زندگی نامتقارن است دانشمندانی که علت برنده شدن جایزه نوبل شیمی 2026 را کشف کردند

برخی از مولکول ها کایرال هستند، به این معنی که یک مولکول دارای دو شکل است که تصاویر آینه ای از یکدیگر هستند اما مانند دست چپ و راست شما یکسان نیستند. یکی از مرموزترین پدیده های شیمیایی در زیست شناسی این است که موجودات زنده تقریبا منحصرا یکی از این دو شکل را دارند. این به عنوان homochirality شناخته می شود. هر دو نسخه از مولکول ها - که هر کدام انانتیومر نامیده می شوند - خواص فیزیکی مشابهی دارند اما می توانند رفتار متفاوتی داشته باشند.

کمیته نوبل از یک تشبیه ساده برای توضیح این موضوع استفاده کرد: یک قفل ساز می تواند دو کلید آینه ای بسازد، اما "فقط یکی از آنها با قفل مناسب است - و اگر مشتریان شما بخواهند قفل را با کلید دیگر باز کنند، قفل آسیب می بیند." در توسعه داروهای جدیدی که برای مثال از اسیدهای آمینه یا مولکول‌های قند به عنوان پایه استفاده می‌کنند، همو کایرالیته یک مشکل ایجاد می‌کند: در حالی که یکی از انانتیومرهای این مولکول‌های کایرال اثر درمانی مطلوب را ایجاد می‌کند، دیگری می‌تواند عوارض جانبی غیرضروری و گاهی مضر ایجاد کند.

دانشمندان همیشه نمی توانند به راحتی کنترل کنند که کدام نسخه از مولکول را از سنتز خود خارج می کنند. کشف مولکول‌های کایرال به زمان پاستور برمی‌گردد که دو انانتیومر را پیدا کرد که در مواجهه با باکتری‌ها واکنش‌های بسیار متفاوتی از خود نشان می‌دادند. از آن زمان، محققان مختلف تلاش کرده اند تا همو کایرالیت را در آزمایشگاه با هدف درک منشاء خود به خودی آن و به کارگیری این دانش در طراحی واکنش های کنترل شده برای اهداف مختلف، تکرار کنند.

با این حال، آزمایش‌های اولیه مقادیر مساوی از دو نوع را به همراه داشت، و نتوانستند انتخاب‌پذیری مشاهده شده در طبیعت را بازتولید کنند. در آغاز قرن گذشته، شیمیدان آلمانی ویلی مارکوالد، یک واکنش نامتقارن را طراحی کرد که قادر به تولید مقدار کمی بیشتر از یکی از این دو نسخه بود. او این کار را با استفاده از یک کاتالیزور کایرال به دست آورد - ماده ای که یک واکنش شیمیایی را بدون مصرف تسهیل می کند و به تشکیل یکی از انانتیومرها کمک می کند.

با این حال، نسبت بین این دو نوع فقط کمی تغییر کرد. بعدا، در سال 1953، فیزیکدان نظری، چارلز فرانک، یک مدل ریاضی پیشنهاد کرد که سه شرط را برای بازتولید هموکایرالیته بیان می کرد. اول، باید یک واکنش نامتقارن وجود داشته باشد که بتواند یکی از این دو نسخه را مورد پسند قرار دهد. این عدم تعادل باید تقویت شود. و خود واکنش باید کاتالیزوری را تولید کند که آن را به حرکت در می آورد.

این آخرین مشخصه اتوکاتالیزور نامیده می‌شود و نوعی حلقه بازخورد مثبت ایجاد می‌کند، که در آن یک مزیت اولیه کوچک می‌تواند باعث شود یکی از انواع با سرعتی سریع‌تر جمع شود تا زمانی که بر واکنش غالب شود. این چارچوب اساس تحقیقات هنری کاگان را تشکیل داد. با شروع در اوایل دهه 1980، او بر روی پالایش واکنش های نامتقارن از طریق مطالعه دقیق کاتالیزور متمرکز شد. در آن زمان، دانشمندان معمولا از کاتالیزورهای متشکل از یک اتم فلز که به عنوان نیروی محرکه واکنش عمل می کرد و یک ماده کایرال که نامتقارن بودن فرآیند را تضمین می کرد، استفاده می کردند.

آنها فرض کردند که اگر از مخلوطی استفاده کنند که حاوی مقادیر مساوی از دو نسخه آن مولکول کایرال باشد، نتیجه نیز یک مخلوط متعادل خواهد بود. کاگان شروع به زیر سوال بردن این ایده کرد. او متوجه شد که اتم فلز به احتمال زیاد تنها با یک انانتیومر و همزمان با هر دو برهمکنش نمی‌کند. این بدان معنی است که با مخلوط کردن نسخه های A و B، سه ترکیب مختلف می تواند تشکیل شود: A-A، B-B و B-A. دو مورد اول مولکول هایی تولید می کنند که تصاویر آینه ای از یکدیگر بودند.

اما ترکیب A-B می تواند در طول واکنش رفتار متفاوتی داشته باشد. دانشمند کشف کرد که ترکیب A-B می تواند واکنش را کند کند و به طور غیرمستقیم به شکل گیری یکی از دو نسخه مولکول نهایی کمک کند. این پدیده "اثر غیرخطی" نامیده شد و نشان دهنده راه جدیدی برای دستکاری واکنش های شیمیایی است. خوزه ماریا آندرس گارسیا، پروفسور دپارتمان شیمی آلی در این دانشگاه توضیح داد: «علاوه بر علاقه عملی، اثرات غیرخطی ابزار بسیار ارزشمندی برای مطالعه مکانیسم‌های واکنش و ماهیت گونه‌های فعال کاتالیزوری هستند.

دانشگاه وایادولید، در بیانیه ای که توسط SMC اسپانیا گزارش شده است. با الهام از یافته های کاگان، کنسو سوآی به دنبال ایجاد واکنشی بود که در آن خود محصول به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند و به تولید مولکول های بیشتر مشابه خود کمک می کند - یکی از آن شرایط نظری برای هموکایرالیته. او آزمایشی با ماده ای به نام 5-pyrimidylalkanol انجام داد. در ابتدای آزمایش، یک نسخه فقط 2 درصد فراوانتر از نسخه دیگر مولکول بود.

در پایان واکنش، این مزیت به 87 درصد افزایش یافت. در سال‌های بعد، سوآی برای دستیابی به واکنش‌هایی کار کرد که منجر به خلوص تقریبا مطلق یک انانتیومر شد و حالت مولکولی را در موجودات زنده تکرار کرد. سرانجام، در سال 2003، او واکنشی را مهندسی کرد که در آن مواد اولیه جهت گیری مشخصی نداشتند، اما در حین واکنش، مقدار کمی بیشتر از یک انانتیومر به طور تصادفی ظاهر شد. آن تفاوت کوچک سپس مولکول های بیشتری از همان نوع را تولید کرد.

به تدریج، این شکل بر واکنش غالب شد و تا 99.99 درصد محصول نهایی را به خود اختصاص داد. به عبارت دیگر، واکنش تنها یکی از دو انانتیومر ممکن را تشکیل داد. همانطور که کمیته نوبل اعلام کرد، "به غیر از خود زندگی، هیچ کس قبلا به این موفقیت دست نیافته بود." این داستان در اصل در WIRED en Español ظاهر شد و از اسپانیایی ترجمه شده است.