Попробуйте надеть правую перчатку на левую руку. Пальцев столько же, материал тот же, а вещь не подходит. У многих молекул есть похожая особенность: одинаковые атомы связаны одинаковым образом, но расположены в пространстве так, что совместить молекулу с её зеркальным отражением не получается.[4] Химики называют это хиральностью, а пару таких форм — энантиомерами.
7 октября Шведская королевская академия наук присудила премию Кагану и Соаи за нелинейные эффекты и автокатализ в асимметрическом органическом синтезе.[1] За тяжеловесной формулировкой стоят два вполне понятных вопроса. Можно ли превратить едва заметное преимущество одной формы в почти полное господство? И способна ли реакция сама наращивать этот перекос?
Почему зеркальная копия не всегда подходит
Для организма разница между зеркальными формами вполне ощутима. Его собственные молекулы тоже устроены пространственно, и одинаковый набор атомов ещё не гарантирует одинакового действия. У лекарственного вещества одна форма может давать нужный эффект, а другая — вызывать нежелательные побочные эффекты.[3] При этом назначить всё «левое» полезным, а «правое» вредным нельзя. Всё зависит от конкретного вещества.
Допустим, химик уже знает, какая форма ему нужна. Он проводит реакцию, а в колбе получает обе, поровну.[4] Можно заняться разделением смеси. Но гораздо заманчивее изменить саму реакцию, чтобы нужного продукта изначально получалось больше. Этой задачей и занимались нынешние лауреаты.
Есть тут и вопрос, выходящий далеко за пределы производства. В белках используются хиральные аминокислотные звенья определённой конфигурации; свой выбор формы есть и у сахаров нуклеиновых кислот. Это единообразие необходимо для работы биологических молекул, объясняет Нобелевский комитет.[4] Жизнь пользуется им постоянно. А химики пытаются понять, как оно вообще возникло из неживой химии, способной давать смесь обеих форм.
Каган: результат не обязан повторять исходную смесь
Каган с коллегами в 1986 году исследовал катализаторы, помогающие реакции идти. Их хиральные компоненты влияют на то, какая пространственная форма получится у продукта. И вот странность: перевес одной формы в продукте мог быть сильнее ожидаемого, если судить по составу самого катализатора.[4]
Химический «помощник» содержал смесь «левых» и «правых» компонентов, а результат выходил более однородным. Почему? Прежнее представление о простой пропорциональной зависимости не объясняло такого поведения. Каган предложил смотреть, что компоненты катализатора делают друг с другом.[4]
Они могут объединяться в комплексы. В одних оказываются одинаковые зеркальные формы, в других — противоположные. Такие комплексы бывают по-разному активны. Если часть компонентов связана в малоактивные сочетания, оставшиеся сильнее направляют реакцию в одну сторону.[4] Считать только исходное соотношение форм уже недостаточно: надо знать, какие из этих сочетаний действительно работают.
Впрочем, улучшение не гарантировано. В первых системах, исследованных Каганом, избирательность оказывалась и выше, и ниже ожидаемой.[4] «Нелинейный» здесь означает, что простая пропорция не сработала. В какую сторону отклонится результат, приходится выяснять для конкретной реакции.
Соаи: продукт помогает делать самого себя
Обычно мы мысленно разделяем реакцию на исходные вещества и результат. В опытах Соаи результат сам помогал реакции продолжаться: продукт ускорял собственное образование. Это и называется автокатализом. Причём новые порции получались с усиливающимся перевесом одной зеркальной формы.[4]
Тут легко упустить существенную деталь. Если в каждом следующем цикле перевес слабее предыдущего, то он постепенно сойдёт на нет, сколько ни ускоряй образование продукта. Соаи сумел получить обратное: автокатализ с усилением асимметрии. Ключевая работа вышла в 1995 году.[4]
В научном обосновании премии приведён особенно наглядный результат: начальный энантиомерный избыток составлял всего 0,00005%, а после трёх последовательных циклов превысил 99,5%.[4] Что именно измеряли? «Энантиомерный избыток» — разность долей двух форм.[4] Речь не о доле нужной молекулы во всём содержимом колбы.
Например, в условной смеси из 60% одной формы и 40% другой избыток равен 20 процентным пунктам. Поэтому число 99,5% в описании опыта нельзя читать как выход реакции или как чистоту препарата от любых примесей. Оно говорит именно о соотношении зеркальных форм.
Реакция выбирает сторону, но не всегда одну и ту же
В другой серии опытов химики не задавали предпочтение извне. Провели 37 экспериментов: в 18 преимущество получила одна форма, в 19 — другая. Энантиомерный избыток продукта составлял от 15% до 91%.[4]
Так что пробирка не стала убеждённой «левшой». В одном опыте перевес уходил в одну сторону, в другом — в противоположную: система усиливала случайное начальное различие.[4] Объяснить, как слабое преимущество становится сильным, ещё не значит объяснить, почему вся земная жизнь остановилась на определённом варианте.
В научном обосновании премии это оговорено прямо: модель и её проверка в лаборатории не отвечают окончательно на вопрос о происхождении биологической хиральности.[4] У реакции Соаи есть и вполне конкретное ограничение. Она показывает возможность усилить асимметрию, но не описывает её возникновение в водной среде ранней Земли.[4]
Сказать, что Каган и Соаи «раскрыли тайну возникновения жизни», было бы соблазнительно, но неверно. Их опыты позволяют изучать, как возникает и усиливается асимметрия, и помогают разрабатывать избирательные реакции.[4] Для химика это уже большой результат: можно проверить состав исходной смеси, провести опыт и измерить, что получилось. Восстановить по нему события на ранней Земле гораздо труднее. Такой уверенности у науки пока нет.