Ķīmijas Nobela prēmiju piešķir par reakcijām, kas varēja palīdzēt dzīvības izcelsmei

Dzīvība ir ārkārtīgi selektīva. Daudzas organismiem nepieciešamās molekulas pastāv divās ķīmiski identiskās, taču telpiski spoguļattēla formās. Tās var salīdzināt ar cilvēka labo un kreiso roku: visām sastāvdaļām ir vienāds izkārtojums, tomēr viena forma nav pilnībā savietojama ar otras formas spoguļattēlu.

Lielākā daļa ķīmisko reakciju sākotnēji rada aptuveni vienādu abu formu maisījumu. Savukārt dzīvība izmanto gandrīz tikai vienu no tām. Šī īpatnība rada būtisku jautājumu par dzīvības rašanos: kā no pasaules, kurā ķīmiskās vielas varēja veidoties vienādā kreisās un labās formas proporcijā, izveidojās organismi, kuru ķīmija konsekventi dod priekšroku tikai vienai formai?

Molekulu “labā” un “kreisā” puse

2026. gada Nobela prēmijas ķīmijā laureāti ir Anrī Kagans un Kenso Soai. Viņu darbi parādīja, ka ķīmiskās reakcijas iespējams novirzīt tā, lai tās radītu lielu viena no diviem molekulas spoguļattēliem pārsvaru.

Šo molekulu īpašību sauc par hiralitāti. Zinātniskajā terminoloģijā abas formas bieži apzīmē ar burtiem D jeb dekstro un L jeb levo. Molekulas ar vienādu atomu un saišu kopumu var atšķirties tikai ar to, kā šie atomi izvietoti trīsdimensiju telpā. Piemēram, oglekļa atomam ir četras iespējamās saišu vietas, kas izvietotas ap tā sfērisko virsmu. Ja katra no tām savienota ar atšķirīgu ķīmisko grupu, divu grupu apmaiņa var mainīt visas molekulas telpisko konfigurāciju.

Šī atšķirība ir īpaši nozīmīga enzīmiem. To saistīšanās vietas evolūcijas gaitā ir izveidojušās tā, lai precīzi atbilstu noteiktām molekulām un to tuviem radiniekiem. Spoguļattēla molekula bieži vien šajā vietā vairs neiederas. Tā kā dzīvība cukuru izmanto tikai D formā, organismu enzīmi ir pielāgoti tieši tai un daudzi no tiem nespēj mijiedarboties ar L formu.

Pastāv vairāki iespējamie skaidrojumi, kā šāda selektivitāte varēja rasties. Pirmie organismi, iespējams, sākumā nebija tik izvēlīgi un hiralitātes priekšroku attīstīja pakāpeniski. Iespējams arī, ka dzīvība radās vidē, kur jau dominēja viena molekulu forma, vai arī abi procesi norisinājās kopā. Tomēr pēdējie divi skaidrojumi tikai pārceļ jautājumu: kā ķīmijā radās vide, kurā viena hiralitāte kļuva pārsvarā?

No teorijas līdz izmērāmai reakciju priekšrocībai

Gadu gaitā tika izvirzītas vairākas hipotēzes. Daļa no tām saistīta ar fiziķi Frederiku Čārlzu Franku, kurš šo problēmu aplūkoja teorētiskā, uz datiem nebalstītā darbā. Nobela komitejas formulējums liecina, ka, ja Frenks vēl būtu dzīvs, viņš, iespējams, būtu dalījis šo apbalvojumu.

Viena iespēja ir tāda, ka katalizators ar pavisam nelielu priekšroku D vai L formas veidošanai laika gaitā varētu radīt lielu šīs formas pārsvaru. Citā scenārijā pati hirālā reakcijas produkta molekula darbotos kā katalizators un veicinātu vairāk tādas pašas formas molekulu rašanos. Vēl viena iespēja paredz, ka produkts kavētu pretējās formas veidošanos.

Daudzas ķīmiskās reakcijas sasniedz līdzsvaru, kurā tiešā un pretējā reakcija norisinās aptuveni vienādā ātrumā. Ja pretējā reakcija pret hiralitāti ir vienaldzīga, bet tiešo reakciju ietekmē kāds no minētajiem mehānismiem, laiks var ļaut vienai molekulu formai uzkrāties ievērojamā pārsvarā.

Šīs idejas ilgu laiku bija tikai hipotēzes. Par to eksperimentālu pārbaudi kļuva Anrī Kagana darbs Parīzes-Sudas universitātē. Arī viņš savu pētījumu sākotnēji veidoja ļoti teorētiski, aprakstot apstākļus, kas būtu nepieciešami reakcijām ar izteiktu priekšroku vienai hiralitātei. Tomēr vairākos gadījumos Kaganam izdevās atrast reālas ķīmiskās reakcijas, kas apliecināja šo mehānismu nozīmi.

Kagana hirālie katalizatori

Kagans pētīja katalizatoru, kas pats bija hirāls. Viņš konstatēja, ka L un D katalizatora formu maisījumā viena no tām ir daudz aktīvāka par otru. Pat ja abas formas maisījumā bija vienādā daudzumā, lielāko daļu faktiskās katalīzes nodrošināja tikai viena no tām. Ja šāds katalizators veicināja reakciju, kuras produkts arī bija hirāls, abu katalizatora formu atšķirīgā aktivitāte varēja radīt lielu viena produkta formas pārsvaru.

Līdz 20. gadsimta 60. gadu vidum Kagans bija atradis trīs dažādas reakcijas, kurās iespējams iegūt vienas hirālās formas pārpalikumu. Vēlāki pētnieki parādīja, ka hirālos katalizatorus iespējams selektīvi aktivizēt vai kavēt, pievienojot nehīrālas ķīmiskās vielas. Šāda kontrole vēlāk kļuva noderīga farmaceitisko vielu ražošanā.

Soai reakcija, kas pastiprina pati sevi

Apmēram desmit gadus vēlāk Tokijas Universitātes pētnieks Kenso Soai strādāja ar reakcijām, kurās viens no reakcijas produktiem pats darbojas kā katalizators un paātrina tā paša produkta veidošanos. Galu galā viņš atrada reakciju, kas bija selektīva arī attiecībā uz hiralitāti: viena reakcijas produkta forma veicināja vairāk tieši tādas pašas formas molekulu rašanos.

Soai sāka reakciju ar nelielu vienas katalizatora formas pārsvaru. Pēc viena reakcijas cikla šīs formas īpatsvars bija pieaudzis līdz 55 procentiem. Izmantojot iegūto maisījumu kā katalizatoru nākamajā ciklā, pārsvaru varēja pastiprināt vēl vairāk. Pēc vairākiem cikliem 90 procenti produktu piederēja vienai hirālajai formai.

Vēlāk Soai atrada apstākļus, kuros viens produkts ne tikai veicināja tādas pašas formas veidošanos, bet arī kavēja pretējās hiralitātes rašanos. Tas ļāva sākt ar ārkārtīgi mazu pārsvaru — vienas formas bija tikai par 0,00005 procentiem vairāk — un pēc dažiem reakcijas cikliem palielināt to īpatsvaru līdz vairāk nekā 99 procentiem.

Citi pētnieki vēlāk atrada apstākļus, kuros līdzīga reakcija ar tiešo un pretējo procesu līdzsvaru pakāpeniski noveda pie vienas hirālās formas dominances.

No zāļu ražošanas līdz dzīvības izcelsmei

Šo darbu nozīme izceļama vismaz trīs iemeslu dēļ. Pirmkārt, tas ir nozīmīgs fundamentālās ķīmijas sasniegums: pētnieki teorētiski izanalizēja, kā varētu rasties vienas hirālās formas pārsvars, bet pēc tam atrada veidus, kā šo uzvedību demonstrēt reālās reakcijās.

Otrkārt, atklājumam ir plašs praktiskais pielietojums. Daudzas zāles iedarbojas, mijiedarbojoties ar olbaltumvielām, kurās hiralitātei var būt izšķiroša nozīme. Ir zāles, kuru nepareizā hirālā forma var būt neaktīva vai pat kaitīga. Tāpēc metodes, kas ļauj katalizēt konkrētas hirālās formas ražošanu, farmācijā ir ļoti vērtīgas.

Trešā nozīme saistīta ar dzīvības izcelsmi. Neviena no pētītajām reakcijām netika demonstrēta ar vielām, kas būtu cieši saistītas ar biomolekulām, tādēļ nav skaidrs, vai šie procesi tieši norisinājās dzīvības sākotnējā ķīmijā. Tomēr pētījums parāda, ka neliels vienas hirālās formas pārsvars — mazāks nekā Soai eksperimentā sasniegtie 90 procenti, bet joprojām nozīmīgs — dabā varētu būt izplatīta parādība.

Pašreizējais skatījums ir tāds, ka šīs nelielās atšķirības pašas par sevi, visticamāk, nebija izšķirošas. Tomēr tās varēja palīdzēt dzīvības rašanās procesam virzīties pa ceļu, kas galu galā noveda pie vienvirziena ķīmijas, kādu novērojam mūsdienu organismos.