TLDR: Letošní Nobelovku získali Henri B. Kagan & Kenso Soai za objevy nelineárního efektu a autokatalýzy při syntéze asymetrických organických látek. Jejich práce ukázala, jak může nepatrná převaha jedné „ruky“ molekuly narůst až téměř k úplné homochiralitě. Víc tuna.

Letošní Nobelovka za chemii má postup jednoduchý asi jako manuál k japonské televizi – ale jenom, pokud se budeme držet původních slovíček. Pokusíme si je proto vysvětlit po lopatičkách…

Začneme u chirality jako takové. Když postavíme před zrcadlo třeba obyčejnou krychli, bude její odraz v zrcadle stejný. Ale když se podíváme na naše ruce, jsou si velmi podobné – nejsou ale identické. Ať už je budete natáčet jakkoli, z levé pravou neuděláte!

A tenhle rozdíl můžeme pozorovat i v molekulách! Ty, které lze se svým zrcadlovým obrazem dokonale překrýt, se nazývají achirální. Ty, jejichž zrcadlové obrazy na sebe napasovat nejdou, jsou chirální. Jejich dvě zrcadlové varianty nazýváme enantiomery – molekulární levou a pravou rukou…

„A proč nás má zajímat, kterou ruku molekula má?“

Protože biologický svět je sám chirální jak sviňa. Proteiny, enzymy nebo receptory mají konkrétní trojrozměrné tvary, takže dvě jinak chemicky téměř stejné zrcadlové molekuly se do nich nemusí vejít stejně. Jedna může krásně zapadnout, druhá vůbec – nebo může způsobovat jiný efekt.

Chiralitu nechvalně proslavil thalidomid, který se od konce 50. let podával mimo jiné těhotným ženám proti nevolnosti a vedl k tisícům případů závažných vývojových vad. To není kombinace, kterou od léčiva chcete – odlišení obou forem molekul je proto zcela zásadní!

Právě tahle katastrofa velmi názorně ukázala, proč chemiky zajímá, který enantiomer vlastně vyrábějí…

„Proč prostě nevyrobíme na mašině jen jeden?“

Protože chemické prostředí samo od sebe obvykle nemá důvod jednu zrcadlovou variantu preferovat. Pokud tedy syntetizujete chirální molekulu z achirálních látek bez nějakého dalšího triku, snadno skončíte s takzvaným racemátem – zhruba půl na půl obou enantiomerů.

Chemici proto desítky let vyvíjeli asymetrickou syntézu – reakce, které dokážou výrobu naklonit ve prospěch jedné ruky. A právě tady přichází na scénu Henri B. Kagan!

V roce 1986 Kagan a jeho kolegové ukázali něco překvapivého – totiž, že mezi chirální čistotou katalyzátoru a produktu nemusí být jednoduchý lineární vztah. Malá změna ve složení katalyzátoru může vyvolat mnohem větší změnu v poměru výsledných enantiomerů. Tzv. nelineární efekt chemikům nejen pomohl pochopit mechanismy asymetrických reakcí, ale také ukázal cestu, jak malou počáteční nerovnováhu výrazně zesílit.

„A co udělal ten druhej?“

Kenso Soai na výzkumnou otázku zaútočil z jiného směru. Co kdyby produkt reakce zároveň fungoval jako katalyzátor výroby sebe sama – a navíc preferoval svoji vlastní zrcadlovou podobu?

V roce 1995 jeho tým popsal slavnou Soaiovu reakci. Začal jen s dvouprocentní převahou jednoho enantiomeru, ale autokatalytická reakce ji zesílila až na 87 %. Molekula tedy vznikala – a jakmile jí bylo o trochu víc než jejího zrcadlového dvojčete, začala sama podporovat vznik dalších kopií své vlastní „ruky“.

A tím Soai neskončil. V roce 2003 jeho tým ukázal, že lze vyjít z naprosto miniaturní počáteční asymetrie kolem 0,00005 % a opakovanou autokatalýzou ji vytáhnout nad 99,5 % enantiomerního přebytku. V dalších variantách může jeden enantiomer nakonec představovat prakticky celý produkt.

Jinými slovy, na začátku může o vítězné molekulární „ruce“ rozhodnout téměř náhodný mikroskopický rozdíl – a reakce jej pak sama zesílí.

„No a je to k něčemu mimo výrobu léků?“

Taky! Život na Zemi je totiž nápadně homochirální. Proteiny používají téměř výhradně L-aminokyseliny, zatímco cukry v DNA a RNA mají opačnou preferovanou konfiguraci. Proč si pradávná chemie vybrala právě jednu z obou možností – a jak se zanedbatelná počáteční nerovnováha mohla rozšířit na celý živý svět – patří k velkým otázkám vzniku života.

Díky čerstvým nobelistům můžeme lépe chápat procesy vzniku života, protože v přírodě jsou některé látky buď levotočivé, nebo pravotočivé. A hlavně díky nim umíme vyrábět látky včetně léků, jejichž vlastnosti máme pod kontrolu!

[Ladislav Loukota]

Vědátor vznikl jako spinoff spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd, dnes jej provozuje spolek Hyperion Media. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – kontaktní mail je [email protected]