جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۶ مربوط به ویژگی‌ای به نام کایرالیتی است که ممکن است مانند یک اصطلاح انتزاعی علمی به نظر برسد، اما در واقعیت همیشه و همه‌جا اطراف شما وجود دارد.
کهکشانی مارپیچی را تصور کنید که در فضا می‌چرخد، یا خط دور صدف حلزون را دنبال کنید که به سمت عقربه‌های ساعت به نوک می‌رسد. در هر مورد، می‌توانید تصویر آینه‌ای مارپیچی بکشید که با تصویر اصلی منطبق نخواهد شد.
حتی می‌توانید این ویژگی را روی بدن خود ببینید: دستان خود را باز کنید، کف دست‌ها رو به بالا. دستان شما تصویر آینه‌ای یکدیگر هستند، اما هر چقدر هم که آن‌ها را بچرخانید، هرگز نمی‌توانید دست راست خود را دقیقاً روی دست چپ قرار دهید در حالی که هر دو کف دست رو به یک جهت باشند.
همه این‌ها نمونه‌هایی از کایرالیتی هستند. اجسام کایرال تصویری آینه‌ای دارند که نمی‌توان مستقیماً آن را بر خود منطبق کرد. این مفهوم در هندسه در شکل جانداران و مهم‌تر از همه، در مولکول‌هایی که موجودات زنده را تشکیل می‌دهند، ظاهر می‌شود. این هفته، جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۶ به هنری کاگان و کنسو سوئی برای کارشان بر روی نحوه‌ای که شیمی می‌تواند یک نسخه کایرال یا «دست» را نسبت به دیگری ترجیح دهد، اهدا شد.
چرا دست‌مندی اهمیت دارد؟
ما به عنوان شیمیدانی که مولکول‌های کایرال را طراحی و اندازه‌گیری می‌کنیم، روزانه با این مشکل تصویر آینه‌ای سروکار داریم. دست‌مندی مولکولی پیامدهای گسترده‌ای دارد و وقتی به نحوه تعامل اجسام کایرال با یکدیگر در زندگی روزمره فکر می‌کنید، متوجه علت آن می‌شوید.
یک چکش معمولی ابزاری آکایرال یا غیرکایرال است. چه آن را در دست چپ بگیرید چه دست راست، عملکرد یکسانی دارد. اما یک قیچی اغلب طوری ساخته شده که کاربر راست‌دست را ترجیح دهد. اگر چپ‌دست باشید و از قیچی راست‌دست استفاده کرده باشید، نتیجه را می‌دانید: فشار دادن آن با دست راست تیغه‌ها را به سمت داخل به هم نزدیک می‌کند، در حالی که فشار دادن با دست چپ تیغه‌ها را به بیرون هل می‌دهد، بنابراین کاغذ را تا می‌کنند به جای اینکه ببرند. قیچی ابزار کایرالی است که برای تعامل با دست انسان طراحی شده، که آن نیز کایرال است.
تقریباً تمام پروتئین‌ها روی زمین از یک فرم تصویر آینه‌ای از هر اسید آمینه ساخته شده‌اند، و DNA و RNA از یک فرم از قندها. DNA به صورت مارپیچ‌هایی با یک، و فقط یک، کایرالیتی مونتاژ می‌شود. به طور مشابه، صدف حلزون‌ها تقریباً همیشه در همان جهت برای هر گونه حلزون می‌چرخند. این تک‌دستی فراگیر تمام موجودات زنده شناخته شده، هموکایرالیتی نامیده می‌شود.
وقتی شیمیدانان مولکول‌های کایرال را بدون افزودن عوامل کایرال خارجی می‌سازند، مخلوط راسمیکی (racemic mixture) به دست می‌آورند: ترکیبی یکنواخت ۵۰:۵۰ از هر دو دست. پس چگونه سوپ اولیه‌ای که حیات روی زمین را تشکیل داد، که احتمالاً این شیمی متعادل دقیق را داشت، به تک‌دستی رسید؟
جایزه نوبل
این سوال تا زمان کشفیات بنیادینی که توسط جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۶ مورد تقدیر قرار گرفت و به کاگان و سوئی اهدا شد، بی‌پاسخ ماند.
در دهه ۱۹۸۰، کاگان یافت که یک کاتالیزور، کمک‌کننده‌ای که سرعت واکنش را افزایش می‌دهد، لازم نیست کاملاً از مولکول‌هایی با همان دست‌مندی ساخته شده باشد تا محصولی کاملاً تک‌دست تولید کند. در برخی واکنش‌ها، یک کاتالیزور نیمه‌خالص محصولی خالص‌تر از خود کاتالیزور تولید کرد.
در دهه ۱۹۹۰، سوئی مولکولی یافت که از خود کپی می‌سازد و دست خود را نسبت به نسخه تصویر آینه‌ای‌اش ترجیح می‌دهد. با یک نابرابری ۵۱:۴۹ شروع کنید و پس از چند دور، مخلوط به شدت تک‌دست می‌شود. نسخه‌های بعدی واکنش، مخلوط نابرابری تنها ۰.۰۰۰۰۵٪ را به بیش از ۹۹.۵٪ تقویت کردند.
اگرچه واکنش سوئی یک سیستم آزمایشگاهی است و بازسازی زمین اولیه نیست، اما یک امکان را نشان می‌دهد که چگونه حیات ممکن است تک‌دستی را انتخاب کرده باشد.
دست‌مندی در سلامت
چون حیات تحت هموکایرالیتی تکامل یافته است، بدن انسان محیطی به شدت کایرال است. گیرنده‌های سلولی و آنزیم‌ها از پروتئین‌های تک‌دست ساخته شده‌اند. در نتیجه، یک مولکول دارویی مانند کلیدی وارد بدن می‌شود که به دنبال قفل خود می‌گردد. اگر دارو به صورت مخلوط راسمیک از هر دو دست تجویز شود، ممکن است یک تصویر آینه‌ای کاملاً در گیرنده جا بگیرد، در حالی که دوقلوی آینه‌ای آن چنین کاری نکند. این دوقلو می‌تواند عوارض جانبی ناخواسته ایجاد کند، یا ممکن است به عنوان کلیدی در آنزیمی کاملاً متفاوت جا گرفته و فرآیندهای معمول بدن شما را مختل کند.
در طول تاریخ پزشکی، کنترل کایرالیتی تفاوت بین پیشرفت‌های درمانی و تراژدی‌های پزشکی بوده است. شیمیدانان دو فرم تصویر آینه‌ای را با حروف برچسب‌گذاری می‌کنند، D و L برای قندها و R و S برای اکثر داروها، بنابراین حرف به شما می‌گوید کدام نسخه را در دست دارید. چهار مولکول کایرال به ویژه می‌توانند نشان دهند که چرا دست‌مندی در پزشکی اهمیت دارد.
اولین مورد تالیدومید است. این دارو که در اواخر دهه ۱۹۵۰ به صورت مخلوط ۵۰:۵۰ برای درمان بی‌خوابی و تهوع صبحگاهی فروخته می‌شد، به طور گسترده در اروپا، کانادا و استرالیا تجویز می‌شد. پس از اینکه سازنده آن در سال ۱۹۶۱ آن را جمع‌آوری کرد، مشخص شد بیش از ۱۰,۰۰۰ کودک با نقص‌های شدید مادرزادی متولد شده‌اند، که در آن اندام‌هایشان کوتاه شده یا تشکیل نشده بودند.
مطالعه‌ای در سال ۱۹۷۹ روی موش‌ها فرم S تالیدومید را به عنوان عامل اصلی معرفی کرد. اما مولکول‌های تالیدومید انعطاف‌پذیر شیمیایی هستند، به این معنی که می‌توانند در داخل بدن شما بین دو فرم تبدیل شوند.
حتی نسخه کاملاً تک‌دستی نیز ایمن نبود.
مثال دیگر ایبوپروفن است. ایبوپروفن در دهه ۱۹۶۰ در شرکت بریتانیایی بوتس (Boots) توسعه یافت و به یکی از پرمصرف‌ترین مسکن‌ها در جهان تبدیل شده است.
فرم S ایبوپروفن کار را انجام می‌دهد و آنزیم‌هایی را که سیگنال‌های شیمیایی درد و تورم را تولید می‌کنند، مسدود می‌کند. فرم R تا حد زیادی غیرفعال است و هیچ کاری علیه این سیگنال‌ها انجام نمی‌دهد.
خوشبختانه، بدن ترکیب را اصلاح می‌کند: آنزیمی در بدن شما بخشی از فرم R را به فرم S تبدیل می‌کند، به همین دلیل قرص حاوی هر دو فرم همچنان کار می‌کند.
مثال سوم ال-دوپا (L-DOPA) است. در سال ۱۹۶۹، اولیور ساکس، عصب‌شناس آمریکایی، ال-دوپا را به بیمارانی داد که پس از اپیدمی آنسفالیت اوایل قرن بیستم، دهه‌ها را تقریباً بی‌حرکت سپری کرده بودند. بسیاری از بیماران در اپیزودی که بعداً در کتاب و فیلم «بیداری‌ها» (Awakenings) روایت شد، بیدار شدند، صحبت کردند و حرکت کردند. اثر عمدتاً موقت ثابت شد، اما دارو همچنان ستون فقرات درمان پارکینسون باقی مانده است.
در بیماری پارکینسون، نورون‌هایی که پیام‌رسان شیمیایی به نام دوپامین تولید می‌کنند، تحلیل می‌روند و خود دوپامین نمی‌تواند از جریان خون وارد مغز شود. ال-دوپا می‌تواند، و آنزیم‌های موجود در مغز سپس آن را به دوپامین تبدیل می‌کنند.
تصویر آینه‌ای آن، دی-دوپا (D-DOPA)، مناسب آن آنزیم نیست، بنابراین گذار را انجام نمی‌دهد. با این حال، ساختن فقط فرم L در مقیاس بزرگ یک چالش بود. در دهه ۱۹۷۰، ویلیام نولز در شرکت مونسانتو (Monsanto) این مسئله را با استفاده از یک کاتالیزور کایرال خاص حل کرد. این کار سهمی از جایزه نوبل شیمی ۲۰۰۱ را برای او به ارمغان آورد.
مثال نهایی گلوکز است. قند ذرت یا انگور معمولاً به عنوان گلوکز شناخته می‌شود، اما این اصطلاح در واقع به طور خاص به یک فرم اشاره دارد، به نام انانتیومر D، از این قند. سلول‌ها با دی-گلوکز کار می‌کنند. اولین مرحله گلیکولیز، زنجیره واکنش‌هایی که سلول‌ها برای استخراج انرژی از قند استفاده می‌کنند، از آنزیمی استفاده می‌کند که فقط آن فرم را تشخیص می‌دهد.
تصویر آینه‌ای آن، ال-گلوکز، خواص فیزیکی یکسانی مانند نقطه ذوب، ظاهر و طعم شیرین دارد. با این حال، آنزیم‌های سلولی نمی‌توانند آن را پردازش کنند، بنابراین کالری ارائه نمی‌دهد و قند خون شما را بالا نمی‌برد. در دهه ۱۹۸۰، محققان آن را به عنوان شیرین‌کننده کم‌کالری برای افراد دیابتی بررسی کردند، اما هزینه‌های بالای تولید آن را از نظر مالی غیرقابل قبول کرد.
فراتر از زیست‌شناسی
دست‌مندی فراتر از بدن اهمیت دارد. مولکول‌های کایرال نور قطبیده دایروی ساطع و جذب می‌کنند، به این معنی که هنگام حرکت به چپ یا راست پیچ می‌خورند. محققان نمایشگرهایی توسعه می‌دهند که این نوع نور را مستقیماً تولید می‌کنند، که می‌تواند برای ساخت صفحه‌نمایش‌هایی استفاده شود که در محیط‌های بسیار روشن، مانند نور مستقیم خورشید، کار می‌کنند.
همین ویژگی برای امنیت مفید است. برچسبی ساخته شده با مولکول‌های کایرال می‌تواند در نور معمولی شبیه یک علامت عادی به نظر برسد اما از طریق فیلتری که فقط نور پیچ‌خورده به چپ یا راست را عبور می‌دهد، الگوی پنهانی آشکار کند. این ویژگی می‌تواند جعل را دشوارتر کند.
کایرالیتی همچنین نحوه حرکت الکترون‌ها را شکل می‌دهد. الکترون‌ها ویژگی ذاتی به نام اسپین دارند که می‌توانید آن را مانند قطب‌نمای کوچکی تصور کنید که به بالا یا پایین اشاره می‌کند. وقتی الکترون‌ها از طریق مولکول‌های کایرال عبور می‌کنند، یک نوع اسپین می‌تواند راحت‌تر از سایرین عبور کند. چون اسپین می‌تواند اطلاعات را حمل کند، کنترل آن می‌تواند منجر به الکترونیک‌هایی شود که انرژی کمتری هدر می‌دهند و دستگاه‌های کوانتومی جدید، اگرچه دانشمندان هنوز در مورد نحوه عملکرد این اثر بحث می‌کنند.
کار کاگان و سوئی نشان داد که چگونه یک عدم تقارین ضعیف بین دو فرم کایرال می‌تواند به یک ترجیح قاطع رشد کند. شیمیدانان در حال یادگیری هستند که این ترجیح را در مواد، نه فقط داروها، بسازند.