He pakottivat kemian valitsemaan peilikuvan
Vuoden 2026 kemian Nobelin palkinnon saivat ranskalainen Henri B. Kagan ja japanilainen Kenso Soai työstään peilikuvamolekyylien eli kiraalisuuden ja epäsymmetrisen synteesin parissa.[2]
Jotkin molekyylit, kuten aminohapot, esiintyvät kahtena varianttina, jotka ovat toistensa peilikuvia. Elävillä organismeilla on kuitenkin vain toinen näistä peilikuvista. Kemisteille oli pitkään mysteeri, miten tällainen kemiallinen epäsymmetria on voinut syntyä. Henri B. Kaganille ja Kenso Soaille myönnetään vuoden 2026 Nobelin kemianpalkinto tämän arvoituksen ratkaisun löytämisestä.
Elämän kemiaa kemistit kutsuvat homokiraaliksi kreikan kielen sanoista "sama" ja "käsi". Kuten kädet, kaikki aminohapot esiintyvät kahtena peilikuvavarianttina, mutta vain toinen niistä löytyy solujen proteiineista. Toista esiintyy harvoin luonnossa.
Kemistit ihmettelivät pitkään, miten homokiraalisuus voi syntyä. Kun he alkoivat kokeilla kemiallisia reaktioita, jotka voivat muodostaa kaksi peilimäistä molekyyliä, he saivat aina koeputkiinsa yhtä suuret osuudet molempia. Kemistit pyrkivät kuitenkin tuottamaan vain toisen näistä peilikuvista, koska elävien olentojen kanssa vuorovaikutuksessa olevien molekyylien – kuten lääkkeiden – kehittämisessä vain yksi peilikuva saa aikaan halutun vaikutuksen.
Kemian Nobel-palkinto 2026 tunnustaa löydökset, jotka ovat mahdollistaneet kemisteille homokiraalisuuteen johtavien kemiallisten reaktioiden aikaansaamisen.
”Henri Kagan ja Kenso Soai ovat tarjonneet ratkaisun yli vuosisadan vanhaan kemialliseen mysteeriin: miten homokiraalisuus voi syntyä spontaanisti. Heidän kehittämänsä kemialliset reaktiot ovat upeita”, sanoo Heiner Linke, Nobel-kemian komitean puheenjohtaja.
Henri Kagan otti ensimmäisen ratkaisevan askeleen vuonna 1986, kun hän löysi uuden tavan manipuloida kemiallisia reaktioita. Tämä mahdollisti hänelle toisen peilikuvan suuremman ylimäärän luomisen kuin aiemmin oli ajateltu mahdolliseksi.
Kenso Soai otti seuraavan askeleen. Vuonna 1995 merkittävässä julkaisussa kuvataan, kuinka hän suunnitteli ensimmäisen kemiallisen reaktion, jolla oli potentiaalia olla homokiraalinen. Vuonna 2003 hän lopulta onnistui. Hän esitteli reaktion, jossa muodostui vain toinen kahdesta mahdollisesta peilikuvasta. Elämää itseään lukuun ottamatta kukaan muu ei ollut aiemmin saavuttanut tätä saavutusta.
Henri Kaganin ja Kenso Soain ansiosta tiedämme nyt, miten homokiraalisuus voi syntyä. Heidän löydöksensä ovat olleet ratkaisevia kemisteille, jotka suunnittelevat reaktioita lääkkeiden valmistukseen.
Vuoden 2026 kemian Nobelin palkinto valottaa yhtä kemian suurimmista mysteereistä: miten luonto pystyi neljä miljardia vuotta sitten valitsemaan elämän rakennuspalikoiksi vain toisen käden peilikuvamolekyylit. Aiemmin pidettiin ehdottomana sääntönä, että ei-kiraalisista (eli symmetrisistä) lähtöaineista syntyy aina 50:50-seos (raseeminen seos) kumpaakin peilikuvamuotoa. Luonnonlait eivät nimittäin sinällään erottele oikeaa ja vasenta. Ranskalaisen Henri B. Kaganin ja japanilaisen Kenso Soain palkitut työt osoittivat, miten tämä symmetria voidaan rikkoa asymmetrisen synteesin avulla.
Kiraalisuus eli kätisyys on stereokemiassa kaikkien epäsymmetristen molekyylien ominaisuus, joka ilmenee siten, että keskenään kiraaliset molekyylit ovat toistensa peilikuvia kuten oikea ja vasen käsi keskenään. Kiraalisten molekyylien peilikuvia ei voi niitä kääntelemällä asettaa rakenteellisesti täysin päällekkäin siten, että samanlaiset atomit ovat samassa kohtaa vastaavasti kuin avointa oikeaa ja vasenta kättä ei voi kääntelemällä asettaa rinnakkain siten että molemmissa peukalot, muut sormet ja kämmenselät ovat yhtä aikaa samoihin suuntiin. Laajemmassa merkityksessään kiraalisuus onkin käsien ja kaikkien muiden epäsymmetristen kappaleiden ominaisuus.
Kiraalinen molekyyli ja sen peilikuva ovat aina enantiomeerejä (Enantiomeerit ovat kiraalisten molekyylien muodostamia isomeeripareja, jotka ovat toistensa peilikuvia mutta joita ei voi asettaa päällekkäin (kuten vasenta ja oikeaa kättä)). Molekyyli on ei-kiraalinen eli akiraalinen, jos se on peilikuvansa kanssa identtinen. Molekyylin epäsymmetrisyys ja siten myös kiraalisuus johtuvat tavasta, jolla atomit ovat molekyylissä sitoutuneet eli molekyylin konfiguraatiosta. Pienin kiraalinen molekyyli koostuu neljä erilaista atomia sitovasta atomista. Tällaisessa molekyylissä ja muissa molekyyleissä tätä keskusatomia kutsutaan kiraliakeskukseksi.
Molekyyleillä voi olla kiraalisia konformaatioita, mutta jos nämä voivat helposti muuntua yhdeksikin akiraaliseksi konformaatioksi, luokitellaan koko molekyyli akiraalikseksi riippumatta sen mahdollisista konformaatioista. Esimerkiksi sykloheksaanin vääntynyt vene ‑konformaatio on itsessään kiraalinen, mutta se muuntuu helposti akiraaliseksi tuolikonformaatioksi. Siten sykloheksaani on akiraalinen. Proteiinien konformaatiot taas ovat verrattain pysyviä, joten niitä voidaan kutsua kiraalisiksi.
Koska hiiliatomi voi muodostaa neljä sidosta, monet hiiliyhdisteet ovat kiraalisia. Tunnetuimpia lienevät aminohapot. Ne voivat olla joko "vasen"- (lat. levo 'vasen') tai "oikeakätisiä" (lat. dextro 'oikea') eli L- tai D-muotoisia, mutta ovat luonnossa yleensä vain L-muodossa. Siksi luonnon aminohappojen voidaan sanoa olevan homokiraalisia.
Useimmilla kiraalisilla molekyyleillä on yksi tai useampi kiraliakeskus, mutta joillain ei ole yhtäkään, kuten BINAP:llä ja joillain alleeneilla. Näillä yhdisteillä on kuitenkin akseli, jonka suhteen ryhmät sijoittuvat epäsymmetriseksi. Tätä ilmiötä kutsutaan aksiaaliseksi kiraalisuudeksi. Jotkin useita kiraliakeskuksia sisältävät molekyylit ovat vaihtoehtoisten "isomeeriensä" kanssa täysin identtisiä ja siten akiraalisia. Sellaiset ovat mesoyhdisteitä.
[1] Asymmetrinen autokatalyysi on reaktio, jossa kiraalinen tuote toimii kiraalisena katalyyttinä omalle tuotannolleen. Prosessi on kiraalisten molekyylien itsereplikaatio, jossa enantiomeeriylimäärä (ee) monistuu. Soai-reaktiossa erittäin alhaisen ee-arvon omaava ( S )-pyrimidyylialkanoli toimii asymmetrisena autokatalyyttinä di-isopropyylisinkin enantioselektiivisessä additiossa pyrimidiini-5-karbaldehydiin, jolloin saadaan lisää saman rakenteen omaavaa (S )-pyrimidyylialkanolia, jonka ee-arvo on merkittävästi parantunut, yli 99,5 %.
Elämän ominaispiirteistä tyypillisin on sen kyky lisääntyä itsestään, ominaisuus, joka on tunnettu jo pitkään. Yli 2300 vuotta sitten Aristoteles (384–322 eaa.) esitti käsityksensä, jonka mukaan "ihminen on syntynyt ihmisestä. Sänky ei ole syntynyt sängystä." Edes ihmismäisintä nykyrobottia ei pidetä elävänä olentona pääasiassa siksi, ettei se vielä kykene lisääntymään itsestään.
Elämän toinen ominainen piirre on, että elämän välttämättömät molekyylit, kuten aminohapot ja sokerit, osoittavat ylivoimaista enantiomeerien, esim. L- aminohappojen ja D -sokerien, yksikätisyyttä. Kätisyys on sama kaikilla maapallon lajeilla. Tätä ilmiötä kutsutaan usein biologiseksi homokiraliteettiksi. Biologinen homokiraliteetti ei ole pelkkä ilmiö; sitä on pidetty välttämättömänä edellytyksenä elämän syntymiselle ja toiminnalle. Proteiinit muodostuvat L-aminohappojen peptidikondensaation kautta. Jos D -aminohapot ovat proteiineissa epäsäännöllisesti mukana, proteiinien rakenteet muuttuvat diastereomeereiksi, joilla on erilaiset kemialliset ja fysikaaliset käyttäytymismallit. Tämän seurauksena proteiinit menettävät kyvyn suorittaa esimerkiksi entsyymitoimintoja. Tiedetään, että DNA koostuu D- deoksiriboosista. Jos DNA:han liittyy L-sokeria satunnaisesti, DNA:n konformaatio muuttuu ja geneettisen tiedon siirtyminen seuraavalle sukupolvelle vaikeutuu huomattavasti. Eschenmoser kuvailikin, että tetrameerisen D -pyranosyyli-RNA:n (RNA-analogien) ligatiivisen oligomerisaation aiheuttama itsejärjestäytymisreaktio on ainakin kaksi kertaluokkaa hitaampi, kun toinen komponenteista on korvattu L -enantiomeerillä.
Biologinen homokiraalisuus havaittiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla, mikä on uudehkoa ilmiötä verrattuna elämän itsereplikaatioon. 1800-luvulla monien biologisesti samankaltaisten yhdisteiden havaittiin osoittavan tasopolarisoidun valon optista kiertokykyä. Vuonna 1848 Pasteur kiteytti kaksi hemiedristä kidemuotoa raseemisen natriumammoniumtartraatin liuoksesta ja eristi molemmat kidemuodot. Kummankin muodon liuokset osoittivat vastakkaisiin suuntiin tapahtuvan optisen rotaation. Pasteurin löytö osoitti, että optisesti aktiivisilla molekyyleillä on dissymmetrisiä rakenteita eli kiraalisuutta nykyterminologian mukaan.
Asymmetrinen autokatalyysi on reaktio, jossa kiraalinen tuote toimii kiraalisena katalyyttinä omalle tuotannolleen. Prosessi on kiraalisen molekyylin automoninkertaistuminen (itsereplikaatio) enantiomeerisen ylimäärän (ee) monistumisella.
Asymmetrisellä autokatalyysillä on seuraavat edut perinteiseen asymmetriseen katalyysiin verrattuna: (1) Hyötysuhde on korkea, koska itsemonistuma on järjestelmä, jonka elämä omaksuu; (2) Jyrkästi toisin kuin perinteisessä katalyysissä, katalyytin määrässä ei havaita vähenemistä eikä heikkenemistä, koska vasta muodostuneesta tuotteesta tulee uusi katalyytti; (3) Tuotteen erottaminen katalyytistä ei ole tarpeen, koska niiden rakenne on sama.
Yhdestä elämän ominaispiirteestä, molekyylitason itsereplikaatiosta, on raportoitu menestyksekästä tutkimusta. von Kiedrowski kehitti ligatiivisia itsereplikoituvia oligonukleotideja ja Ghadiri kehitti ligatiivisia itsereplikoituvia oligopeptidejä. Rebek raportoi itsereplikoituvista akiraalisista orgaanisista yhdisteistä, jotka perustuvat molekyylitunnistukseen ja Otto kehitti supramolekyylisen orgaanisen itsereplikaattorin. Vaikka nämä työt osoittivat tyylikkäitä itsereplikaatiojärjestelmiä, reaktiot eivät tuota uusia stereogeenisiä keskuksia.
Pasteurin löydettyä molekyylikiraalisuuden sen alkuperä orgaanisissa yhdisteissä on herättänyt paljon huomiota useiden tiedemiesten keskuudessa. Luentopöytäkirjansa mukaan Pasteur itse teki kokeita kiraalisuuden aikaansaamiseksi orgaanisissa yhdisteissä; kasvia säteilytettiin auringonvalolla, jolloin kasvi koki auringonvalon liikkumisen lännestä itään, mikä on vastakkainen suunta kuin pohjoisella pallonpuoliskolla. Hän suoritti myös kiteyttämisen voimakkaan magneettikentän alaisena. Vaikka hän ei tullut mihinkään lopulliseen johtopäätökseen, on huomionarvoista, että tämä kemian jättiläinen aloitti tutkimuksen orgaanisten yhdisteiden homokiraalisuuden alkuperästä.
Homokiraalisuuden alkuperän tutkimus onkin herättänyt monien tutkijoiden huomion. Kvartsi on SiO2:n epäorgaaninen kide , jota esiintyy luonnossa hemiedrisinä enantiomorfeina. Kvartsilla on havaittu polarisoidun valon kierto, jota kutsutaan optiseksi aktiivisuudeksi. Kvartsia on siksi ehdotettu orgaanisten yhdisteiden kiraalisuuden alkuperäksi, ja useissa tutkimuksissa väitetään raportoineen pienen määrän orgaanisen yhdisteen ee-induktiota kvartsia käyttämällä. Ainoa yleisesti päteväksi hyväksytty raportti on kuitenkin raseemisen aminohapon pieni enantioselektiivinen adsorptio, joka on havaittu herkällä radioisotooppimenetelmällä. Hazen ym . raportoivat raseemisen asparagiinihapon enantioselektiivisestä adsorptiosta kalsiitin enantiotooppisille pinnoille. Ympyräpolarisoitu valo (CPL) voi myös tuottaa kiraalisuutta, ja sitä on siksi ehdotettu orgaanisten yhdisteiden kiraalisuuden alkuperäksi. Raseemisen leusiinin säteilytys CPL:llä johti tämän aminohapon 2 %:n enantiomeerien rikastumiseen.
Orgaanisten molekyylien kiraalisuuden ehdotetut alkuperät voivat yleensä aiheuttaa vain alhaisen ee-arvon kiraalisissa molekyyleissä muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta, jotka liittyvät fysikaalisiin kiteytymisiin [6,l,m,n]. Näin ollen näiden elämässä havaittujen erittäin alhaisen ee-arvon ja korkean ee-arvon välinen yhteys on puuttunut.
On pitkään hyväksytty, että ilman kiraalisen tekijän väliintuloa, kun reaktiossa, joka muuttaa akiraalisen yhdisteen kiraalisiksi muodoiksi, tuote koostuu yhtä suurista määristä vasen- ja oikeakätisiä enantiomeerejä, eli rasemaatista. Absoluuttinen asymmetrinen synteesi on reaktio, joka tuottaa enantiomeeririkastetun kiraalisen yhdisteen ilman kiraalisen tekijän väliintuloa. Ensi silmäyksellä tämä on selvästi ristiriidassa yhtäläisten määrien mallin kanssa. 1800-luvun lopulla Pearson pani merkille ajatuksen, että alkuvaiheessa muodostunut kiraalinen yhdiste replikoituu itsestään, jolloin saadaan enantiomeeririkastettu tuote. Vuonna 1953 Frank ehdotti reaktiokaaviota, kuvaamatta erityistä kemiallista rakennetta, jolla autokatalyysi ja esto replikoituvissa kiraalisissa molekyyleissä voivat vahvistaa alun perin pienen ee-arvon korkeaksi ee-arvoksi. Kokeellisia esimerkkejä ei kuitenkaan tunnettu ennen vuotta 1995, jolloin Soai et al . raportoi epäsymmetrisestä autokatalyysistä, jossa monistettiin ee.
Viitteet
1. Soai-reaktio ja sen vaikutukset elämän ominaispiirteisiin, itsereplikaatioon ja homokiraalisuuteenhttps://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0040402022004677
2. Kemian Nobel-palkinto esittely
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2026/press-release/
