Чтобы объяснить открытие нобелевских лауреатов по химии за 2026 год, мы решили вспомнить уроки изо. А как еще говорить о «нелинейных эффектах и автокатализе в асимметричном органическом синтезе»?!

Именно с такой формулировкой — за «открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметричном органическом синтезе» — Нобелевский комитет присудил премию в области химии за 2026 год французскому исследователю Анри Кагану и его японскому коллеге Кэнсо Соаи. Понять суть научного прорыва, совершенного этими учеными, не так уж просто. У открытия нет простого практического эффекта — речь скорее о фундаментальных для химии вопросах. Ответы на эти вопросы могли бы многое объяснить о происхождении жизни на нашей планете. Но правда состоит в том, что мы вряд ли когда-нибудь их получим. И тем не менее, труды Кагана и Соаи — важная веха на пути амбициозных поисков этих ответов. Так что же такое автокатализ? А асимметрический? И при чем здесь происхождение жизни? Объясняем на пирамидках.

Поворачиваем пирамидки: что такое асимметрический автокатализ (это правда очень сложно объяснить — но мы попробуем)

Если из сложной формулировки Нобелевского комитета выделить главное, то премию по химии в 2026 году присудили за асимметрический автокатализ. Прежде чем мы перейдем к попытке объяснить суть открытия, стоит констатировать: к этому все шло.

• В 2001 году комитет уже отметил премией открытие просто асимметрического катализа (награду получили Барри Шарплесс, Рёдзи Ноёри и Уильям Ноулз).
• В 2021-м в Швеции наградили разработчиков органического асимметрического катализа (Дэвида Макмиллана и Беньямина Листа).
• Сам по себе автокатализ, без «асимметрической» приставки, был известен задолго до появления Нобелевских премий. Если бы награда существовала в XIX веке, то она должна была бы достаться химику Александру Бутлерову за его формозную реакцию (впервые продемонстрированную еще в год отмены крепостного права!).
• И вот наконец настал момент заполнить пробел и наградить создателей уже настоящего асимметрического автокатализа Анри Кагана и Кенсо Соаи. Что Нобелевский комитет и сделал.

Понимаем, звучат все эти термины не очень завлекательно. Поэтому пока еще ненадолго отложим хардкорную химию и обратимся к более приятным темам — например, к творчеству.

Представим себе подготовительную группу детского сада. Идет урок какого-нибудь творческого развития, и дети красят бумажные пирамидки. Выдадим им совершенно одинаковые белые пирамидки о четырех гранях и снабдим их всего одной краской. Задание — раскрасить одну вершину пирамидки.

В качестве творческой такая задача крайне сомнительна, потому что как бы дошкольники ни старались, все пирамидки будут одинаковыми: с одной красной вершиной и тремя непокрашенными белыми. Просто и скучно, поэтому добавим еще одну краску — синюю.

Здесь уже появляется выбор. Например, можно поставить пирамидку на стол (передней гранью к нам) и затем верхнюю часть покрасить красной краской, а нижний правый угол — синей. Или вершину — синей, а левый нижний угол — красной. Или оставить оба ближних угла белыми, а красным покрасить дальний угол — тот, что прячется за лицевой гранью. Творчества вроде бы становится больше, но легко догадаться, что все получившиеся варианты на самом деле неотличимы друг от друга. Нужным количеством поворотов пирамидки можно сделать одинаковыми: сверху вершина красная, снизу синяя, остальные белые.

Теперь добавим еще одну краску — зеленую. Разгул для самовыражения: комбинаций того, в какой последовательности можно красить пирамидки, оказывается еще больше. Но мы уже чувствуем, что многие, по-видимому, вновь переводятся одна в другую поворотами.

Делаем тест: ставим две пирамидки на стол, неокрашенной вершиной вверх, и смотрим на них сверху. Поворачиваем так, чтобы красная вершина смотрела от нас, а синие и зеленые — на нас.

И тут оказывается, что последовательность вершин красная→синяя→зеленая может идти по часовой стрелке, а может — против. И как эти две пирамидки ни крути, они не станут одинаковыми. Да, фигуры очень похожи друг на друга, но все-таки мысленно их больше нельзя совместить.

Так почему два сорта пирамидок возникают, когда мы дает дошкольникам именно три краски, а не две или одну? Почему сортов возникает именно два, а не сразу три? Почему пирамидки похожи друг на друга как зеркальные отражения и как это связано с тем, что не только пирамидки, но и спирали, и руки могут иметь две версии друг друга — левую и правую?

Интуитивно понятно, что ответ на все эти вопросы — трехмерность нашего пространства. Повтори мы тот же эксперимент в двумерном мире, мы бы пришли к тому же решению, но уже сразу с двумя красками.

Этот мысленный эксперимент показывает, как именно возникает то, что в химии называется «хиральность» (от греческого названия руки, χειρ). Это свойство некоторых молекул иметь две версии, похожие друг на друга как зеркальные отражения, два стереоизомера. Левыми и правыми их называют условно, ничего содержательного за этим не стоит. Химики обычно просто договариваются о том, какую версию какой именно считать.

Но есть и совсем другой вопрос. Допустим, мы экспериментально установили, что Маша делает только условно левые пирамидки (с последовательностью вершин по часовой стрелке), а Саша — только правые. Это не слишком удивительно: Маша может быть левшой, а Саша правшой (или наоборот), и держат пирамидки они по-разному. Мы понимаем, что люди сами по себе асимметричны, и не удивляемся тому, что асимметрично и их творчество.

Но что, если засунуть пирамидки вместе с красками в мешок и просто его потрясти (здесь метафора становится натянутой, но придется потерпеть). Может ли случиться так, что все пирамидки будут только левыми или только правыми? Или что число левых и правых будут значительно отличаться друг от друга? Если исходно и пирамидки, и краски, и мешок не имеют зеркальных вариантов, то откуда они могут возникнуть у того, что получится на выходе?

Законы классической химии говорят, что ниоткуда — это невозможно. Это фундаментальное правило вошло во все учебники и, казалось, не имеет исключений. Сама по себе стереоселективность — предпочтение левой или правой версии вещества в реакциях — хорошо известна. Но она должна чем-то оправдываться — определяться асимметрией, которая изначально заложена в системе. Если ее нет, то и взяться стереоселективности неоткуда.

Например, все природные сахара имеют только правую версию, и все природные ферменты реагируют преимущественно (или даже исключительно) с такими сахарами. Так происходит потому, что сами ферменты хиральны, они могут иметь две зеркальные версии. То же самое происходит с аминокислотами и нуклеотидами.

Но все это никак не нарушает базовое правило: чтобы где-то в химических реакциях была асимметрия, она должна быть там заложена изначально и не может возникнуть из ниоткуда.

Конечно, создание правильных стереоверсий (энантиомеров) природных соединений или лекарств — это хорошо известная классическая задача синтетической химии. Здесь давно разработано много работающих подходов.

Например, можно провести химическую реакцию в обычной, асимметричной среде, получить смесь стереоизомеров и затем отделить один от другого с помощью какого-то асимметричного природного соединения. Как вариант — пропустить через хроматографическую колонку с природными сахарами. Не важно, какое соединение мы хотим получить, левое или правое, и имеет ли оно отношение к сахарам, — важно, что хиральные сахара всегда будут немного по-разному взаимодействовать с другими хиральными молекулами. Этого вполне достаточно, чтобы отделить один стереоизомер от другого.

Другой вариант получения оптических изомеров ­— использовать исходно природные хиральные соединения как прекурсоры. Например, так удалось синтезировать ACRL-токсин из глюкозы.

Поскольку подобрать подходящее исходное соединение из числа природных не всегда возможно, химики чаще предпочитают обходную стратегию: временно вводят в один из компонентов реакции хиральный заместитель, чтобы сделать хиральным исходное вещество, провести реакцию, а затем удалить временную «зеркальную метку».

Еще более современный подход — сделать зеркальными не исходные вещества для реакции, а катализатор, который способствует ее протеканию. Если катализатор оптически активен, то есть имеет одну стереоформу, то и эффективность катализа будет разной для разных стереоизомеров исходных веществ. Такой катализ называется асимметрическим. За один из его вариантов Барри Шарплесс и другие ученые получили нобелевскую премию в 2001 году.

В целом практических подходов к тому, как можно получить нужные энантиомеры хиральных соединений, химики разработали множество. О них можно прочитать в любом хорошем руководстве по синтетической химии. Но премия, присужденная Анри Кагану и Кенсо Соаи, как ни странно, вовсе не про практические подходы. Она про нечто более фундаментальное — то, откуда вообще берется асимметрия.

Вопросы без ответа: чем уникально открытие нобелевских лауреатов 2026-го — и в чем его ограничение

В космологии есть хорошо известная проблема избытка материи над антиматерией: почему частиц в мире больше, чем античастиц? Аналогично этому, в исследовании происхождения жизни есть проблема возникновения хиральности: почему сахара стали правыми, а аминокислоты — левыми? Обе проблемы до сих по не имеют убедительного решения, но работы нынешних лауреатов по крайней мере дают вариант ответов на последний вопрос.

Этот ответ — случайность, поддержанная асимметрическим автокаталитическим процессом.

Еще в начале 1950-х физик-теоретик из Бристоля Фредерик Чарльз Фрэнк сформулировал требования, которые теоретически могли бы позволить возникнуть асимметрии в химическом процессе, начинающемся с совершенно ахиральных (то есть не-зеркальных) соединений. Согласно его расчетам, при этом должно было соблюдаться три условия:

• продукты реакции должны ускорять саму реакцию, быть сами себе катализаторами — этот тот самый «автокатализ»;
• катализатор должен был по-разному ускорять реакцию с разными стереозомерами — это та самая асимметрия;
• катализатор должен был быть еще и ингибитором реакции в сторону другого оптического изомера, то есть между стереизомерами должен был наблюдаться взаимный антагонизм.

Только при соблюдении всех трех условий возможна ситуация, когда даже небольшое отклонение в одну из сторон может со временем накапливаться и приводить к преимущественному синтезу только одного из изомеров.

Удивительно, но с момента формулировки этих принципов в 1953 году ни одна химическая реакция, известная ученым, не удовлетворяла всем трем. Бывало, что в некоторых реакциях сдвиг в сторону одного из стереоизомеров превышал тот, что был в исходном катализаторе. Что довольно удивительно и было одним из основных предметов исследования Анри Кагана. Но до того, как Кенсо Соаи придумал реакцию, которая теперь называется его именем, совпадения всех трех требований никогда не наблюдалось.

Какие соединения участвуют в этой реакции и что в ней получается, на самом деле не так важно. Важно, что Соаи удалось продемонстрировать, как избыток всего в 0,00005% одной из стереоформ продукта-катализатора приводит к тому, что сначала среди продуктов такая форма занимает 57% выхода, а за два цикла повторения реакции почти все получающееся вещество приобретает ту же зеркальную форму.

Другими словами, на примере реакции Соаи видно, что стереоселективность может возникать буквально из ничего — из случайного избытка одной формы, которая постепенно, за счет асимметрического автокатализа, становится доминирующей.

Тут хочется сразу воскликнуть, что секрет хиральности жизни раскрыт — ведь Кенсо Соаи прямо продемонстрировал, как она может возникать. Однако это было бы сильным преувеличением.

• Во-первых, сама по себе эта реакция не имеет никакого отношения к природным соединениям — в естественной среде нет ничего похожего на металорганические соединения цинка, которые там используются.
• Во-вторых, реакция Соаи, хотя и вошла в учебники органической химии, остается одиноким примером автокаталитической асимметрической реакции.
• В-третьих, и это удивительно, до сих пор не вполне ясно, за счет чего и как именно происходит асимметричный катализ в этом случае. Предложено множество гипотез, но окончательного ответа нет. Как нет и понимания, можно ли принципы, лежащие в таком автокатализе, перенести в природу.

Биохимики давно исследуют зеркальные изомеры основных природных мономеров вроде аминокислот, нуклеотидов и сахаров чтобы попытаться найти среди них автокаталитические процессы, способные приводить, пусть и с меньшей эффективностью, к таким же результатам. Находки есть, но пока не вполне определенные и обычно на более поздних стадиях, чем само возникновение хиральности. Например, недавно был обнаружен способ, каким аминокислоты могут катализировать реакцию соединения нуклеотидов в короткие фрагменты РНК (подробнее можно об этом узнать здесь).

Плохие новости заключаются в том, что жизнь, какой мы ее знаем, возникла только однажды — около трех с половиной миллиардов лет назад. Мы можем только предполагать, как именно это произошло, но никогда не докажем, что даже лучшая гипотеза соответствует реальности, следов от которой не осталось. Такие открытия, как автокаталитическая реакция Соаи, могут только помочь такие гипотезы выдвигать. Но истинный ответ мы вряд ли когда-либо узнаем.