Źródło: Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

– To odkrycie zmieniło nasz sposób myślenia, także o tym, jak powstawało życie – komentuje prof. dr hab. Sławomir Sęk z Zakładu Chemii Nieorganicznej i Analitycznej, Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. I niewątpliwie dowodzi ono, że w naturze nie ma sprawiedliwości. – Trochę przypomina sytuację, w której dwie drużyny wychodzą na boisko piłkarskie i po 90. minucie meczu okazuje się, że zostają zawodnicy tylko w jednym kolorze koszulek. To oczywiście jest bardzo duże uproszczenie, ale też pokazuje, że preferencje, jakie ma natura, jeśli chodzi o syntezę cząsteczek, nie są przypadkowe. To, co się zadziało u zarania życia na naszym globie, nie było kwestią czystego przypadku, tylko procesów, które przebiegają w kontrolowany sposób – dodaje naukowiec.

W historii odkrycia nagrodzonego Noblem występują: chiralność, lustrzane odbicie, enancjomery, leki, wino, zagadka i – oczywiście – reakcje chemiczne. – Chiralność to cecha cząsteczek związana z ich strukturą, która stanowi pewnego rodzaju rozdwojenie jaźni. Mianowicie każda cząsteczka może być zbudowana z takich samych atomów, ale w sprzyjających warunkach te atomy mogą być rozłożone w przestrzeni w taki sposób, że są do siebie podobne na takiej zasadzie jak nasza lewa i prawa dłoń. Mówiąc krótko, do rękawiczki na lewą dłoń, nie włożymy dłoni prawej. I to ma dosyć poważne konsekwencje. Cząsteczek chiralnych w naturze jest bardzo dużo i są one niesłuchanie ważne w układach biologicznych, układach żywych. Tegoroczni laureaci zauważyli ciekawą właściwość tych cząsteczek polegającą na tym, że jeżeli mamy mieszaninę tych lewo- i prawoskrętnych [skręcających światło w lewo i prawo – przyp. red.], nawet przy dosyć podobnych proporcjach, to w wyniku dalszej syntezy kolejnych cząsteczek jedna z nich stymuluje powstawanie sobie podobnych kopii. Pojawia się efekt kaskadowy, który kończy się tym, że cząsteczki o jednej skrętności powstają w nadmiarze w stosunku do drugiej. I to jest kluczowy mechanizm, gdy popatrzymy na prehistorię powstawania życia na Ziemi. Białka w naszych organizmach, czy w ogóle w żywych organizmach, głównie składają się z aminokwasów lewoskrętnych. Z kolei cukry preferują prawoskrętność. Pokazanie jednak mechanizmu tej reakcji, dowiedzenie, że jest sposób napędzania się autokatalizy, która jest w tytule osiągnięcia, wskazało, że to mogła być przyczyna, dlaczego nasze organizmy tak wyglądają – wyjaśnia naukowiec.

Niektóre cząsteczki, takie jak aminokwasy, występują w dwóch wariantach, które są wzajemnym lustrzanym odbiciem. Organizmy żywe zawierają jednak tylko jedno z tych lustrzanych odbić. To, w jaki sposób mogła powstać taka asymetria chemiczna, przez długi czas pozostawało niewiadomą. Henri B. Kagan i Kenso Soai dostali Nobla za odpowiedź na to pytanie. Czas na enancjomery, wino, leki i zagadkę. Po kolei.

Akcja. Reakcja. Praktyka

Niektóre reakcje chemiczne tworzą dwie różne cząsteczki, z których każda jest lustrzanym odbiciem drugiej. Przez dziesięciolecia naukowcy wiedzieli, że teoretycznie możliwe jest zaprojektowanie reakcji, w których powstanie tylko jedno z tych odbić, ale sposób, w jaki można to zrobić w praktyce, pozostawał zagadką. Henri B. Kagan i Kenso Soai przedstawili rozwiązanie. Kagan odkrył nowy sposób manipulowania reakcjami chemicznymi pozwalający na uzyskanie większego nadmiaru jednego z lustrzanych odbić. Soai zaprojektował pierwszą reakcję chemiczną, w której powstało tylko jedno z potencjalnych odbić lustrzanych. Nikt nigdy tego wcześniej nie dokonał, poza samym życiem. Zdarzyło się to po raz pierwszy od czasu procesów, które doprowadziły do powstania życia miliardy lat temu. – Wiemy jak jesteśmy zbudowani. Wiadomo od bardzo dawna, jak zbudowane są makrocząsteczki, które mają w naszych organizmach kluczowe znaczenie – białka, kwasy nukleinowe. Natomiast to, czego nie wiemy, to jak do tego doszło, że tylko jeden rodzaj „klocków” został użyty przez naturę do zbudowania tych makrocząsteczek. Jesteśmy w zasadzie jednoręczni, bo składamy się tylko z jednego rodzaju cegiełek. Wydaje się, że wyróżniona teoria może wyjaśniać, dlaczego do tego doszło. Ta Nagroda Nobla dotyka tego, jak powstało życie, dlaczego jesteśmy zbudowani tylko z jednego rodzaju cząsteczek – mówi prof. Jacek Jemielity z Centrum Nowych Technologii (CeNT) Uniwersytetu Warszawskiego.

Kwas winowy ujawnia lustrzane odbicia

Reakcja Soai jest jednym z najbardziej spektakularnych eksperymentów chemicznych, jakie kiedykolwiek przeprowadzono, ale Nagroda Nobla w dziedzinie chemii 2026 jest wynikiem długiego łańcucha idei, którego pierwsze ogniwo powstało w połowie XIX w. Zaczęło się od tego, że Louis Pasteur badał substancję ważną dla produkcji wina – kwas winowy. Pasteur obserwował większość tego, co chciał zbadać, przez mikroskop. Kiedy jego współpracownicy stwierdzili, że kwas winowy czasami wygina spolaryzowane światło w prawo, a innym razem w ogóle na nie nie wpływa, wzbudziło to jego zainteresowanie. Wyhodował kryształy kwasu winowego i zbadał je pod mikroskopem – odkrył, że występują w dwóch wariantach, każdy jest lustrzanym odbiciem drugiego. Rozdzielił je i rozpuścił. Kiedy przepuszczał spolaryzowane światło przez roztwory, jeden z nich załamywał światło w prawo, a drugi w lewo. Eksperyment ten pozwolił chemikom zrozumieć, że niektóre substancje występują w dwóch lustrzanych wariantach. Z czasem zaczęto nazywać je chiralnymi, a dwie cząsteczki, będące swoimi lustrzanymi odbiciami – enancjomerami.

Co to jest chiralność? Cząsteczki występujące w postaci dwóch nieidentycznych, lustrzanych odbić nazywane są cząsteczkami chiralnymi. Te lustrzane odbicia określa się mianem enancjomerów i dzieli na prawoskrętne oraz lewoskrętne. Jeśli grupa cząsteczek – np. aminokwasów – składa się wyłącznie z enancjomerów prawoskrętnych lub wyłącznie lewoskrętnych, zjawisko to nazywamy homochiralnością. Przykładem jest aminokwas – alanina. Struktura lewoskrętna jest naturalna i występuje w naszym organizmie. Źródło: Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

„Jednoręczność” życia zaskakuje badaczy

Pasteur dokonał kolejnej ważnej obserwacji w 1857 r., badając, co dzieje się, gdy bakterie fermentują różne enancjomery kwasu winowego. Okazało się, że chętnie fermentują ten, który załamuje światło w prawo. Nie były zainteresowane cząsteczką będącą odbiciem lustrzanym. Idea, że ​​chemia życia jest w jakiś sposób chiralna, ujrzała światło dzienne. Później, gdy naukowcy zaczęli badać elementy budulcowe organizmów, odkryli, że występujące w naturze aminokwasy zawsze skręcają światło spolaryzowane w lewo, podczas gdy cukry wchodzące w skład helisy DNA działają odwrotnie – skręcają światło w prawo.

Odkrycie, że cząsteczki życia zawierają tylko jeden z dwóch możliwych enancjomerów, doprowadziło do kolejnego pytania – co wydarzyło się u zarania życia, że ​​chemia życia stała się „jednoręczna”? – Nie wiemy, jak powstała ta decyzja, jak została podjęta i dlaczego rozlała się na cały świat, a nie mamy np. dwóch półkul, w których dominuje jedna bądź druga skrętność. To osiągnięcie naukowców, to spojrzenie na to, że procesy wyboru skrętności – ten świat po drugiej stronie lustra – mogą się same napędzać i będą same decydowały o tym, że coraz więcej i więcej cząsteczek będzie przechodzić na jedną lub drugą stronę. To być może tłumaczy, w jaki sposób ta pierwsza decyzja, która powstała w pewnym punkcie kuli ziemskiej, rozpropagowała się na jej całość – na pytanie o powstanie życia i punkt, który spowodował, że przeważyła jedna ze skrętności, odpowiada dr hab. Wiktor Lewandowski, prof. UW.

Kiedy chemicy eksperymentowali z reakcjami, które tworzyły cząsteczki chiralne, zawsze uzyskiwali w probówkach równomierną mieszaninę obu enancjomerów. Dlaczego więc organizmy żywe wykorzystują tylko jedno odbicie lustrzane? Niektórzy chemicy twierdzili, że chemia chiralna jest unikalna dla życia, jednak na początku XX w. niemiecki chemik Willy Marckwald przeprowadził pierwszą udaną reakcję asymetryczną. Oznaczało to, że powstało więcej jednego enancjomeru niż drugiego. Kluczem było zastosowanie katalizatora – substancji, która napędza reakcje chemiczne, nie ulegając zużyciu. W tej reakcji katalizator był chiralny, co oznaczało, że przyspieszył powstawanie jednego odbicia lustrzanego, a nie drugiego. Różnica była niewielka, ale samo jego istnienie stanowiło przełom.

Kagan myśli nieszablonowo

Kagan, który pracował na Uniwersytecie Paris-Sud, był jednym z chemików próbujących udoskonalić reakcje asymetryczne na początku lat 80. XX w. Celem było wytworzenie enancjomerów o jak największej czystości, np. w produkcji farmaceutycznej. Znaczenie tego celu pokazał skandal talidomidowy na początku lat 60. XX w., kiedy tysiące dzieci zostało dotkniętych wadami wrodzonymi spowodowanymi przez środek uspokajający –  talidomid. Kiedy naukowcy przeanalizowali, co się wydarzyło, zdali sobie sprawę, że to lustrzane odbicie substancji czynnej spowodowało szkodę. – Leki muszą być dopasowane skrętnością do tego, by działać na nasz organizm odpowiednio. Ibuprofen, który każdy z nas ma go w swojej apteczce, może występować jako swoje odbicie lustrzane. Jedna z tych molekuł działa przeciwzapalnie i przeciwbólowo, a druga jest zupełnie obojętna dla naszego organizmu. Dlatego podczas produkowania i opracowywania nowych leków, musimy dbać o to, aby wiedzieć, która z tych skrętności powstaje i jak jedna i druga działa na nasz organizm – tłumaczy prof. Lewandowski.

Aby wywołać reakcje asymetryczne, naukowcy często stosowali katalizatory składające się z dwóch składników – atomu metalu, który pełnił funkcję silnika reakcji, oraz substancji chiralnej, która zapewniała jej asymetrię. Badacze założyli, że jeśli połączą dwa lustrzane enancjomery w katalizatorze, produkt będzie miał równoważne proporcje. Innymi słowy, uważali, że chiralność katalizatora jest przenoszona na chiralność produktu i istnieje między nimi liniowa zależność. Kagan zaczął kwestionować to założenie. Poświęcił czas na szczegółowe przemyślenie samego katalizatora. Nikt tak naprawdę nie wiedział, jak on działa – podczas reakcji chemicznej atom metalu i cząsteczka chiralna najwyraźniej oddziaływały na siebie, ale pytanie brzmiało, jak to się stało?

Enancjomery leków chiralnych wykazują odmienne działanie. Oto przykład, w którym lewoskrętna substancja jest lekiem na kaszel, a jej lustrzane odbicie to substancja przeciwbólowa. Warto zauważyć, że nazwy tych leków także są swoimi lustrzanymi odbiciami, ale to już w zasadzie wskaźnik poczucia humoru chemików organicznych. Źródło: Nobel Prize Outreach

Kaganowi udaje się poprawić asymetrię

Gdy testował przeprowadzenie reakcji z różnymi kombinacjami enancjomerów w katalizatorze, zależność od proporcji w produkcie nie była liniowa, jak zakładali inni chemicy. Ostatecznie znalazł metodę intensyfikacji tworzenia jednego z enancjomerów w produkcie. W 1986 r. opisał trzy różne reakcje asymetryczne, które wykazywały to, co chemicy nazywają efektami nieliniowymi. Był to historyczny przełom i wielu chemików zaczęło badać nowe zjawisko. Jednym z nich był Kenso Soai z Uniwersytetu Naukowego w Tokio.

Metoda prób i błędów przynosi rezultaty

Kenso Soai badał asymetryczną reakcję chemiczną, która miała istotny efekt nieliniowy. Kiedy dokładnie przyjrzał się strukturom katalizatora reakcji i powstałego produktu, zdał sobie sprawę, że wykazują one istotne podobieństwa. To zainspirowało go do pomysłu – może mógłby zaprojektować reakcję, w której katalizator formowałby się sam w procesie autokatalitycznym? W tamtym czasie – na początku lat 90. XX w. – znanych było kilka przykładów reakcji autokatalitycznych, ale żadna nie była asymetryczna. Eksperymentując z wieloma różnymi cząsteczkami, Soai zdołał znaleźć substancję chiralną, która mogła stworzyć się sama. W publikacji z 1995 r. opisał ten rewolucyjny eksperyment.

„Elegancka” reakcja Soai rozwiązuje zagadkę

Przez kolejne osiem lat Soai kontynuował poszukiwania najlepszego procesu autokatalitycznego. W 2003 r. udało mu się w końcu przedstawić reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje nadmiar enancjomeru, który następnie tworzy kopie samego siebie. Był to pierwszy przypadek od zarania życia, kiedy komuś udało się uzyskać chiralność z niechiralnej kombinacji cząsteczek. Reakcja Soai uważana jest za jeden z najbardziej „eleganckich” eksperymentów chemicznych, jakie kiedykolwiek przeprowadzono.

Chemicy zyskali nowe, precyzyjne narzędzia

Reakcja Soai rozbudziła entuzjazm wśród chemików, którzy chcą zrozumieć pochodzenie życia. Efekty odkryte przez Kagana stały się ważnym narzędziem dla projektujących nowe reakcje. Można je wykorzystać do optymalizacji reakcji, aby uzyskać możliwie najczystsze enancjomery produktu. Jest to kluczowe dla każdej firmy produkującej substancje przeznaczone do interakcji z organizmami żywymi, takie jak farmaceutyki, aromaty, substancje zapachowe czy środki chemiczne stosowane w rolnictwie.

Dzięki odkryciom, które są obecnie nagradzane Nagrodą Nobla, chemicy zyskali nowe, fundamentalne narzędzia do codziennej pracy, ale przede wszystkim odkrycia te przyczyniły się do rozwiązania jednej z największych zagadek chemii – w jaki sposób może powstać chiralność taka jak ta, która występuje u wszystkich istot żywych. – To nie pierwsza nagroda za aspekty związane z chiralnością. Tym razem może jednak dotykać tego, jak powstało życie na Ziemi w formie, w której je w tej chwili mamy. Nasz organizm składa się z wielu, wielu chiralnych cząsteczek. To jest zaskakujące, jak to się stało, że struktura „klocków”, z których zbudowane są makrocząsteczki odpowiedzialne za funkcje naszego organizmu, również materiał genetyczny, dlaczego te „klocki” zawsze są takie same, czyli powodują skręcanie płaszczyzny światła spolaryzowanego zawsze w ten sam sposób. Osiągnięcia badaczy, którzy pokazują, że struktura związku, od którego zaczyna się synteza, ma wpływ na kolejny etap syntezy, może służyć wyjaśnieniu takich zjawisk – uważa prof. Jacek Jemielity.

Synteza różnego rodzaju związków chiralnych odnosi się do różnego rodzaju leków. Wiadomo, że leki mogą dramatycznie różnie oddziaływać z naszym organizmem – jedne mogą być znakomitym lekarstwem, a inne wręcz przeciwnie – substancją toksyczną. W zależności od tego, którą „ręką” jest lek (prawą czy lewą), nawiązując do rękawiczek, które wymienialiśmy na początku tekstu, może działać dobrze albo wręcz przeciwnie. – Oczywiście, związki, którymi się zajmuję, są cząsteczkami chiralnymi. My też często, starając się poprawić naturę, staramy się wygenerować tylko jeden z możliwych stereoizomerów [związków chemicznych, który ma identyczny skład atomów i wiązań jak inny związek, ale różni się od niego ułożeniem tych atomów w przestrzeni; enancjomery są stereoizomerami – przyp. red.]. Tak było m.in. w jednym z naszych najgłośniejszych odkryć, które jest obecnie stosowane w badaniach klinicznych nad szczepionkami przeciwnowotworowymi. Tam były dwa stereoizomery. Obydwa działały, ale tylko jeden mógł zostać użyty w badaniu u ludzi. Udało nam się to rozdzielić – relacjonuje prof. Jemielity. 

–  Myślę, że to odkrycie jest dosyć głębokim ukłonem w stronę badań podstawowych, ale nie można odmówić mu potencjału, jeśli chodzi o zastosowania. Te najbardziej oczywiste, to synteza leków. Bo leki, które przyjmujemy, bardzo często – nie mamy tej świadomości – to są właśnie cząsteczki chiralne. I okazuje się, że cząsteczka o jednej chiralności jest aktywna i nam pomaga, a druga albo nie jest aktywna i nie pomaga, albo wręcz może zaszkodzić – podsumowuje prof. Sęk.

Serwis Naukowy UW