Нобелевская премия по химии присуждается реакциям, подобным тем, которые дали начало жизни.

Жизнь удивительно избирательна. Жизнь зависит от множества молекул, обладающих так называемой «хиральностью» — они химически идентичны, но являются зеркальными отражениями друг друга. В большинстве химических реакций образуется смесь лево- и правосторонних форм химического вещества в соотношении 50/50, но жизнь использует только одну из них. Фактически, из-за различий между лево- и правосторонними химическими веществами большинство ключевых ферментов, используемых организмами, перестанут работать, если им будут предложены вещества с неправильной хиральностью.

Это создает определенные трудности для исследований происхождения жизни, поскольку мы вынуждены объяснять, как мир, который, возможно, начался с равного соотношения лево- и правосторонних химических элементов, породил организмы, использующие только один из них.

Сегодняшняя Нобелевская премия по химии присуждается двум ученым, Анри Кагану и Кенсо Соаи, которые обнаружили, что химические реакции могут быть смещены, приводя к образованию больших избытков одной из двух форм химического вещества.

Хиральность и жизнь

Технический термин для обозначения молекулярной хиральности — «хиральность», и учёные заменяют «правая» и «левая» на «декстро» (D) и «лево» (L). Но основные идеи остаются теми же. Ваши руки имеют все те же компоненты — пальцы и большие пальцы — организованные одинаковым образом. Однако, если вы направите большой палец вверх, пальцы согнутся в противоположных направлениях, делая один из них зеркальным отражением другого. В зависимости от расположения химических связей многие молекулы могут образовывать подобные зеркальные формы, при этом все одни и те же части немного по-разному ориентированы в пространстве.

(Для более продвинутых читателей: атомы углерода имеют четыре потенциальных места, где могут образовываться связи, равномерно распределенные по поверхности атомной сферы. Если каждое из этих мест связано с различным химическим соединением, то замена химических соединений, расположенных в любых двух из них, потенциально может изменить способ их расположения в трехмерном пространстве.)

Это может иметь решающее значение, когда речь идёт об ферментах, которые обычно прикрепляются к химическим веществам, используя участки связывания, сформированные в процессе эволюции таким образом, чтобы подходить только к этому химическому веществу и его близким родственникам. Попробуйте дать ферменту зеркально отраженную версию того же химического вещества, и он часто не сможет прикрепиться к участку связывания. Поскольку живые организмы используют только D-форму сахаров, все их ферменты оптимизированы для прикрепления именно к ней, и многие из них вообще не могут взаимодействовать с L-формой.

Это могло произойти двумя способами. Во-первых, жизнь могла быть не столь привередливой в отношении катализируемых реакций и постепенно развивать предпочтения к хиральности. Во-вторых, жизнь могла эволюционировать в среде, где доминировала одна хиральная форма. Или же имело место сочетание этих двух факторов. Но любой из последних случаев лишь немного отодвигает вопрос назад: как химия могла создать среду, где доминирует одна хиральная форма?

От теории к практике

За прошедшие годы было выдвинуто множество идей о том, как это может происходить. Некоторые из них восходят к работам физика Фредерика Чарльза Франка, который рассмотрел этот вопрос в статье, не содержащей данных и ориентированной на теорию. (Из текста Нобелевского комитета ясно, что, если бы Франк был жив, он мог бы разделить эту награду.) Один из вариантов заключается в том, что катализатор, обладающий лишь незначительной склонностью к образованию молекул D или L, со временем может производить большой избыток этой формы. Другой вариант состоит в том, что хиральный продукт реакции сам по себе может служить катализатором для образования большего количества той же формы. Или же хиральный продукт реакции может ингибировать образование своей зеркальной формы.

Многие химические реакции достигают равновесия, находя точку, в которой прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью. Если обратная реакция не зависит от хиральности, а прямая находится под влиянием одного из вышеперечисленных факторов, то со временем это приведет к образованию большого избытка одной из хиральных форм.

Однако все это были лишь гипотетические предположения, пока исследователи, удостоенные награды, не приступили к работе. Анри Каган из Университета Париж-Юг также подходил к своей работе весьма теоретически, описывая факторы, необходимые для протекания реакций, благоприятствующих одной хиральности. Но в ряде случаев ему удалось обнаружить реальные химические реакции, которые продемонстрировали, что его идеи имеют значение в реальном мире.

Каган работал с катализатором, который сам по себе был хиральным. Он обнаружил, что в смеси L- и D-версий его катализатора одна из форм была гораздо активнее другой. Хотя формы могли присутствовать в одинаковом количестве, большая часть фактического катализа осуществлялась только одной из них. И если она использовалась для катализа реакции, в результате которой образовывался хиральный продукт, это различие могло привести к гораздо более высоким уровням одной и той же хиральности.

К середине 1960-х годов Каган обнаружил три различных реакции, которые могли привести к образованию избытка одной хиральной формы. Другие исследователи, развившие его идеи, показали, что хиральные катализаторы также могут быть избирательно активированы или ингибированы добавлением нехиральных химических веществ, что позволило добиться более точного контроля, который нашел применение в производстве фармацевтических препаратов.

Самокатализ

Примерно десять лет спустя Кензо Соай из Токийского университета науки работал над реакциями, в которых один из продуктов реакции действовал как катализатор, ускоряя ту же реакцию. В конце концов, он обнаружил реакцию, которая отбирала молекулы с определенной хиральностью; одна форма продукта реакции катализировала образование большего количества молекул той же хиральности. Он начал реакцию с небольшим избытком одной формы катализатора и обнаружил, что после одного цикла реакций избыток катализатора увеличился до 55 процентов. Использование этого катализатора для нового цикла реакций еще больше увеличивало избыток; после нескольких циклов 90 процентов продуктов имели единственную хиральность.

В конце концов, Соай обнаружил условия, при которых один продукт не только катализировал образование большего количества той же формы, но и подавлял образование противоположной хиральности. Это позволило ему начать с небольшого избытка одной хиральной формы (на 0,00005 процента больше) и после нескольких циклов реакций довести избыток до более чем 99 процентов.

Позже другие исследователи обнаружили условия, при которых аналогичная реакция, достигающая равновесия прямой и обратной реакций, постепенно приводила к доминированию одной хиральной формы.

В этой работе есть три аспекта, заслуживающие внимания. Во-первых, это просто великолепная наука; люди проанализировали, как может возникнуть избыток одной хиральной формы, а затем другие нашли способы продемонстрировать, что это явление наблюдается в реальном мире. Во-вторых, она имеет огромное практическое применение. Многие наши лекарства работают благодаря взаимодействию с белками, где хиральность часто имеет значение. И существует множество примеров лекарств, где неправильная хиральная форма может быть неактивной или даже вредной. Поэтому поиск новых способов катализа образования специфических хиральных форм имеет большое значение.

Но в заключение мы возвращаемся к вопросу о происхождении жизни. Ни одна из этих реакций не была продемонстрирована на примере чего-либо, тесно связанного с биомолекулами, поэтому не очевидно, что данная работа напрямую связана с происхождением жизни. Однако она показывает, что небольшие избытки некоторых хиральных форм — меньшие, чем 90 процентов, наблюдаемые в этой работе, но все же значительные — могут быть распространены в природе.

В настоящее время считается, что эти небольшие различия не были решающими, но помогли продвинуть зарождение жизни по пути, который в конечном итоге привёл к той уникальной химии, которую мы наблюдаем сейчас.