Разгадана тайна химической асимметрии жизни

История открытия

Эксперимент Пастера позволил химикам понять, что некоторые вещества встречаются в двух зеркальных вариантах. Эти вещества стали называть хиральными, а две молекулы, являющиеся зеркальным отображением друг друга, — энантиомерами.

Следующее важное наблюдение Пастер сделал в 1857 году, когда исследовал, что происходит, когда бактерии ферментируют различные энантиомеры винной кислоты. Оказалось, что бактерии охотно ферментировали энантиомер, который содержится в винограде и который искривляет свет вправо. Однако молекулой зеркального отражения бактерии не заинтересовались, она осталась нетронутой. Таким образом, идея, что химия жизни каким-то образом хиральна, впервые увидела свет.

Осознание того, что молекулы живых организмов содержат только один из двух возможных энантиомеров, привело к следующему вопросу: что же произошло на заре зарождения жизни, из-за чего химия живых организмов стала хиральной? Когда химики экспериментировали с реакциями, в результате которых образовывались хиральные молекулы, в пробирках у них всегда получалась равномерная смесь обоих энантиомеров. Так почему же живые организмы используют только один из зеркальных изомеров аминокислот? Как вообще могла возникнуть гомохиральность?

Некоторые химики утверждали, что хиральная химия присуща только живым организмам. Однако в начале XX века немецкий химик Вилли Марквальд провел первую успешную асимметричную реакцию. Это означает, что одного энантиомера образовалось больше, чем другого.

Следующее важное звено в цепочке идей, завершившейся присуждением Нобелевской премии по химии 2026 года, было создано в 1953-м, когда односторонняя хиральность жизни получила математическое объяснение.

Анри Каган, работавший в Университете Париж-юг, был одним из многих химиков, которые в начале 1980-х занимались получением энантиомеров максимально высокой степени чистоты. Важность достижения этой цели стала очевидной после скандала, случившегося в начале 1960-х годов, когда тысячи детей пострадали от врожденных дефектов, вызванных тем, что их матери во время беременности принимали седативный препарат талидомид. Исследователи пришли к выводу, что вред был нанесен зеркальным отражением активного вещества.

В частности, Каган нашел способ увеличить долю одного из энантиомеров в продукте. В 1986 году он описал не менее трех различных асимметричных реакций, демонстрирующих то, что химики называют нелинейными эффектами. Это был исторический прорыв, и многие химики начали изучать это новое явление. Одним из них был Кэнсо Соаи из Токийского научного университета, и его работа стала последним звеном в цепочке идей, начатой Пастером. Кэнсо Соаи исследовал асимметричную химическую реакцию с ярко выраженным нелинейным эффектом. Изучив структуру катализатора реакции и образующегося продукта, он обнаружил, что они имеют значительное сходство. Это натолкнуло его на мысль, что, возможно, ему удастся создать реакцию, в которой катализатор будет образовываться в ходе автокаталитического процесса.

И в 2003 году ему наконец удалось такую реакцию провести. Реакция Соаи — искусственная и не имеет ничего общего с биохимическими процессами, происходящими в живых организмах, но она пробудила у химиков новый интерес: они хотят понять, как зародилась жизнь. Сейчас исследователи по всему миру пытаются повторить достижение Соаи с целью получения гомохиральных аминокислот и сахаров.

Как рассказал «Стимулу» Даниил Жуковский, кандидат химических наук, руководитель исследовательского центра компании «Братскхимсинтез», входящей в состав компании — национального чемпиона «Фармасинтез», «мы являемся одной из крупнейших в России компаний, занимающихся фармацевтическим синтезом. Очень большое количество, если не половина молекул, которые являются лекарствами, — хиральны. То есть при их синтезе нужно получить правую или левую молекулу. И здесь проявляется очень большая сложность: до недавнего времени, до открытия нобелевских лауреатов, мы не могли их получить в чистом виде. Предложенная ими концепция позволяет ожидать — и, в принципе, уже такие концепты есть, появления реакции, в ходе которой можно будет сразу получать чистый продукт».