نوبل شیمی ۲۰۲۶ بابت حل معمای مولکول‌های آینه‌ای به دو دانشمند از ژاپن و فرانسه رسید

دبیر بخش تکنولوژی

دستاورد این دو دانشمند به شیمیدانان کمک می‌کند واکنش‌هایی طراحی کنند که با دقت بیشتری شکل موردنظر یک مولکول را بسازند.

جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۶ به «هنری بی. کاگان» از فرانسه و «کنسو سوآی» از ژاپن رسید؛ دو شیمیدانی که نشان دادند در دنیای مولکول‌ها، یک عدم‌تعادل بسیار کوچک می‌تواند به نتیجه‌ای بسیار بزرگ تبدیل شود. دستاورد آن‌ها به حل یک مسئله مهم در شیمی مربوط می‌شود: بعضی مولکول‌ها دو شکل آینه‌ای دارند که از نظر ساختار بسیار شبیه‌ هستند، اما می‌توانند رفتار متفاوتی داشته باشند. چالش اصلی این بود که چگونه می‌توان یک واکنش شیمیایی را طوری هدایت کرد که بیشتر یکی از این دو شکل را تولید کند.

چرا چپ و راست بودن مولکول‌ها این‌قدر مهم است؟

برای فهم موضوع، کافی است به دست‌های خود نگاه کنیم. دست راست و چپ شبیه هم هستند، اما نمی‌توان آنها را دقیقاً روی هم منطبق کرد. بعضی مولکول‌ها هم همین ویژگی را دارند. دو شکل آنها از نظر ترکیب شیمیایی یکسان، اما آرایش فضایی‌شان مثل تصویر آینه‌ای یکدیگر است. شیمیدانان به این ویژگی کایرالیته و به این دو شکل انانتیومر می‌گویند.

این تفاوت شاید در نگاه اول ناچیز به‌نظر برسد، اما در بدن می‌تواند نتیجه کاملاً متفاوتی ایجاد کند. سلول‌ها، آنزیم‌ها و گیرنده‌های بدن فقط به ترکیب شیمیایی یک مولکول توجه نمی‌کنند، شکل سه‌بعدی آن نیز برایشان مهم است. به‌همین‌دلیل، دو شکل آینه‌ای از یک مولکول ممکن است با وجود فرمول یکسان، رفتار یکسانی در بدن نداشته باشند. یکی می‌تواند اثر درمانی مطلوبی داشته باشد، درحالی‌که دیگری اثر کمتری نشان دهد، بی‌اثر باشد یا حتی پیامد نامطلوبی ایجاد کند. بنابراین، در تولید داروها، مواد معطر، طعم‌دهنده‌ها و مواد شیمیایی کشاورزی، اینکه کدام شکل از مولکول ساخته شود اهمیت زیادی دارد.

نکته جالب‌تر این است که خود حیات هم از میان این دو شکل آینه‌ای، معمولاً یکی را ترجیح می‌دهد. به‌عنوان مثال، پروتئین‌های موجودات زنده عمدتاً از آمینواسیدهایی با یک جهت مشخص ساخته شده‌اند و قندهای موجود در DNA و RNA هم جهت معینی دارند. به این ویژگی هموکایرالیته گفته می‌شود. اما در آزمایشگاه، اگر مولکول‌های کایرال را بدون هیچ عامل هدایت‌کننده‌ای بسازیم، معمولاً هر دو شکل آینه‌ای تقریباً به یک اندازه تولید می‌شوند. همین تفاوت میان آنچه در آزمایشگاه اتفاق می‌افتد و انتخاب مشخصی که در موجودات زنده می‌بینیم، سال‌ها یکی از پرسش‌های مهم شیمی بوده است.

در سال ۱۹۵۳، «چارلز فرانک» مدلی ریاضی پیشنهاد کرد تا توضیح دهد چگونه ممکن است یکی از دو شکل آینه‌ای بر دیگری غلبه کند. ایده او این بود که اگر یکی از این دو شکل بتواند به تولید بیشتر خودش کمک کند و هم‌زمان تشکیل شکل مقابل را کاهش دهد، حتی یک تفاوت بسیار کوچک در ابتدای واکنش می‌تواند کم‌کم بزرگ شود و درنهایت یکی از دو شکل را به شکل غالب تبدیل کند. اما در آن زمان این فقط یک پیش‌بینی نظری بود و باید در آزمایشگاه نشان داده می‌شد که چنین فرایندی واقعاً می‌تواند رخ دهد.

از اثر غیرخطی کاگان تا واکنشی که خودش را تقویت می‌کند

هنری کاگان در دهه ۱۹۸۰ نشان داد که وقتی شیمیدان‌ها می‌خواهند یکی از دو شکل آینه‌ای یک مولکول را بیشتر تولید کنند، نتیجه همیشه به سادگی قابل پیش‌بینی نیست. تا آن زمان تصور می‌شد اگر کاتالیزور فقط کمی به تولید یکی از دو شکل آینه‌ای کمک بیشتری کند، در محصول نهایی نیز فقط کمی از همان شکل بیشتر خواهیم داشت. اما کاگان نشان داد این برتری کوچک می‌تواند در جریان واکنش چند برابر شود و درنهایت مقدار یکی از دو شکل بسیار بیشتر از دیگری باشد.

دلیلش این بود که همه شکل‌های کاتالیزور به یک اندازه فعال نیستند. بعضی از آن‌ها واکنش را سریع‌تر پیش می‌برند و بعضی کندتر هستند. درنتیجه، شکلی که از ابتدا کمی بیشتر است، می‌تواند اثر بیشتری روی مسیر واکنش بگذارد. به این پدیده اثر غیرخطی گفته شد.

کنسو سوآی قدم بعدی را برداشت. او واکنشی پیدا کرد که در آن محصول فقط نتیجه واکنش نبود، بلکه خودش هم به ساخته‌شدن بیشترِهمان محصول کمک می‌کرد. به این فرایند خودکاتالیزی می‌گویند.

نکته شگفت‌انگیز این بود که حتی یک اختلاف بسیار کوچک در شروع واکنش می‌توانست بارها تقویت شود. در یکی از آزمایش‌ها، برتری اولیه فقط حدود ۰٫۰۰۰۰۵ درصد بود، اما بعد از چند مرحله یکی از دو شکل با خلوص بیش از ۹۹٫۵ درصد به‌دست آمد. یعنی تفاوتی که در ابتدا تقریباً دیده نمی‌شد، در پایان تقریباً به غلبه کامل یکی از دو شکل تبدیل شد.

کار سوآی نشان داد برای اینکه یکی از دو شکل آینه‌ای غالب شود، لازم نیست از همان ابتدا اختلاف بزرگی وجود داشته باشد. گاهی یک تفاوت بسیار کوچک، اگر در شرایط مناسب قرار بگیرد، می‌تواند آن‌قدر تقویت شود که مسیر کل واکنش را عوض کند.

البته این آزمایش به‌تنهایی توضیح نمی‌دهد که چرا مولکول‌های حیات روی زمین بیشتر یک جهت مشخص دارند، اما نشان داد چنین فرایندی از نظر شیمیایی امکان‌پذیر است. اهمیت این دستاورد فقط به این پرسش بنیادی محدود نمی‌شود؛ شناخت بهتر این رفتارها به شیمیدانان کمک می‌کند واکنش‌هایی طراحی کنند که با دقت بیشتری شکل موردنظر یک مولکول را تولید کنند. این موضوع به‌ویژه در ساخت داروها، مواد شیمیایی کشاورزی و ترکیبات صنعتی اهمیت دارد؛ جایی که تولید شکل درست یک مولکول می‌تواند هم کیفیت محصول را بالا ببرد و هم از تولید مواد ناخواسته و اتلاف مواد اولیه کم کند.