Giải Nobel Hóa học 2026 vinh danh phản ứng khiến phân tử chỉ chọn một ảnh gương

Mọi protein trong cơ thể bạn đều được cấu tạo từ các axit amin thuận tay trái, nhưng khi các nhà hóa học tổng hợp những phân tử đó trong bình phản ứng, họ thu được cả hai dạng trái và phải với số lượng bằng nhau. Henri B. Kagan và Kenso Soai đã chỉ ra cách một phản ứng có thể phá vỡ thế cân bằng đó, cho phép một lượng nhỏ vượt trội của một dạng ảnh phản chiếu được khuếch đại cho đến khi nó chiếm gần như hoàn toàn. Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã trao cho họ Giải Nobel Hóa học vì điều này, và công trình hiện là nền tảng cho cách các nhà sản xuất thuốc theo đuổi dạng đúng của một loại dược phẩm.

Nhiều phân tử tồn tại ở hai dạng là ảnh phản chiếu của nhau, giống như tay trái và tay phải. Các nhà hóa học gọi những phân tử như vậy là chiral, và hai dạng đó là enantiomer. Chúng chứa cùng các nguyên tử liên kết theo cùng thứ tự, nhưng không khớp với cùng các ổ khóa sinh học, vì vậy một dạng của thuốc có thể chữa bệnh trong khi dạng song sinh của nó không làm gì hoặc gây hại. Sự sống là thứ mà các nhà hóa học gọi là đồng nhất thủ tính (homochiral): nó chỉ sử dụng một tay của các axit amin và một tay của đường trong DNA, và chưa ai giải thích đầy đủ tại sao nó lại như vậy.

Kagan, một nhà hóa học người Pháp tại Université Paris-Sud (cũ), và Soai, một nhà hóa học người Nhật tại Tokyo University of Science, được vinh danh “vì phát hiện ra các hiệu ứng phi tuyến tính và tự xúc tác trong tổng hợp hữu cơ bất đối xứng.” Họ chia đều 12 triệu kronor Thụy Điển. “Henri Kagan và Kenso Soai đã đưa ra giải pháp cho một bí ẩn hóa học đã tồn tại hơn một thế kỷ: làm thế nào tính đồng nhất thủ tính có thể xuất hiện một cách tự phát. Các phản ứng hóa học mà họ phát triển thật ngoạn mục,” Heiner Linke, chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, cho biết.

Câu đố mà một nhà vật lý đặt ra cho các nhà hóa học

Ủy ban Nobel truy ngược giải thưởng về Louis Pasteur, người đã phân loại các tinh thể axit tartaric bằng nhíp dưới kính hiển vi và tìm thấy hai dạng ảnh phản chiếu làm lệch ánh sáng phân cực theo hai hướng ngược nhau. Sau đó ông nhận thấy vi khuẩn chỉ lên men một trong hai dạng. Đó là gợi ý đầu tiên cho thấy hóa học của sự sống có sự thiên vị.

Hóa học thông thường thì không. Một phản ứng có thể tạo ra cả hai dạng ảnh phản chiếu, nếu để tự nhiên, sẽ tạo ra hỗn hợp 50-50, mà các nhà hóa học gọi là racemate. Thủ thuật để tạo ra nhiều hơn một tay là chất xúc tác chiral, một chất phụ trợ không bị tiêu hao và định hướng phản ứng về một dạng. Những nỗ lực ban đầu chỉ tạo ra độ lệch rất nhỏ.

Sau đó, nhà vật lý lý thuyết người Anh Charles Frank, tại Đại học Bristol, đã phác họa trên giấy những gì một phản ứng cần để đẩy hỗn hợp hoàn toàn về một tay. Nó cần một chất xúc tác chiral, một cách để tăng cường một dạng ảnh phản chiếu trong khi kìm hãm dạng kia, và một sản phẩm tự xúc tác cho sự hình thành của chính nó, một tính chất gọi là tự xúc tác. Frank kết thúc bài báo ngắn của mình bằng cách lưu ý rằng việc trình diễn trong phòng thí nghiệm không phải là không thể. Trong nhiều thập kỷ, không ai làm được, và vấn đề trở thành một câu đố trong lớp học.

Cách họ thực hiện

Kagan tấn công điều kiện thứ hai của Frank bằng cách đặt một câu hỏi mà chưa ai từng bận tâm. Các nhà hóa học cho rằng độ tinh khiết của sản phẩm chỉ đơn giản phản ánh độ tinh khiết của chất xúc tác: đưa vào một chất xúc tác có 50% một tay, bạn sẽ thu được sản phẩm với độ lệch bằng khoảng một nửa so với chất xúc tác tinh khiết. Kagan nghi ngờ rằng kim loại ở trung tâm của các chất xúc tác này bắt giữ ít nhất hai phân tử chiral cùng lúc, điều này sẽ tạo ra ba loại chất xúc tác: trái-trái, phải-phải và một cặp trái-phải hỗn hợp.

Nếu cặp hỗn hợp hoạt động chậm hơn các cặp đồng nhất, nó sẽ âm thầm hấp thụ tay thiểu số và để các chất xúc tác đa số làm hầu hết công việc. Nhóm của ông đã thử nghiệm ba phản ứng và tìm thấy chính xác kiểu phá vỡ đường thẳng đó. Trong một phản ứng, một phản ứng oxy hóa được sử dụng rộng rãi do Barry Sharpless phát triển, sản phẩm ra đời tinh khiết hơn chất xúc tác tạo ra nó. Các nhà hóa học đặt tên hiện tượng này là hiệu ứng phi tuyến tính, và nó lan nhanh. Trong một phản ứng kẽm liên quan được nghiên cứu bởi Ryoji Noyori, một chất xúc tác chỉ giàu 15% một tay đã tạo ra sản phẩm giàu 98%.

Soai theo đuổi điều kiện cuối cùng của Frank, tự xúc tác. Làm việc trên các phản ứng thêm hợp chất kẽm vào aldehyde, ông nhận thấy sản phẩm trông rất giống chất xúc tác và tự hỏi liệu sản phẩm có thể trở thành chất xúc tác của chính nó hay không. Phản ứng tự sao chép đầu tiên của ông đã tự sao chép, nhưng độ tinh khiết giảm dần qua mỗi vòng: chất xúc tác giàu 86% tạo ra sản phẩm chỉ giàu 35%.

Bước đột phá đến với một rượu pyrimidine, một phân tử được xây dựng xung quanh một vòng carbon và nitơ hình thành khi một hợp chất kẽm gọi là diisopropylzinc phản ứng với một aldehyde tương ứng. Một chất xúc tác làm từ một mẻ rượu đó chỉ với 5% dư thừa một tay đã tạo ra rượu mới với 55% dư thừa. Đưa trở lại, sản phẩm đó trở thành chất xúc tác cho vòng tiếp theo, đạt 87%, và sau năm vòng độ tinh khiết ổn định ở khoảng 90%. Một phiên bản tinh chỉnh sau đó đã lấy một mẫu có độ chênh lệch chỉ 0,00005% và đẩy nó lên trên 99,5% trong ba vòng, một sự khuếch đại tỷ lệ giữa hai tay lên hệ số 630.000. Hóa học tự sao chép khuếch đại này hiện được gọi là phản ứng Soai.

Một lần tung đồng xu chọn bên

Lần chạy ấn tượng nhất không sử dụng bất kỳ thành phần chiral nào. Nhóm của Soai bắt đầu từ các phân tử không có thủ tính và để phản ứng diễn ra. Các biến động ngẫu nhiên luôn để một tay dẫn trước rất nhẹ, và phản ứng Soai đủ nhạy để nắm bắt phần nhỏ đó và khuếch đại nó. Trong một loạt 37 thí nghiệm, 18 kết thúc với một tay chiếm ưu thế và 19 với tay kia, với độ tinh khiết từ 15 đến 91 phần trăm. Daniel Singleton, làm việc độc lập tại Hoa Kỳ, đã chỉ ra sự phá vỡ đối xứng tương tự.

Kết quả đó trông rất giống những gì Trái Đất sơ khai cần: một phản ứng chọn bên một cách ngẫu nhiên và sau đó khóa chặt nó. Ủy ban Nobel gọi đây là thí nghiệm phòng thí nghiệm đầu tiên xác nhận mô hình của Frank mà không có bất kỳ ảnh hưởng chiral bên ngoài nào, và là lần đầu tiên kể từ buổi bình minh của sự sống mà ai đó tạo ra thủ tính từ một hỗn hợp các phân tử không có thủ tính.

Tại sao tủ thuốc của bạn quan tâm

Thảm họa thalidomide đầu những năm 1960, khi một loại thuốc an thần gây dị tật bẩm sinh nghiêm trọng cho hàng nghìn trẻ em, đã khiến các nhà sản xuất thuốc nhận thức sâu sắc rằng hai tay của một phân tử có thể hoạt động rất khác nhau trong cơ thể. Các nhà điều tra sau đó kết luận rằng dạng ảnh phản chiếu của thuốc là nguyên nhân gây hại, mặc dù cơ thể chuyển đổi một dạng thalidomide thành dạng kia, vì vậy ngay cả một liều tinh khiết cũng không an toàn. Ngày nay, các cơ quan quản lý yêu cầu các công ty phải biết dạng nào của thuốc chiral họ đang bán và dạng kia làm gì.

Các hiệu ứng phi tuyến tính của Kagan đã trở thành một công cụ chẩn đoán hàng ngày. Nếu một phản ứng hoạt động phi tuyến, điều đó cho các nhà hóa học biết có bao nhiêu mảnh chiral tụ tập quanh chất xúc tác, giúp họ thiết kế lại quy trình để có sản phẩm tinh khiết hơn. Ủy ban liệt kê dược phẩm, hương liệu, mùi thơm, hóa chất nông nghiệp và một số vật liệu mới trong số các ngành công nghiệp phụ thuộc vào điều này. Nhóm của Erick Carreira đã sử dụng một bước tự xúc tác bất đối xứng để tạo ra một khối xây dựng chính của efavirenz, một loại thuốc HIV.

Điều giải thưởng không giải quyết

Giải thưởng không giải thích tại sao sự sống chọn axit amin thuận tay trái. Tài liệu khoa học của ủy ban cho biết mô hình của Frank chỉ là một trong số nhiều con đường khả dĩ dẫn đến một sự kiện xảy ra khoảng 3,5 đến 4 tỷ năm trước, và có lẽ chúng ta sẽ không bao giờ có câu trả lời chắc chắn. Phản ứng Soai hoạt động trên các hợp chất kẽm không tồn tại trong nước, vì vậy nó là một bằng chứng về khái niệm, không phải là sự tái tạo hóa học của Trái Đất sơ khai.

Phản ứng Soai cũng chỉ hoạt động trên một tập hợp phân tử hẹp. Chỉ một số ít hệ thống khác thể hiện hành vi tự sao chép khuếch đại tương tự, và chưa có hệ thống nào được tìm thấy cho axit amin hoặc đường. Ngay cả cơ chế cũng đang bị tranh cãi. Một nhóm do Scott Denmark dẫn đầu giải thích sự khuếch đại thông qua một cụm bốn kẽm chỉ vừa với các phân tử một tay, trong khi nhóm của Oliver Trapp đề xuất một chất trung gian khác và một nút thắt động học. Ủy ban lưu ý rằng cả hai mô hình có thể đúng cho các phân tử khác nhau, điều đó cũng có nghĩa là chưa mô hình nào thắng.

Các câu hỏi thường gặp về Giải Nobel Hóa học 2026

Ai đã giành Giải Nobel Hóa học 2026?

Henri B. Kagan của trường Université Paris-Sud (cũ) tại Pháp và Kenso Soai của Tokyo University of Science tại Nhật Bản cùng chia giải thưởng. Họ được vinh danh vì phát hiện ra các hiệu ứng phi tuyến tính và tự xúc tác trong tổng hợp hữu cơ bất đối xứng.

Chiral có nghĩa là gì trong hóa học?

Một phân tử chiral không thể chồng khít lên ảnh phản chiếu của nó, giống như tay trái của bạn không thể đặt hoàn hảo lên tay phải. Hai phiên bản ảnh phản chiếu, gọi là enantiomer, có thể hoạt động rất khác nhau bên trong cơ thể sống.

Phản ứng Soai là gì?

Đó là một phản ứng trong đó sản phẩm đóng vai trò chất xúc tác để tạo ra nhiều hơn chính nó và ưu tiên thủ tính của chính nó. Một lượng nhỏ dư thừa của một dạng ảnh phản chiếu tăng dần qua các vòng liên tiếp cho đến khi gần như toàn bộ sản phẩm có một tay.

Tại sao thủ tính lại quan trọng đối với thuốc?

Nhiều phân tử thuốc tồn tại ở hai dạng ảnh phản chiếu, và thường chỉ một dạng có tác dụng mong muốn trong khi dạng kia không hoạt động hoặc có hại. Sản xuất dạng đúng một cách hiệu quả phụ thuộc vào xúc tác bất đối xứng, lĩnh vực mà những khám phá này đã định hình lại.

Khi nó xảy ra, và điều gì tiếp theo

Frank công bố mô hình của mình vào năm 1953. Kagan, sinh năm 1930 tại Boulogne-Billancourt, mô tả các hiệu ứng phi tuyến tính đầu tiên vào năm 1986. Soai, sinh năm 1950 tại Hiroshima, báo cáo phản ứng tự sao chép đầu tiên của mình vào năm 1990, phiên bản khuếch đại trên tạp chí Nature vào năm 1995, và sự phá vỡ đối xứng tự phát vào năm 2003. Giải thưởng dựa trên hai giải Nobel Hóa học trước đó về xúc tác bất đối xứng, vào năm 2001 và 2021.

Các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới hiện đang cố gắng làm cho axit amin và đường những gì Soai đã làm cho rượu pyrimidine của ông. Kagan và Soai sẽ nhận huy chương của họ tại Stockholm vào ngày 10 tháng 12.

Tài liệu tham khảo: Soai, K.; Shibata, T.; Morioka, H.; Choji, K., “Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule,” Nature, 1995. DOI: 10.1038/378767a0

Thẻ: Giải Nobel, axit amin, Henri Kagan, hóa học, Kenso Soai, tính bất đối xứng