Почему жизнь выбирает только одну версию молекул: загадка, удостоенная Нобелевской премии по химии

«Я как раз делал покупки», — ответил Кенсо Соаи, когда его сегодня утром спросили, где он находился, когда ему позвонили из Нобелевской академии, чтобы сообщить, что он стал одним из лауреатов Нобелевской премии по химии этого года. Так обычный день для ученого превратился в «самый волнующий день в его жизни», как сказал японец, родившийся в Хиросиме в 1950 году. Соаи, вместе с 95-летним французом Анри Каганом, в разное время занимались изучением свойства молекул, которое имеет значение для различных отраслей, таких как фармацевтика и парфюмерия, среди прочего, и даже разгадали одну из химических загадок, касающуюся происхождения жизни. Дело в том, что, хотя две молекулы выглядят в зеркале абсолютно одинаково, по своим свойствам они не идентичны, так же как правая рука, отражённая в зеркале, не является левой рукой, хотя и очень похожа на неё. «То, что их невозможно наложить друг на друга, имеет определённые последствия: до такой степени, что одна молекула может лечить, а её зеркальное отражение — наносить вред. Самый известный пример — талидомид, который в одной из своих форм помогает бороться с тошнотой во время беременности, но его зеркальное отражение вызывает врождённые аномалии у младенцев. Но это не единственный случай: например, вещество лево-допа используется для лечения болезни Паркинсона, тогда как декстро-допа биологически неактивна. С другой стороны, в природе всегда наблюдается, что основные вещества, такие как аминокислоты и белки, имеют ту или иную форму, что представляет собой жизненно важную асимметрию. «Эта уверенность привела к появлению области исследований, известной как хиральность («хиро» в переводе с греческого означает «рука»). Конкретно Анри Каган и Кенсо Соаи — которые разделили между собой Нобелевскую премию и чуть более миллиона долларов — определили, как можно разрабатывать эксперименты для получения одной из двух форм молекул по выбору. Иными словами, по выражению самой Шведской академии, они разгадали химическую загадку, существовавшую более века, и одновременно нашли теоретический ответ на вопрос о том, как может спонтанно возникать гомохиральность, почему в природе чаще встречается одна из двух возможных зеркально противоположных форм. «Разработанные ими химические реакции просто потрясающи», — подытожил Хайнер Линке, председатель Нобелевского комитета по химии. «Работы Кагана восходят к 1986 году, когда он открыл новый способ управления химическими реакциями, позволивший ему получить избыток одной из зеркальных форм, превышающий то, что до того считалось возможным. То есть, говоря более техническим языком, речь идет о нелинейном эффекте. И именно Соаи почти десять лет спустя удалось расширить его с помощью серии экспериментов. Эта реакция получила название «реакция Соаи», и до этого ничего подобного искусственным путём достичь не удавалось». «Хотя речь идет о фундаментальных исследованиях, посвящённых тому, как устроена природа, их результаты позволяют достичь уровня манипуляции, который оказывается весьма полезным для промышленности». «Работа Соаи позволяет понять истоки жизни, поскольку большинство молекул, таких как белки, образуются в одном из двух вариантов (либо левом, либо правом, но не в равных количествах)», — сказал газете LA NACION Ариэль Саротти, ведущий научный сотрудник Conicet и профессор Национального университета Росарио. «Оставалось загадкой, почему природа выбрала один из двух вариантов и отвергла другой. Работа Соаи продвинулась в этом направлении и объяснила, почему это могло произойти», — добавил он. Дело в том, что если по какой-то причине, возможно, случайно, в начале истории жизни наблюдался избыток одной из двух форм (будь то левой или правой), «благодаря явлениям автокатализа, описанным Соаи, эта небольшая асимметрия порождает цикл обратной связи, который усиливает асимметрию. И за миллионы лет существования жизни на Земле в итоге остается только одна из этих форм», — резюмировал он. Различие в происхождении, порождающее эффект снежного кома». Оскар Варела, старший научный сотрудник Conicet и почетный профессор кафедры органической химии факультета точных и естественных наук Университета Буэнос-Айреса (UBA), согласен с тем, что это «вполне заслуженная» Нобелевская премия, и подробно объясняет феномен автокатализа, который, как уже отмечалось, важен также для лабораторных исследований и промышленности. «В химической реакции сам получаемый продукт выступает в качестве катализатора, то есть ускоряет процесс получения этого же самого продукта. Таким образом, эта исходная асимметрия, которая может быть незначительной и случайной, со временем приводит к формированию полной асимметрии», — сказал он. Помимо последствий для фармацевтики, понимание различий между лево- и правосторонними молекулами также играет ключевую роль, например, в парфюмерии. «Рецепторы в носу и горле также представляют собой белки, поэтому некоторые соединения обладают пространственной ориентацией, позволяющей им связываться с рецептором, а другие соединения не могут этого сделать — как идентичный ключ, который не подходит к замку, или перчатка, предназначенная для другой руки. Поэтому получение их в чистом виде имеет жизненно важное значение», — заключил Варела. «По мнению некоторых аналитиков, присуждение Кагану Нобелевской премии по химии в этом году исправляет ошибку, допущенную четверть века назад. Когда в 2001 году Нобелевскую премию получила тройка ученых — Барри Шарплесс, Рёдзи Ноёри и Уильям Ноулз — за работы в той же области асимметричного каталитического синтеза, раздались жалобы на то, что забыли о французском пионере». Действительно, Академия Франции сегодня утром незамедлительно выразила удовлетворение в связи с присуждением премии своему члену, которому в декабре исполняется 96 лет (Нобелевская премия не присуждается посмертно). «Саротти отмечает, что это уже третья Нобелевская премия, присужденная в этой области, поскольку премия 2021 года, присужденная Бенджамину Листу и Дэвиду Макмиллану, также была связана с этой же темой». Поэтому приятно, что премию присудили именно французу. И он подробно изложил причины: «Вопреки распространённому мнению, Каган продемонстрировал нелинейные эффекты: можно исходить из нечистого катализатора и получить чистый продукт, что имеет огромное практическое значение. И не только это: Каган разработал модели для теоретического обоснования этой идеи; это была не просто эмпирическая работа, а концептуальный вклад, позволивший последующим поколениям исследователей использовать эту основу для дальнейших достижений», — заключил он». В том же духе высказался Хавьер Адрио, профессор и директор кафедры органической химии Мадридского автономного университета: «Нобелевская премия по химии, присужденная Кагану и Соаи, является признанием их фундаментального вклада в понимание того, как может возникать и распространяться гомохиральность (наличие одного или другого типа молекул). «Открытие нелинейных эффектов и процессов автокатализа в рамках асимметричного катализа позволило разработать реакции, способные непосредственно генерировать и усиливание определенную хиральную форму по сравнению с ее зеркальным отражением», — сказал он испанскому агентству SMC. «» «Эта награда подчеркивает чрезвычайную важность асимметрического катализа не только как важнейшего инструмента для синтеза фармацевтических препаратов и других молекул, представляющих интерес, но и как способа решения некоторых из самых глубоких вопросов химии», — заключил Адрио.