От «первичного бульона» до лекарств нового поколения: как изучение хиральности привело к Нобелевской премии по химии

Многие молекулы существуют в двух формах, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их химический состав идентичен, но пространственное строение различается. Самый понятный пример — правая и левая ладони: выглядят одинаково, но если наложить одну на другую — совместить их не получится. В химии молекулы также делят на «праворукие» и «леворукие». Такое свойство называют хиральностью. 

Хиральная асимметрия — явление, волновавшее химиков столетиями. За ним скрывается фундаментальный вопрос происхождения жизни: все живые организмы состоят исключительно из «леворуких» аминокислот — «праворукие» молекулы редко встречаются в природе. Почему при условиях, где существуют зеркальные формы, развитие получила лишь одна из этих форм? 

Вопрос имеет и практическое значимость. Хиральность влияет не только на внешний вид молекулы, но и на ее свойства. Например, в фармацевтике: у многих лекарств биологической активностью обладает только один из двух зеркальных изомеров, а второй может быть менее активным или иметь другое действие. Проблема в том, что создать молекулы с исключительно правильным направлением не выходит — всегда получается вещество, где 50% «левых» молекул и 50% «правых». 

Это объясняет, почему препараты с одним и тем же составом продаются по разной стоимости: важны не только компоненты лекарства, но и количество молекул с необходимой для действенности направленностью. Чем больше фармацевтам нужно отобрать правильных молекул, тем дороже производство лекарства, как следствие, выше цена для конечного потребителя. 

Работы Анри Кагану и Кенсо Соаи помогли раскрыть возможный механизм хиральной природы. Суть открытия заключается в двух связанных явлениях.

Первым шагом стало открытие нелинейных эффектов. В 1986 году Анри Каган обнаружил, что катализатор — вещество, ускоряющее реакцию, — может содержать примесь своей зеркальной формы, но при этом давать продукт почти исключительно в одной нужной форме. Ранее считалось, что чем больше такой примеси в катализаторе, тем больше будет «неправильных» молекул в готовом продукте. Однако оказалось, что реакция способна усиливать перевес в пользу нужной формы. Этот эффект назвали асимметричным усилением. 

Кенсо Соаи дополнил эту картину открытием асимметричного автокатализа. Ученый описал реакцию, в которой образующиеся молекулы помогают создавать новые молекулы той же зеркальной формы. Если в начале одна форма хотя бы немного преобладает над другой, в ходе реакции ее преимущество многократно усиливается. Это позволяет получать вещества с очень высоким содержанием нужной зеркальной формы и минимальной примесью другой. 

«Это открытие имеет огромное значение как для фундаментальной науки, так и для практики. Во-первых, для объяснения происхождения жизни — открытие предлагает химический механизм, объясняющий, как в исходно симметричной смеси зеркальных молекул могло возникнуть преимущественное использование одной формы. Автокатализ Соаи — одна из работающих моделей спонтанного нарушения зеркальной симметрии. Во-вторых, работы лауреатов критически важны для фармацевтики. Оно дает инструменты для селективного синтеза именно нужной формы и получения высокочистых продуктов», — прокомментировала открытия Екатерина Скорб, доктор химических наук, директор мегафакультета наук о жизни, директор научно-образовательного центра инфохимии ИТМО.

В СССР фундамент изучения вопроса о хиральности органических молекул заложил Александр Опарин — советский биолог и биохимик, академик АН СССР. Он выдвинул гипотезу, согласно которой жизнь возникла постепенно, через химическую эволюцию углеродных соединений в «первичном бульоне». В дальнейшем происхождение гомохиральности превратилось в самостоятельное направление для советских и российских ученых. В нем затрагиваются вопросы нарушения зеркальной симметрии, химической эволюции и роли хиральной чистоты в функционировании биологических молекул. 

«Сегодня в научно-образовательном центре инфохимии Университета ИТМО изучают химические процессы, которые могли привести к появлению жизни. Для этого ученые используют методы теории информации: они помогают оценивать сложность химических систем и изучать, как в них может возникать упорядоченность. Такой подход уже применили для сравнения 18 аминокислот. Он не объясняет напрямую, почему в живых организмах преобладает одна из двух зеркальных форм молекул, но дает инструменты для изучения смесей, подобных «первичному бульону», в котором могла зародиться жизнь. Также исследователи ИТМО изучают реакции внутри коацерватов — капель, в которых концентрируются химические вещества», — рассказала Екатерина Скорб.

Также в ИТМО исследуют, как хиральность возникает и проявляется у наноматериалов, как разделять хиральные наночастицы и управлять их оптическим откликом. Это взаимосвязанные направления, но конкретные механизмы в них различаются.