Nobel za rozwiązanie asymetrycznej zagadki chemii

Wiele związków chemicznych istotnych dla życia występuje w dwóch formach, będących swoimi lustrzanymi odbiciami, tak zwanych enancjomerach. Choć są one niemal identyczne, tylko jedna z nich pasuje do funkcji biologicznego organizmu. Druga może być nieaktywna lub nawet szkodliwa. Można je porównać do dwóch kluczy -  jeden otwiera drzwi, a drugi je blokuje lub niszczy zamek.

Ta właściwość cząsteczek, zwana chiralnością, jest wszechobecna w naturze. Wszystkie aminokwasy budujące białka w naszych komórkach mają tę samą "lewą" wersję, a cukry w DNA - "prawą". W laboratorium, podczas syntezy chemicznej, zwykle powstaje mieszanka obu wersji. Od dekad chemicy zastanawiali się, jak sprawić, by reakcja dawała wyłącznie jedną, pożądaną formę.

Zagadka, z którą mierzyły się kolejne pokolenia naukowców

Początki badań nad chiralnością sięgają połowy XIX wieku. Louis Pasteur, badając kwas winowy, kluczowy składnik wina, zauważył, że jego kryształy istnieją w dwóch lustrzanych formach. Oddzielił je i odkrył, że każda z nich inaczej skręca płaszczyznę spolaryzowanego światła. Co więcej, bakterie fermentujące kwas winowy "wybierały" tylko jedną z tych form, pozostawiając drugą nietkniętą. To był pierwszy dowód na to, że życie może preferować jedną wersję chiralnych cząsteczek.

Przez kolejne dekady chemicy próbowali zrozumieć, dlaczego natura wybrała tylko jedną z dwóch możliwych wersji. W laboratorium jednak zawsze otrzymywano mieszaninę obu enancjomerów. Przełom nastąpił na początku XX wieku, gdy niemiecki chemik Willy Marckwald jako pierwszy przeprowadził reakcję, w której powstało więcej jednego enancjomeru niż drugiego. Kluczem okazał się chiralny katalizator, który preferował jedną z form.

W 1953 roku Charles Frank, teoretyk z Uniwersytetu w Bristolu, zaproponował matematyczny model wyjaśniający, jak mogłaby powstać homochiralność, czyli przewaga jednej wersji cząsteczki. Według niego, konieczne są trzy warunki: obecność chiralnego katalizatora, reakcja asymetryczna oraz proces autokatalizy, w którym produkt reakcji sam staje się katalizatorem, wzmacniając powstawanie własnej wersji.

Co dokładnie odkryli nowi nobliści?

Henri Kagan, pracując w latach 80. na Uniwersytecie Paris-Sud, postanowił sprawdzić, czy relacja między chiralnością katalizatora a produktem rzeczywiście jest liniowa, jak wcześniej sądzono. Okazało się, że nie.

Katalizatory złożone z dwóch takich samych enancjomerów działały znacznie szybciej, niż te zmieszane. Efekt ten, nazwany nieliniowym wzmocnieniem asymetrii, pozwolił uzyskać znacznie większą przewagę jednej formy produktu, niż wynikałoby to z proporcji w katalizatorze. To odkrycie zrewolucjonizowało projektowanie reakcji asymetrycznych, szczególnie w przemyśle farmaceutycznym, gdzie czystość leku jest kluczowa dla bezpieczeństwa pacjentów.

Kenso Soai z Tokyo University of Science poszedł o krok dalej. Zainspirowany efektami opisanymi przez Kagana, postanowił znaleźć reakcję, w której produkt sam staje się katalizatorem, czyli spełnia warunek autokatalizy z modelu Franka. Po latach eksperymentów udało mu się to osiągnąć. W 1995 roku opisał reakcję, w której niewielka przewaga jednego enancjomeru na początku prowadziła do niemal całkowitej dominacji tej formy w produkcie końcowym. 

W 2003 roku Soai udoskonalił ten proces, osiągając niemal 100-procentową czystość enancjomeryczną. Po raz pierwszy w historii udało się wytworzyć przewagę jednej formy chiralnej z mieszaniny niechiralnych substratów, na drodze czysto chemicznej, bez udziału organizmów żywych.

Reakcja Soai uznawana jest za jedno z najbardziej eleganckich doświadczeń w historii chemii. Pokazuje, że nawet minimalna przewaga jednej formy na początku procesu może, dzięki autokatalizie, doprowadzić do całkowitej dominacji tej formy w produkcie końcowym. Co ciekawe, to, która forma zwycięży, zależy od przypadku. Czasem powstaje "lewa", czasem "prawa" wersja cząsteczki.

Jakie znaczenie mają badania noblistów?

Odkrycia Kagana i Soai mają ogromne znaczenie praktyczne. Dzięki nim chemicy zyskali nowe narzędzia do projektowania reakcji, w których można precyzyjnie kontrolować, która wersja chiralnej cząsteczki powstanie. To kluczowe w produkcji leków. Historia talidomidu, leku z lat 60., którego jedna forma była skuteczna, a druga powodowała poważne wady wrodzone, do dziś jest przestrogą dla przemysłu farmaceutycznego.

Nowe metody pozwalają również na produkcję czystych enancjomerów w przemyśle spożywczym, perfumeryjnym czy przy wytwarzaniu nowoczesnych materiałów. Co więcej, odkrycia te rzucają nowe światło na pytanie o początki życia na Ziemi. Pokazują, jak mogła powstać homochiralność, będąca fundamentem biochemii wszystkich organizmów.

Henri B. Kagan urodził się w 1930 roku we Francji. Jest emerytowanym profesorem Uniwersytetu Paris-Sud, gdzie przez lata prowadził badania nad reakcjami asymetrycznymi. Kenso Soai, urodzony w 1950 roku w Japonii, związany jest z Tokyo University of Science. Obaj zostali nagrodzeni za "odkrycie nieliniowych efektów i autokatalizy w asymetrycznej syntezie organicznej". Ich prace nie tylko rozwiązały fundamentalną zagadkę chemii, ale także otworzyły nowe perspektywy dla nauki i przemysłu. Dzięki nim chemicy na całym świecie mogą dziś projektować reakcje z niespotykaną dotąd precyzją. My wszyscy korzystamy z bezpieczniejszych leków i nowoczesnych technologii.