诺贝尔化学奖：揭开“手性”有机分子形成之谜

诺贝尔化学奖授予两位化学家，他们探索了生命为何偏爱一种镜像分子而非另一种。 今年的诺贝尔化学奖授予两位科学家，表彰他们破解了一个化学谜题：为何某些反应所生成的分子在两种可能镜像变体中仅呈现一种。

巴黎南大学的Henri Kagan与日本东京理科大学的硤合宪三（Kenso Soai）共同分享了1200万瑞典克朗（约合120万美元）的奖金。瑞典皇家科学院于10月7日在斯德哥尔摩公布了获奖结果。 “获得诺贝尔奖的好消息让我太激动了。这是我人生中振奋之极的一天。”硤合宪三在奖项公布后与诺贝尔委员会通话时说。他说接到电话时正在家附近买东西。 生命的构成单元本可呈现任一镜像形式，但它们实际上只呈现单一手性，即“同手性（homochiral）”：例如，DNA呈右手性，而氨基酸呈左手性。这项获奖发现与一个重要问题有关：自然界中，是如何产生这种化学不对称性的？ 在20世纪80年代的实验中，法国化学家Henri Kagan证明，催化剂手性上的微小不对称可以在反应产物中被放大。1995年，硤合宪三发现了一种反应，其中手性产物本身也充当催化剂，从而进一步增加手性不对称[1]。两人的研究共同表明，生物体内的自然反应可能如何以压倒性优势仅产生一种镜像分子。 “Henri Kagan和硤合宪三为一个延续了一个多世纪的化学谜题提供了解答：同手性如何自发产生。”诺贝尔化学委员会主席Heiner Linke在一份声明中说，“他们开发的化学反应令人惊叹。” “Henri Kagan是一个非常非常谦逊的人，对化学深怀热情，并不在意成名。”现任鲁汶天主教大学有机金属化学家Olivier Riant说，他曾在巴黎南大学师从Henri Kagan。 如今，这些发现对于化学家设计药物、材料乃至香水的合成反应至关重要。西班牙加泰罗尼亚化学研究所的反应机理化学家Mónica Pérez-Temprano说，获奖者的发现“挑战了我们原以为已经掌握的知识，并为思考和设计化学反应开辟了全新的路径”。 单一手性之谜 化学家早已知道，一些分子存在两种互为镜像的手性形式，而生命通常只用其中一种。但化学家通过反应合成手性分子时，通常会得到两种形式的等量混合物。生物体如何只生成一种镜像形式，一直是个谜。 人们很快发现，关键是催化剂：它能推动化学反应，却不会被反应消耗。如果催化剂本身具有手性，就能促进生成某一种镜像分子。1953年，英国布里斯托大学理论物理学家Charles Frank提出，如果化学反应能够生成自身所需的手性催化剂，就会产生自强化效应，使其中一种镜像形式占据主导。 2001年诺贝尔化学奖得主William Knowles、Ryoji Noyori和Barry Sharpless设计出了化学反应，利用手性催化剂引导反应、只生成一种分子变体。今年的奖项则表彰Henri Kagan和硤合宪三更进一步，设计出能够生成自身手性催化剂的化学反应，将Charles Frank的设想变为现实。 “Henri Kagan说明了原理，而硤合反应给出了第一个真正的实例。”英国布里斯托大学有机化学家Jonathan Clayden说。 英国大学合成化学家Stephen Fletcher表示，硤合宪三“在调控自催化反应方面做出了非凡的工作”。在一种化学混合物中，“有时可能一边是一百万个某种手性的分子，另一边相反手性的分子是一百万零一个；硤合宪三研究了如何放大这种不平衡——这非常了不起”。 理工学院研究前生物化学的Furkan Öztürk表示，Henri Kagan和硤合宪三的工作引发了广泛关注，它们有助于解释为何氨基酸和核酸等生命分子往往只呈现一种手性。 Furkan Öztürk说，自硤合反应发现以来，科学家一直试图确定，在生命出现前的“前生物”地球上是否可能发生过类似反应。“问题在于，硤合反应需要特定条件——很出名的是它不能在水中进行——并且需要的试剂与前生物地球环境及其化学物质组成不太相容。”他说，“但我认为，要理解同手性的前生物起源，我们仍能从其基本原理中学到很多。” “许多人都在研究硤合反应与生物学的相关性。我想这个奖项可能成为热情再燃的火花。”Stephen Fletcher说。 开创性实验 Henri Kagan首先发现了一种反应：催化剂手性初始的轻微不平衡会在实验过程中被放大，使每类手性催化剂的含量差异显著扩大。随后，硤合宪三开始寻找其他具有这种不对称效应的反应；关键在于，这类反应的产物本身可充当催化剂，即所谓的自催化反应。 在1995年的奠基性实验中，硤合宪三利用能够生成自身的手性物质5-嘧啶基烷醇实现了这一目标。他表明，反应开始时某一手性分子仅过量2%，最终却可使该分子的过量比例达到87%。 2003年，他进一步提出了后来人称的硤合反应（Soai reaction）：反应从非手性反应物开始，生成两种手性催化剂。哪一种一开始因随机因素而略多，结果就会占产物的99.99%之多。 “这可能是有机化学最酷的实验。”诺贝尔化学委员会委员Peter Somfai在奖项公布现场说。 硤合反应并未回答生命为何选择某一种手性的问题。“但它提出了解答这一问题的可能机制。”伦敦大学学院研究生命化学起源的有机化学家Matthew Powner说。 由于分子的左右手性形式往往具有不同的化学性质，将二者分离是药物发现中的关键环节。帕金森病的标准治疗药物左旋多巴是一种有机手性分子，它只有一种形式是活性成分（L-DOPA）。 Jonathan Clayden表示，对Henri Kagan所发现放大效应的理解，也使默克公司的化学家得以开发出一种有效合成抗HIV药物依非韦伦的方法。“许多药物分子的合成过程中或许都包含这类步骤，只是由于制药公司的知识产权保护，所以我们不知道。”他说。 此前的奖项 此次获奖可被视为纠正了一桩历史遗憾，也可能重新引发有关成果归属的争论。一些研究人员认为，Henri Kagan和硤合宪三曾与2001年诺贝尔化学奖失之交臂；那一次化学奖表彰的是选择性合成某一种镜像形式的研究。Henri Kagan当时未能获奖，当时曾引发法国科学部长的抗议。 Stephen Fletcher表示，硤合宪三则从机理层面理解了这些现象——“他为增进我们的认识做出了卓越贡献”。 Stephen Fletcher已经预测这项归属多年。不过，他原以为美国斯克里普斯研究所的化学家 Donna Blackmond也会因阐明这些过程的机理细节而获奖；这些研究有助于理解生命体系中的手性如何起源。