Zagonetka života rešena posle više od jednog veka: Šta su otkrili najnoviji dobitnici Nobelove nagrade za hemiju
Komentari
Dodajte Euronews kao željeni izvor na Google-u
Anri Kagan i Kenzo Soai su najnoviji laureati Nobelove nagrade za hemiju, nakon što su rešili misteriju asimetrije u hemiji.
Naime, neke hemijske reakcije stvaraju dva različita molekula, od kojih je svaki kao slika u ogledalu onog drugog. Decenijama su istraživači znali da je, barem u teoriji, moguće osmisliti reakcije u kojima bi nastala samo jedna od tih varijanti u ogledalu, ali način da se to postigne u praksi ostao je misterija. Anri Kagan i Kenzo Soai pronašli su rešenje ovog problema, a njihova otkrića od ogromnog su značaja za hemičare koji osmišljavaju reakcije koje se koriste, između ostalog, u proizvodnji lekova.
Samo jedan ključ otključava bravu
Molekuli od kojih je život izgrađen zadaju hemičarima posebne probleme. Zamislite da ste bravar koji izrađuje ključeve po porudžbini. Problem je u tome što pri izradi uvek dobijete dve varijante "u ogledalu", ali samo jedna odgovara bravi - dok druga može da ošteti bravu ako kupac pokuša da je njome otključa. Nažalost, veoma je teško razlikovati ta dva ključa, pa kupac na kraju dobije oba.
Sličan problem postoji i kada hemičari razvijaju nove lekove. Mnogi molekuli u lekovima postoje u dve varijante koje su međusobno kao odraz u ogledalu, ali nisu identične. Jedna ima željeno terapijsko dejstvo, dok druga može da izazove nepotrebne, a ponekad i štetne neželjene efekte.
Osnovni razlog za to povezan je sa fundamentalnom hemijom života: živi svet je, kako hemičari kažu, homohiralan. Ta reč potiče od grčkih reči koje znače "isto" i "ruka". Baš kao što naše leve i desne šake imaju isti oblik, ali su međusobno kao odrazi u ogledalu, i svi aminokiseline postoje u dve varijante takvih odraza. Međutim, samo jedna od njih nalazi se u proteinima u našim ćelijama. Druga se u prirodi veoma retko pojavljuje.
Luis Quintero / Unsplash
Isto važi i za molekule šećera koji su deo naše DNK. I oni postoje u dve različite varijante, ali život koristi samo jednu.
Hemičari su dugo pokušavali da shvate kako može da nastane homohiralnost, a Anri Kagan i Kenzo Soai dobili su Nobelovu nagradu za hemiju za 2026. godinu jer su pronašli rešenje ove zagonetke.
Povezane vesti
Anri Kagan otkrio je novi način upravljanja hemijskim reakcijama, koji omogućava da se stvori mnogo veći višak jedne ogledalske varijante nego što se ranije smatralo mogućim. Njegovo otkriće predstavljalo je prekretnicu za hemičare koji razvijaju reakcije za proizvodnju lekova, aroma, mirisa i novih materijala.
S druge strane, Kenzo Soai osmislio je prvu hemijsku reakciju u kojoj je nastajala samo jedna od mogućih varijanti odraza u ogladlu. Osim samog života, niko pre njega nije uspeo da postigne tako nešto. Soaijeva reakcija smatra se jednim od najimpresivnijih hemijskih eksperimenata ikada izvedenih.
Sve je započeo Luj Paster
Nobelova nagrada za hemiju za 2026. godinu rezultat je dugog lanca ideja, čija je prva karika nastala sredinom 19. veka. Sve je počelo kada je Luj Paster proučavao supstancu važnu za proizvodnju vina - vinsku kiselinu.
Vikipedija/Paul Nadar
Paster je većinu onoga što je proučavao posmatrao kroz mikroskop. Kada su njegove kolege tvrdile da vinska kiselina ponekad skreće ravan polarizovane svetlosti udesno, dok je drugi put uopšte ne menja, to je privuklo njegovu pažnju.
Uzgajio je kristale vinske kiseline i pregledao ih pod mikroskopom. Otkrio je da postoje u dve varijante, od kojih je svaka slika u ogledalu one druge.
Pomoću pincete razdvojio ih je i rastvorio odvojeno. Kada je kroz te rastvore propustio polarizovanu svetlost, jedan od njih skretao je svetlost udesno, a drugi ulevo. Kada je spojio te dve tečnosti, svetlost više nije skretala ni na jednu stranu.
Ovaj eksperiment omogućio je hemičarima da shvate da se neke supstance pojavljuju u dve varijante. Vremenom su takve supstance dobile naziv hiralne, a dva molekula koji predstavljaju međusobne ogledalske slike nazivaju se enantiomeri.
Povezane vesti
Jedna "strana" života zbunjuje istraživače
Paster je do sledećeg važnog otkrića došao 1857. godine, kada je proučavao šta se dešava kada bakterije fermentišu različite enantiomere vinske kiseline.
Pokazalo se da bakterije bez problema fermentišu enantiomer koji se nalazi u grožđu i koji skreće svetlost udesno. Međutim, ogledalski molekul ih uopšte nije zanimao. Ostajao je netaknut.
Tako se prvi put pojavila ideja da je hemija života na neki način hiralna.
Kasnije, kada su istraživači počeli da proučavaju osnovne gradivne elemente života, otkrili su da prirodne aminokiseline uvek skreću polarizovanu svetlost ulevo, dok molekuli šećera koji se nalaze u spirali DNK rade suprotno - skreću svetlost udesno.
Saznanje da molekuli života sadrže samo jedan od dva moguća enantiomera otvorilo je novo pitanje: šta se dogodilo u samom nastanku života zbog čega je hemija života dobila samo jednu "stranu"?
Kada su hemičari izvodili eksperimente sa reakcijama u kojima nastaju hiralni molekuli, u epruvetama su uvek dobijali podjednaku mešavinu oba enantiomera.
Zašto onda živi organizmi koriste samo jednu ogledalsku varijantu aminokiselina? Kako je uopšte mogla da nastane homohiralnost?
Neki hemičari tvrdili su da je hiralna hemija karakteristična isključivo za život. Međutim, početkom 20. veka nemački hemičar Vili Markvald izveo je prvu uspešnu asimetričnu reakciju.
To znači da je u reakciji nastalo više jednog enantiomera nego drugog.
Ključ je bio u tome što je Markvald koristio katalizator - supstancu koja ubrzava hemijsku reakciju, a pritom se sama ne troši. U ovoj reakciji katalizator je bio hiralan, pa je podsticao stvaranje jedne ogledalske varijante umesto druge.
Vikipedija
Razlika je bila veoma mala, ali samo njeno postojanje predstavljalo je veliki napredak.
Sledeća važna karika u lancu ideja koji je doveo do Nobelove nagrade za hemiju 2026. godine nastala je 1953. godine. Bila je to čisto teorijska ideja predstavljena u jednom naučnom radu.
Matematičko objašnjenje "jednostrane" hiralnosti života
Uvod u taj naučni rad odaje izvesno iznenađenje. Njegov autor, Čarls Frenk sa Univerziteta u Bristolu, bio je teorijski fizičar. On opisuje kako mu je jedan kolega rekao da hemičari još ne razumeju kako je nastala asimetrija karakteristična za život.
Prema rečima tog kolege, hemičarima bi pomoglo kada bi za taj problem postojalo matematičko rešenje.
Frenk je kao odgovor predstavio model hemijske reakcije u kojoj moraju da budu ispunjena tri uslova:
- Da postoje hiralni katalizator i asimetrična reakcija.
- Da se stvaranje jedne ogledalske varijante na neki način pojačava, dok se stvaranje druge smanjuje.
- Da sama hemijska reakcija stvara katalizator. To se naziva autokataliza i dovodi do efekta samopojačavanja, tako da broj molekula jednog od enantiomera u reakciji raste eksponencijalno.
Hemijska reakcija koja ispunjava sve ove uslove može da dovede do homohiralnosti.
Frenkov model proširio se među hemičarima i postao neka vrsta hemijske zagonetke koju su profesori mogli da postave svojim studentima: kako ove uslove pretvoriti u stvarnost u laboratoriji?
Kao što je već opisano, Markvald je početkom 20. veka uspeo da ispuni prvi uslov, ali istraživači su tek kasnije uspeli da osmisle hemijske reakcije koje su pokazivale značajnu asimetriju. Pioniri u ovoj oblasti dobili su Nobelove nagrade za hemiju 2001. i 2021. godine.
Nobelova nagrada za hemiju za 2026. godinu priznaje ispunjenje preostala dva uslova.
Počnimo od jednostavne, ali genijalne ideje koja je 1986. godine omogućila Anriju Kaganu da označi drugi uslov u Frenkovom modelu kao ispunjen.
Kagan razmišlja izvan uobičajenih okvira
Kagan, koji je radio na Univerzitetu Pariz-Sud, bio je jedan od brojnih hemičara koji su početkom osamdesetih radili na usavršavanju asimetričnih reakcija.
Cilj je bio da se dobiju što čistiji enantiomeri, na primer za proizvodnju lekova.
Koliko je to važno pokazala je afera sa talidomidom početkom 1960-ih, kada su hiljade dece rođene sa deformitetima zbog posledica korišćenja sedativa talidomida. Kada su istraživači analizirali šta se dogodilo, shvatili su da je za štetno dejstvo bila odgovorna "ogledalska" varijanta aktivne supstance.
Za pokretanje asimetričnih reakcija istraživači su često koristili katalizatore koji su imali dve komponente: atom metala koji je služio kao pokretač reakcije i hiralnu supstancu koja je obezbeđivala da reakcija bude asimetrična.
Tanjug/Fredrik Sandberg/TT News Agency via AP
Pošto su želeli da u konačnom proizvodu dobiju što čistije enantiomere, obično su koristili što čistiji enantiomer u katalizatoru.
Međutim, pretpostavljali su da će, ako u katalizatoru pomešaju dve ogledalske varijante, proizvod sadržati te varijante u odgovarajućim razmerama.
Drugim rečima, verovali su da se hiralnost katalizatora prenosi na hiralnost proizvoda i da između njih postoji linearan odnos.
Kagan je počeo da dovodi ovu pretpostavku u pitanje.
Kao iskusan hemičar, posvetio je više pažnje samom katalizatoru. Niko zapravo nije znao kako on funkcioniše. Tokom hemijske reakcije atom metala i hiralni molekul očigledno međusobno deluju, ali ostalo je pitanje - na koji način?
Godine 1986. opisao je čak tri različite asimetrične reakcije koje su pokazivale ono što hemičari nazivaju nelinearnim efektima.
Bio je to istorijski proboj, a mnogi hemičari počeli su da istražuju ovaj novi fenomen.
Jedan od njih bio je Kenso Soai sa Univerziteta nauke u Tokiju, koji će kasnije napraviti poslednju kariku u lancu ideja koji je doveo do Nobelove nagrade za hemiju 2026. godine.
Najelegantniji eksperiment svih vremena
Kenso Soai istraživao je asimetričnu hemijsku reakciju koja je pokazivala snažan nelinearni efekat.
Kada je detaljno proučio strukturu katalizatora koji je koristio i proizvoda koji je nastajao, primetio je da imaju značajne sličnosti.
To mu je dalo ideju: možda bi mogao da osmisli reakciju u kojoj se katalizator sam stvara kroz autokatalitički proces?
U to vreme, početkom 1990-ih, bilo je poznato nekoliko primera autokatalitičkih reakcija, ali nijedna od njih nije bila asimetrična.
Eksperimentišući sa velikim brojem različitih molekula, Soai je uspeo da pronađe hiralnu supstancu - 5-pirimidil-alkanol - koja je mogla da stvara samu sebe.
U radu objavljenom 1995. godine opisao je ovaj revolucionarni eksperiment.
Reakcija se samopojačavala i ispunjavala je sve Frenkove kriterijume, ali nije dostigla 100 odsto enantiomerne čistoće kakva postoji u živom svetu.
Ipak, japanski naučnik je još osam godina nastavio potragu za konačnim autokatalitičkim procesom.
Godine 2003. konačno je predstavio hemijsku reakciju u kojoj je nastajao višak jednog enantiomera, koji je potom stvarao sopstvene kopije.
Bio je to prvi put da je neko uspešno stvorio hiralnost iz početne kombinacije molekula koja sama po sebi nije bila hiralna, i to još od nastanka života.
Tanjug/Fredrik Sandberg/TT News Agency via AP
Soaijeva reakcija smatra se jednim od najuspelijih i najelegantnijih hemijskih eksperimenata ikada izvedenih.
Kada je Soai pokrenuo katalitički proces, nastajala su oba enantiomera, ali je zbog slučajnosti jedan od njih bio prisutan u nešto većoj količini.
Taj sićušni početni višak bio je dovoljan da taj enantiomer preuzme čitavu hemijsku reakciju.
Na kraju je mogao da čini čak 99,99 odsto proizvoda.
Kada bi Soai ponovio reakciju, drugi enantiomer mogao je da preuzme glavnu ulogu. Koji će enantiomer na kraju dobiti zavisilo je od toga šta se slučajno dogodilo na početku reakcije.
Hemičari su dobili nove, precizne alate
Soaijeva reakcija je veštački proces i razlikuje se od hemije koja se odvija u živim organizmima, ali je probudila novo interesovanje hemičara koji žele da razumeju poreklo života.
Istraživači širom sveta sada pokušavaju da ponove Soaijev uspeh, ali sa ciljem da proizvedu homohiralne aminokiseline i šećere.
Nelinearni efekti koje je Kagan otkrio postali su važan alat za hemičare koji osmišljavaju nove reakcije.
Činjenica da reakcija pokazuje nelinearnost daje hemičarima informacije o tome kako se ona odvija, a te informacije mogu da koriste za optimizaciju reakcije, kako bi dobili što čistije moguće enantiomere nekog proizvoda.
To je od ključnog značaja za svaku kompaniju koja proizvodi supstance namenjene delovanju na žive organizme, kao što su lekovi, arome, mirisi i poljoprivredne hemikalije.
U nekim slučajevima, nelinearni efekti važni su i u proizvodnji novih materijala.
Zahvaljujući otkrićima koja su sada nagrađena Nobelovom nagradom za hemiju za 2026. godinu, hemičari su dobili fundamentalno nove alate koje mogu da koriste u svakodnevnom radu.
Ali, što je još važnije, ova otkrića pomogla su u rešavanju jedne od najvećih misterija hemije: kako može da nastane homohiralnost - pojava karakteristična za sva živa bića.
Komentari (0)