Французский учёный Анри Б. Каган и японец Кенсо Соаи были удостоены Нобелевской премии по химии за предложение решения химической тайны асимметрии жизни.

Учёные обнаружили, что природа создаёт только правильную версию молекулы, а не её зеркальное отражение. Подобно рукам, аминокислоты существуют как два зеркальных варианта, но только одна из них находится в клетках организма.

Исследователи давно задаются вопросом, как разворачивается этот процесс, и, по мнению жюри, открытия двух учёных «позволили химикам запускать химические реакции, которые приводят к Это значительное открытие для развития фармацевтических препаратов. 

Их награда вручается после премии по физике и до самой ожидаемой премии — премии мира, которая должна быть вручена в пятницу.

Нобелевская премия по химии отмечает прорыв в синтезе хиральных молекул

Открытие естественного отбора энантиомеров и методов искусственного синтеза предотвращает трагедии, что принесло Нобелевскую премию

Аминокислоты, из которых состоят белки, имеют те же атомы и схемы связи, но существуют в двух зеркально-симметричных структурах, таких как правая и левая руки. Однако в природе существует только одна из этих форм. В этом году Нобелевская премия по химии была вручена французским и японским учёным, которые обнаружили, как возникает эта химическая асимметрия, и разработали методы её искусственного синтеза. Исследования зеркально-симметричных структур уже принесли две Нобелевские премии по химии. Почему левая и правая руки так важны в химии?

◇Близнецы с ангельской и демонической двойственностью

Представьте себе пару однояйцевых близнецов. Один — ангел, другой — демон. В природе существуют вещества, идентичные по форме, но одна форма действует как лекарство, а другая становится ядом. Это оптические изомеры. Они обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, но при освещении поляризованным светом, движущимся в одном направлении, направление вращения света после прохождения через вещество отличается, отсюда и название.

Оптические изомеры также известны как «хиральные» вещества. Термин «хирал» происходит от греческого слова «cheir», означающего «рука». Среди оптических изомеров те, что имеют зеркально-симметричную структуру, такие как аминокислоты, называются энантиомерами. Точно так же, как правая и левая руки имеют одинаковую трёхмерную структуру, но левая перчатка не может поместиться правой руке, энантиомеры структурно зеркальные отражения, но не могут пересекаться.

 

Энантиомеры аминокислот с симметричной структурой, как левая и правая рука, отраженные в зеркале. D-форма, не встречающаяся в природе, привлекает внимание как сырьё для новых лекарств. /Wikimedia Commons

Белки, составляющие наш организм, состоят исключительно из аминокислот с одной энантиомерной формой. Среди 20 аминокислот, составляющих белки, все, кроме глицина, относятся к L-типу, где аминогруппа (-NH₂) расположена слева. Термин «L-type» происходит от латинского префикса «levo», означающего «левый». Если аминогруппа находится справа, это D-тип, происходит от латинского «dextro», означающего «право». Глицин не различает L- и D-типы.

Причина, по которой естественные вещества существуют только в виде одного оптического изомера, связана с ферментами. Ферменты, которые катализируют биологические реакции, принимают только один энантиомер. Однако при искусственном синтезе аминокислот путем имитации естественных структур, в отличие от природы, половина из них становится L-типом, а другая половина — D-типа.

В таких случаях только один энантиомер проявляет желаемую функцию, а другая половина часто не выполняет функции. В тяжёлых случаях один энантиомер выполняет желаемую функцию, а другой — полностью противоположную. Например, в случае глутаминовой кислоты, аминокислоты, L-тип придаёт насыщенный вкус, тогда как D-тип — кислый.

Иногда разница заключается не только во вкусе, но и может превратить лекарство в яд. Талидомид широко назначался в конце 1950-х годов как седативное и гипнотикое, чтобы облегчить утреннюю тошноту и бессонницу у беременных женщин. Тысячи детей с врождёнными дефектами родились в Европе и Канаде благодаря этому препарату.

Позже было установлено, что D-форма препарата обладает терапевтическим эффектом, а L-форма вызывает серьёзные побочные эффекты. На момент выпуска препарат производился без различия между L- и D-формами, что приводило к серьёзным побочным эффектам. Выбор только одного энантиомера стал вопросом жизни и смерти.

 

Бенджамин Лист (слева) и Дэвид Макмиллан, который получил Нобелевскую премию по химии в 2021 году за разработку органического катализатора, синтезирующего только один энантиомер. /Предоставлено каждым учреждением

◇Оптические изомеры, принесшие две Нобелевские премии

Хотя аминокислоты типа D крайне редки в природе, они существуют как компоненты бактериальных клеточных стенок и антибиотиков. Можно предположить, что они были выбраны вместо более распространённого L-типа в природе по какой-то особой функции.

Действительно, было установлено, что различные функции аминокислот, включая вкус и лечебные свойства, проявляются только у редких D-типа. Используя хиральную технологию для превращения натуральных аминокислот типа L в тип D, было разработано и использовано более 3000 производных аминокислот типа D в фармацевтике, пищевой промышленности, косметике, пестицидах и промышленных химикатах.

 

Двойные вещества с симметричной структурой, как зеркальное отражение, могут быть лекарством с одной стороны и ядом с другой. Нобелевская премия по химии 2026 года вручается учёным, разработавшим метод выбора только желаемого энантиомера. /Йохан Ярнестад, Шведская академия наук

Как можно выборочно получить только один оптический изомер? Нобелевская премия по химии 2001 года была присуждена трём учёным, которые решили эту проблему. Американский учёный доктор Уильям Ноулз, работая в Monsanto в 1968 году, успешно вставил два атома водорода между двумя углеродными связями с помощью катализатора, ускоряющего химические реакции. Введение водорода вызывало скручивание вещества в одном направлении.

Другой лауреат, профессор Рёдзи Нойори из Университета Нагои в Японии и доктор Барри Шарплесс из Института исследований Скриппса в США, разработали новые катализаторы, которые вводят водород и кислород соответственно между углеродными связями для получения одного энантиомера.

В 2021 году учёные, разработавшие методы селективного синтеза одного энантиомера, также получили Нобелевскую премию по химии. Это были профессор Бенджамин Лист из Кёльнского университета в Германии и профессор Дэвид Макмиллан из Принстонского университета в США, которые разработали асимметричные органические катализаторы.

До тех пор катализаторы, способствующие химическим реакциям, в основном использовали металлы или ферменты (белки). Вместо этого оба учёных разработали катализаторы, использующие небольшие органические молекулы, состоящие из неметаллических элементов, таких как углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор, для ускорения химических реакций.

Органические катализаторы, которые они разработали, экологичны, экономичны и демонстрируют отличную селективность при точном производстве только желаемого энантиомера. Это значительно повысило эффективность разработки новых лекарств и снизило производственные затраты. Синтезируя только необходимые вещества для лекарств, они также минимизировали загрязнение окружающей среды, заслужив признание за начало эры зелёной химии.