgovor je počeo stizati 1986. godine, kada je Henri Kagan otkrio novi način manipulacije hemijskim reakcijama. Uspio je dobiti mnogo veći višak jedne zrcalne varijante nego što se ranije smatralo mogućim. Time je pokazao da se hemijska reakcija može usmjeriti prema jednom „obliku“ molekula.
Kagan je pokazao da odnos lijevih i desnih molekula u početnom katalizatoru ne mora biti proporcionalno preslikan na proizvod. Otkrio je tzv. nelinearni efekt: kombinacija dvije suprotne „ruke“ u katalizatoru može zapravo snažno favorizovati jednu od njih, jer se različite kombinacije ponašaju različitom brzinom. Time je pronašao način da malo početno odstupanje pretvori u mnogo veći višak jedne zrcalne forme.
Kenso Soai napravio je sljedeći veliki korak. Godine 1995. opisao je reakciju koja je imala potencijal da bude potpuno homohiralna. Osam godina kasnije, 2003, uspio je i ono što prije njega nije pošlo za rukom nijednom hemičaru: iz reakcije je dobio samo jednu od dvije moguće zrcalne varijante.
Soai je otišao korak dalje i osmislio reakciju u kojoj proizvod postaje vlastiti katalizator. To znači da ako se na samom početku, sasvim slučajno, pojavi samo malo više jedne „ruke“, ona počinje stvarati još više upravo sebe – svojevrsna hemijska samopojačavajuća petlja. U njegovoj reakciji početni sićušni višak mogao je narasti do čak 99,99% jedne zrcalne forme.
Otkriće je riješilo više od vijeka staru hemijsku zagonetku – kako se hemijska asimetrija može pojaviti spontano i kako je hemičari mogu kontrolisati. Na pitanju hiralnosti molekula radili su Louis Pasteur i Vladimir Prelog. Također, treba spomenuti kako su dobitnici Nobelove nagrade za hemiju 2021. Benjamin List i David W.C. MacMillan našli način kako da katalitičkim procesom zvanim asimetrična organokataliza dobiju određeni oblik ovih molekula.
Kagan i Soai tako su pokazali kako hemija može prestati proizvoditi „lijevu i desnu ruku“ u jednakom broju – i naučiti da izabere samo jednu. Još važnije, oni su otkrili i korijen hiralnosti i nastavili rad velikih naučnika prije njih. Pokazaće se i kako mi možemo namirisati različite oblike ovih molekula u nekim slučajevima jer i naš organozam, receptori, imaju isto lijevu i desnu ruku.
Hemičari su, zahvaljujući radu ove dvojice naučnika, dobili nove, temeljne alate za svakodnevni rad, no ta su otkrića prije svega pridonijela rješavanju jedne od najvećih kemijskih zagonetki: kako nastaje homokiralnost – kakva se nalazi u svim živim bićima. Također smo se prilbližili odgovorima i povećali znanje o nekim fundamentalnim pitanjima živog svijeta.
Kaganov nelinearni efekat i autokataliza su pokazali kako mali višak jednog oblika molekule na početku ciklusa reakcija može dovesti do disbalansa, da taj višak može dramatično nadvladati svog zrcalnog blizanca tokom hemijske reakcije. Soaijeva autokataliza se nadovezala za Kaganovo otkriće i eksponencijalno umnožila taj dominantni oblik do gotovo stopostotne čistoće, stvarajući asimetrične molekule neophodne za izgradnju prve DNK i proteina. Međutim, oni su pokazali da se ovo moglo dogoditi i u prirodi, na početku stvaranja živog svijeta i organskih molekula. Neki faktori, poputpolarizovane svjetlosti, hiralnih kristala kvarca na površini praoceana ili čak čista statistička slučajnost, stohastički proces, mogli su zakovitlati protitežu na stranu lijevog ili desnog tipa hiralnih molekula.
Henri B. Kagan rođen je 1930. godine u Boulogne-Billancourtu u Francuskoj. Doktorirao je 1960. godine na Collège de France, a najveći dio akademske karijere proveo je kao profesor na tadašnjem Université Paris-Sud. Danas je profesor emeritus te institucije.
Kenso Soai rođen je 1950. godine u Hirošimi u Japanu. Doktorirao je 1979. godine na Univerzitetu u Tokiju. Bio je profesor na Tokyo University of Science, gdje danas ima status profesora emeritusa.
