نوبل شیمی به سمت واکنش هایی مانند واکنش هایی می رود که به زندگی کمک می کند
تغییر دست مولکولی پیامدهایی برای منشا حیات دارد.
تغییر دست مولکولی پیامدهایی برای منشا حیات دارد.
این مولکول می تواند کایرال های متفاوتی بر اساس نحوه ترتیب پیوندهایش داشته باشد.
زندگی به طرز چشمگیری انتخابی است. زندگی متکی به مولکول های زیادی است که به آن «دست بودن» می گویند - آنها از نظر شیمیایی یکسان هستند اما تصاویر آینه ای از یکدیگر هستند. اکثر واکنش های شیمیایی ترکیبی 50-50 از شکل چپ و راست یک ماده شیمیایی را ایجاد می کنند، اما زندگی فقط از یکی از آنها استفاده می کند. در واقع، به دلیل تفاوت‌های بین مواد شیمیایی چپ‌دست و راست‌دست، بیشتر آنزیم‌های کلیدی مورد استفاده ارگانیسم‌ها در صورت ارائه مواد شیمیایی با دست نادرست، کار نمی‌کنند.
این امر کمی چالش برانگیز برای تحقیقات منشأ حیات است، زیرا ما مجبور هستیم توضیح دهیم که چگونه جهانی که ممکن است با ترکیبی از مواد شیمیایی چپ و راست آغاز شده باشد، موجوداتی تولید کرد که فقط از یکی از آنها استفاده می کردند.
جایزه نوبل شیمی امروز به دو نفر به نام‌های هنری کاگان و کنسو سوآی تعلق می‌گیرد که دریافتند واکنش‌های شیمیایی می‌تواند مغرضانه باشد و باعث تولید بیش از حد یکی از دو شکل یک ماده شیمیایی شود.
اصطلاح فنی برای دست مولکولی «کایرالیته» است و دانشمندان راست و چپ را با دکسترو (D) و لوو (L) جایگزین می‌کنند. اما ایده ها تا حد زیادی یکسان است. دستان شما همه اجزای یکسانی دارند - انگشتان دست و شست - به یک شکل سازماندهی شده اند. با این حال، اگر انگشت شست خود را به سمت بالا بگیرید، انگشتان در جهت مخالف خم می شوند و یکی از آنها به آینه تبدیل می شودتصویر دیگری بسته به آرایش پیوندهای شیمیایی، بسیاری از مولکول‌ها می‌توانند شکل‌های آینه‌ای مشابهی را تشکیل دهند، با تمام قسمت‌های یکسانی که جهت‌گیری کمی در فضا دارند.
(برای علاقه‌مندان به خوانندگان: اتم‌های کربن دارای چهار مکان بالقوه هستند که می‌توانند پیوند ایجاد کنند و به طور یکنواخت در سطح کره اتم پخش شوند. اگر هر یک از این مکان‌ها به ماده شیمیایی متفاوتی مرتبط باشد، تعویض مواد شیمیایی موجود در هر دو از آنها به طور بالقوه می‌تواند نحوه چیدمان آن در فضای سه بعدی را تغییر دهد.)
وقتی صحبت از آنزیم‌ها می‌شود، این موضوع واقعاً می‌تواند اهمیت داشته باشد، که معمولاً با استفاده از مکان‌های اتصالی که توسط تکامل ساخته شده‌اند و فقط با آن ماده شیمیایی و خویشاوندان نزدیکش مطابقت دارند، روی مواد شیمیایی می‌چسبند. سعی کنید آنزیم را با نسخه آینه ای همان ماده شیمیایی تغذیه کنید، و اغلب با محل اتصال مطابقت نمی کند. از آنجایی که زندگی از چیزی جز قندهای D استفاده نمی‌کند، تمام آنزیم‌های آن برای چسباندن به آنها بهینه‌سازی شده‌اند و بسیاری از آنها اصلاً نمی‌توانند با شکل L تعامل داشته باشند.
دو راه وجود دارد که ممکن است این اتفاق بیفتد. زندگی اول ممکن است در مورد واکنش‌هایی که کاتالیز می‌کرد سختگیر نبود و فقط ترجیحات کایرالیتی را به آرامی تغییر داد. یا زندگی می توانست در محیطی تکامل یافته باشد که یک فرم کایرال غالب باشد. یا ترکیبی از این دو وجود داشت. اما هر یک از دو مورد اخیر به سادگی این سوال را کمی عقب می اندازد: چگونه شیمی می تواند محیطی ایجاد کند که در آن یک فرم کایرال غالب باشد؟
در طول سال ها، تعدادی ایده در مورد چگونگی وقوع این اتفاق وجود داشته است.بسیاری از آنها به فیزیکدانی به نام فردریک چارلز فرانک بازمی‌گردند که در مقاله‌ای بدون داده و تئوری متمرکز به این موضوع پرداخت. (از نوشته کمیته جایزه نوبل مشخص است که اگر فرانک هنوز زنده بود، ممکن بود در این جایزه سهیم شود.) یک گزینه این است که یک کاتالیزور با ترجیح جزئی برای تشکیل یک مولکول D یا L می تواند در طول زمان، مقدار زیادی از آن شکل را تولید کند. مورد دیگر این است که یک محصول واکنش کایرال خود می تواند به عنوان یک کاتالیزور برای تشکیل بیشتر همان شکل عمل کند. یا محصول واکنش کایرال می تواند از تشکیل شکل آینه ای آن جلوگیری کند.
بسیاری از واکنش های شیمیایی به تعادل می رسند و نقطه ای را پیدا می کنند که در آن واکنش های رو به جلو و معکوس با سرعت های مشابه رخ می دهد. اگر واکنش معکوس نسبت به کایرال بی‌تفاوت باشد، اما واکنش رو به جلو تحت تأثیر یکی از عوامل بالا باشد، آنگاه زمان به این امکان اجازه می‌دهد که مازاد زیادی از یک شکل کایرال ایجاد کند.
با این حال، همه اینها فرضی بودند، تا زمانی که محققان مورد تقدیر قرار گرفتند. هانری کاگان از دانشگاه پاریس-سود نیز بسیار تئوریک به کار خود نزدیک شد و عواملی را توصیف کرد که برای ایجاد واکنش‌هایی که به نفع یک کایرالیسم منفرد مورد نیاز هستند. اما در چندین مورد، او توانست بیرون برود و واکنش های شیمیایی واقعی را بیابد که نشان می داد ایده های او در دنیای واقعی اهمیت دارند.
کاگان با کاتالیزوری کار می کرد که خود کایرال بود. او دریافت که در ترکیبی از نسخه‌های L و D کاتالیزور خود، یکی از فرم‌ها بسیار فعال‌تر از دیگری است. در حالی که فرم هاممکن است در همان سطح وجود داشته باشد، بیشتر کاتالیز واقعی تنها توسط یکی از آنها انجام شده است. و اگر از آن برای کاتالیز واکنشی استفاده شود که یک محصول کایرال تولید می کند، این تفاوت می تواند منجر به سطوح بسیار بالاتری از یک کایرالیته شود.
در اواسط دهه 1960، کاگان سه واکنش متفاوت را پیدا کرد که می‌توانست بیش از حد یک فرم کایرال را ایجاد کند. سایر محققانی که ایده‌های او را دنبال کردند نشان دادند که کاتالیزورهای کایرال نیز می‌توانند به طور انتخابی با افزودن مواد شیمیایی غیر کایرال فعال یا مهار شوند، که اجازه می‌دهد تا درجه کنترل دقیق‌تری به تولید داروها راه پیدا کند.
حدود یک دهه بعد، کنزو سوآی از دانشگاه علوم توکیو روی واکنش‌هایی کار می‌کرد که در آن یکی از محصولات واکنش به عنوان کاتالیزوری برای تقویت همان واکنش عمل می‌کرد. در نهایت، او یکی را پیدا کرد که برای کایرال انتخاب شده بود. یک شکل از محصول واکنش تشکیل مولکول‌های بیشتری با همان کایرالیته را کاتالیز می‌کند. او واکنش را با مقدار کمی بیش از یک شکل از کاتالیزور شروع کرد و دریافت که پس از یک دور واکنش، مازاد در کاتالیزور به 55 درصد افزایش یافته است. استفاده از آن به عنوان یک کاتالیزور برای دور جدیدی از واکنش ها، مازاد را بیشتر افزایش می دهد. پس از چندین دور، 90 درصد محصولات یک کایرال بودند.
در نهایت، Soai شرایطی را پیدا کرد که در آن یک محصول نه تنها تشکیل تعداد بیشتری از همان شکل را کاتالیز می‌کند، بلکه از تشکیل کایرالیته مخالف نیز جلوگیری می‌کند. این به او اجازه داد تا شروع کندمقدار کمی از یک فرم کایرال منفرد (0.00005 درصد بیشتر) و پس از چند دور واکنش، مازاد بر آن را به بیش از 99 درصد می رساند.
دیگران بعداً شرایطی را یافتند که در آن واکنش مشابهی که به تعادل واکنش‌های رو به جلو و عقب می‌رسید، به تدریج منجر به غالب شدن یک فرم کایرال منفرد می‌شد.
سه جنبه مختلف از این اثر وجود دارد که ارزش تجلیل دارد. یکی این است که علم صرفاً عالی است. مردم از طریق راه هایی استدلال می کردند که بیش از حد یک شکل کایرال می تواند پدیدار شود، و سپس دیگران راه هایی برای نشان دادن اینکه این رفتار در دنیای واقعی رخ داده است پیدا کردند. مورد دوم این است که کاربردهای عملی بسیار زیادی دارد. بسیاری از داروهای ما به این دلیل کار می کنند که با پروتئین ها تعامل دارند، جایی که کایرالیته اغلب اهمیت دارد. و نمونه های زیادی از داروها وجود دارد که در آنها شکل نادرست کایرال می تواند غیرفعال یا مضر باشد. بنابراین یافتن راه‌های جدید برای کاتالیز کردن تولید فرم‌های کایرال خاص، کاربرد زیادی دارد.
اما نکته نهایی به منشا زندگی باز می گردد. هیچ یک از این واکنش‌ها با چیزی که نزدیک به یک مولکول زیستی مرتبط است نشان داده نشد، بنابراین واضح نیست که این کار خاص مستقیماً به منشا حیات مرتبط باشد. اما نشان می‌دهد که افراط‌های کوچک برخی از اشکال کایرال - کوچک‌تر از ۹۰ درصدی که در این کار دیده می‌شود، اما همچنان قابل توجه است - ممکن است در دنیای طبیعی رایج باشد.
تفکر فعلی این است که آن تفاوت های کوچک تعیین کننده نبودند، اما به پیشبرد پیدایش زندگی در مسیری کمک کردند که در نهایت منجر بهشیمی انحصاری که اکنون می بینیم.
جان ویراستار علمی Ars Technica است. او دارای لیسانس هنر در بیوشیمی از دانشگاه کلمبیا و دکترا است. در زیست شناسی مولکولی و سلولی از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی. هنگامی که از نظر فیزیکی از صفحه کلید خود جدا می شود، تمایل دارد به دنبال یک دوچرخه یا مکانی خوش منظره برای برقراری ارتباط با کفش های پیاده روی خود باشد.