2026 m. Nobelio chemijos premija paskirta prancūzų chemikui prof. Henri B. Kaganui ir japonų chemikui prof. Kenso Soai už netiesinių efektų ir autokatalizės atradimą asimetrinėje organinėje sintezėje. Jų darbai padėjo geriau suprasti, kaip cheminėse reakcijose gali atsirasti ir būti sustiprinta vienos iš dviejų veidrodinių molekulės formų persvara.
Vilniaus universiteto (VU) Chemijos ir geomokslų fakulteto profesorius Viktoras Masevičius atkreipia dėmesį, kad chirališkumas Nobelio chemijos premijų istorijoje nėra nauja tema. Tačiau šįkart įvertinti atradimai atskleidė specifinius procesus, leidžiančius suprasti, kaip iš pradžių nedidelė vienos molekulės formos persvara gali būti sustiprinta vykstant cheminei reakcijai.
„Iš principo Nobelio premija šiuo atveju skirta už chiralinės autokatalizės procesą. Esant vieno enantiomero pertekliui, susiformuoja sistema, kurioje koordinuojantis metalas padeda reakcijai vykti taip, kad gauname dar didesnį vieno arba kito enantiomero perteklių“, – aiškina prof. V. Masevičius.
Kodėl viena molekulės forma ima dominuoti?
Molekulės chirališkumas reiškia, kad tos pačios cheminės sudėties molekulė gali turėti dvi erdvines formas, kurios yra viena kitos veidrodiniai atspindžiai, tačiau jų negalima visiškai sutapatinti. Tokios molekulių formos vadinamos enantiomerais.
Nors jų cheminė sudėtis vienoda, dėl skirtingos erdvinės sandaros biologinėse sistemose jų poveikis gali skirtis. Be to, gyvybei būdingas homochiralumas: nors galėtų egzistuoti abi veidrodinės formos, gyvuose organizmuose paprastai dominuoja viena iš jų. Pavyzdžiui, baltymus sudarančios aminorūgštys beveik visada yra vienos – L-chiralinės formos.
„Klausimas ir yra, kodėl dominuoja viena forma, o ne kita, nors jų termodinaminis stabilumas yra vienodas. Turi būti kažkoks iniciatorius. Chirališkumas iš niekur neatsiranda, turi būti kažkas, kas jį indukuoja“, – sako VU chemikas. Būtent klausimas, kaip iš dviejų iš esmės lygiaverčių molekulių formų galėjo atsirasti vienos dominavimas, chemikus glumino daugiau nei šimtmetį.
Nedidelė persvara gali būti sustiprinta
Svarbią šios problemos dalį padėjo suprasti prof. H. B. Kagano darbai. Tyrinėdamas asimetrinę katalizę jis nustatė vadinamąjį netiesinį efektą. Asimetrinėje sintezėje chemikai siekia reakciją nukreipti taip, kad susidarytų ne vienodas abiejų enantiomerų mišinys, o kuo daugiau vienos norimos formos. H. B. Kagano tyrimai parodė, kad ryšys tarp reakcijoje naudojamo chiralinio katalizatoriaus ir gaunamo produkto ne visada yra tiesioginis.
Pasak prof. V. Masevičiaus, asimetrinės sintezės esmė ir yra galimybė reakciją nukreipti taip, kad būtų gaunamas norimas izomeras. H. B. Kagano aprašytas netiesinis efektas parodė, kad net palyginti nedidelė vienos katalizatoriaus formos persvara tam tikromis sąlygomis gali lemti gerokai didesnę vienos formos persvarą galutiniame produkte. Kitaip tariant, cheminė sistema gali sustiprinti pradinę asimetriją.
Kai produktas pats skatina savo susidarymą
Prof. K. Soai darbai parodė dar vieną tokio sustiprėjimo mechanizmą – asimetrinę autokatalizę. Jo atrastoje reakcijoje susidaręs chiralinis produktas pats dalyvauja katalizuojant tolesnį tokios pačios formos produkto susidarymą.
„Asimetrines reakcijas galima inicijuoti įvairiai. Galime paimti asimetrinį katalizatorių ir jis duos asimetrinį produktą. O šiuo atveju pats autokatalizės procesas formuojasi iš nechiralinių molekulių“, – aiškina prof. V. Masevičius.
K. Soai tyrinėtoje reakcijoje svarbų vaidmenį atlieka cinkas. Susidaręs chiralinis produktas, sąveikaudamas su metalu, tampa katalizinės sistemos dalimi ir skatina tolesnį tokios pačios chiralinės formos produkto susidarymą. Todėl net nedidelė pradinė vieno enantiomero persvara gali būti vis stiprinama.
„Inicijavus reakciją susidaro kompleksas, kuris ją po to katalizuoja, ir, priklausomai nuo to, kurio enantiomero turime daugiau inicijavimo metu, reakcija ir nueina ta kryptimi“, – sako prof. V. Masevičius.
Kas lemia chirališkumo pradžią?
Taigi abiejų šių metų Nobelio chemijos premijos laureatų darbai parodė skirtingus, tačiau susijusius būdus, kaip cheminėje sistemoje gali būti sustiprinta vienos chiralinės formos persvara. H. B. Kagano darbai atskleidė netiesinius efektus asimetrinėje katalizėje, o prof. K. Soai pademonstravo asimetrinę autokatalizę, kai reakcijos produktas pats prisideda prie tolesnio savo formos susidarymo.
Vis dėlto lieka dar fundamentalesnis klausimas – iš kur galėjo atsirasti pati pirmoji enantiomerinė persvara. „Turėjo būti kažkoks pagrindas, nuo ko konkrečiai prasidėjo chirališkumas. Galima filosofiškai svarstyti ir apie nukleorūgščių bei baltymų priešingą chirališkumą. Tačiau pats chirališkumas iš niekur neatsiranda“, – sako prof. V. Masevičius.
Gyvybės chemijoje šis klausimas ypač svarbus. Aminorūgštys, cukrūs ir daugybė kitų biologinių molekulių gali turėti skirtingas veidrodines formas, tačiau gyvuose organizmuose vyrauja konkrečios jų formos. Nobelio premija įvertinti atradimai neatsako į klausimą, kaip atsirado pirmoji nedidelė asimetrija, tačiau parodo mechanizmus, kuriais kartą atsiradusi vienos formos persvara gali būti sustiprinta ir ilgainiui tapti dominuojanti.
Svarbu ne tik fundamentinei chemijai
Gebėjimas kontroliuoti chirališkumą turi ir tiesioginę praktinę reikšmę, ypač kuriant vaistus. Žmogaus organizme vaistų molekulės sąveikauja su kitomis erdvinėmis struktūromis, pavyzdžiui, fermentais ir receptoriais. Todėl skirtingi tos pačios molekulės enantiomerai organizme gali veikti nevienodai.
„Jeigu vaistas turi chiralinį centrą, priešingos konfigūracijos molekulė gali pasižymėti visai kitokiu poveikiu. Vienas enantiomeras gali turėti terapinį poveikį, o kitas būti toksiškas. Todėl kai kuriais atvejais negalime naudoti racemato, tai yra abiejų enantiomerų mišinio, jei jo toksiškumas tampa per didelis“, – aiškina prof. V. Masevičius.
Todėl kuriant vaistus svarbu ne tik susintetinti reikiamą cheminį junginį, bet ir kontroliuoti, kokia jo erdvinė forma susidaro. Pasak VU mokslininko, chirališkumo reikšmė neapsiriboja farmacija: „Chirališkumas svarbus ne tik vaistuose. Visur, kur svarbi substrato sąveika su kita molekule, jis gali turėti esminę reikšmę. Vaistai sąveikauja su fermentais, receptoriais, juos aktyvina arba slopina. Tuo iš esmės paremtos biotechnologijos ir medicina.“
Prof. H. B. Kaganas ir prof. K. Soai pasidalys 12 mln. Švedijos kronų Nobelio premiją. Laureatams apdovanojimai bus įteikti gruodžio 10 d., Alfred Nobelio mirties metinių dieną, per Nobelio premijų įteikimo ceremoniją Stokholme.
