Kenso Soai Mengulas Kejayaan Kimia Nobel dan Merancang Penyelidikan Baharu tentang Ketidakseimbangan Molekul

Daripada ketidakseimbangan kecil kepada Hadiah Nobel

Ahli kimia Jepun, Kenso Soai, yang eksperimennya menukarkan campuran hampir sama banyak bagi imej cermin molekul kepada produk yang didominasi satu bentuk, memberitahu hadirin di Tokyo pada 20 Oktober 2026 bahawa beliau mahu menyiasat perkara yang mencetuskan ketidakseimbangan itu. Kira-kira 2,000 orang, termasuk peserta dalam talian, menghadiri kuliah anjuran Persatuan Kimia Jepun itu.

Penampilan itu menyusul pengumuman Akademi Sains Diraja Sweden pada 7 Oktober bahawa Soai dan ahli kimia Perancis, Henri B. Kagan, akan berkongsi Hadiah Nobel Kimia 2026. Penemuan mereka menjelaskan bagaimana tindak balas kimia boleh memperbesar sedikit kecenderungan terhadap satu bentuk molekul, sekali gus membantu ahli kimia memahami ciri asas benda hidup dan mereka bentuk tindak balas yang digunakan dalam penyelidikan farmaseutikal.

Pengumuman Hadiah Kimia Akademi memberikan pengiktirafan kepada pasangan itu atas penemuan kesan tak linear dan autokatalisis dalam sintesis organik asimetri. Dalam bahasa mudah, mereka menemui cara untuk menghasilkan lebih banyak imej cermin molekul yang satu berbanding yang satu lagi melalui tindak balas, dan kadangkala produk itu membantu menghasilkan lebih banyak produk yang sama.

Soai, 76, ialah profesor emeritus di Universiti Sains Tokyo. Kagan pula profesor emeritus di Université Paris-Sud, Perancis. Mereka akan membahagikan hadiah 12 juta krona Sweden secara sama rata, dengan setiap seorang menerima 6 juta krona.

Dalam sesi soal jawab di kuliah Tokyo itu, Soai berkongsi bidang penyelidikan yang ingin diterokainya seterusnya:

Saya berharap dapat mengkaji pelbagai kemungkinan penyebab ketidakseimbangan kiri-kanan.

Kata-katanya melanjutkan kisah itu melangkaui pengumuman hadiah pada 7 Oktober: eksperimen tersebut menjelaskan bagaimana perbezaan kecil boleh berkembang, manakala kemungkinan penyebab perbezaan awal itu masih menjadi perkara yang ingin diterokainya.

Mengapa molekul boleh mempunyai bentuk kiri dan kanan

Sesetengah molekul mengandungi atom yang sama, tersambung dalam susunan yang sama, tetapi mempunyai dua susunan yang merupakan imej cermin antara satu sama lain. Seperti tangan kiri dan kanan, kedua-duanya tidak boleh ditindihkan sehingga setiap bahagian sepadan. Ahli kimia menamakan sifat ini kiraliti dan kedua-dua bentuk molekul itu enantiomer.

Benda hidup membezakan kedua-dua bentuk tersebut kerana jentera molekulnya sendiri mempunyai bentuk tertentu. Molekul yang sepadan dengan satu struktur biologi mungkin berinteraksi secara berbeza apabila susunannya diterbalikkan. Perbezaan ini boleh mempengaruhi keberkesanan ubat atau malah bau sesuatu bahan: kedua-dua bentuk karvon berbau seperti pudina spearmint dan jintan putih.

Protein dalam sel hidup hampir secara eksklusif menggunakan satu bentuk tangan asid amino, manakala gula dalam DNA dan RNA juga mempunyai bentuk tangan yang konsisten. Glisina, asid amino paling ringkas, merupakan pengecualian kerana ia tidak mempunyai pasangan bentuk imej cermin yang berbeza. Penggunaan meluas satu bentuk ini disebut homokiraliti, yang bermaksud bentuk tangan yang sama.

Tindak balas makmal biasanya menghasilkan kedua-dua bentuk dalam jumlah yang sama, melainkan ada sesuatu yang mempengaruhinya. Persoalan saintifiknya ialah bagaimana sistem kimia yang pada awalnya seimbang boleh membentuk kecenderungan yang kuat. Kagan menunjukkan bagaimana pemangkin boleh memperbesar kecenderungan itu; Soai pula membangunkan tindak balas yang membolehkan kecenderungan tersebut berkembang apabila tindak balas itu menghasilkan lebih banyak pemangkin.

Kagan mendapati campuran pemangkin boleh menghasilkan kesan lebih besar daripada jangkaan

Kemajuan penting Kagan dicapai pada 1986. Pemangkin membantu tindak balas kimia berlaku tanpa habis digunakan dalam tindak balas itu. Dalam pemangkinan asimetri, bentuk molekulnya membantu mengarahkan penghasilan kepada satu imej cermin.

Ahli kimia menjangkakan hubungan mudah antara imbangan bentuk dalam pemangkin dengan imbangan dalam produknya. Kagan menunjukkan bahawa hubungan itu boleh menyimpang daripada jangkaan tersebut, lalu menghasilkan kecenderungan yang lebih kuat daripada yang ditunjukkan oleh komposisi pemangkin. Penyimpangan ini disebut kesan tak linear.

Satu penjelasan melibatkan pemangkin yang struktur aktifnya mengandungi pasangan molekul pembantu. Campuran itu boleh membentuk pasangan sepadan yang kedua-duanya mempunyai bentuk tangan sama, serta pasangan tidak sepadan yang mengandungi satu daripada setiap bentuk. Dalam sesetengah tindak balas, pasangan tidak sepadan jauh kurang aktif, menyebabkan pasangan sepadan melakukan sebahagian besar kerja.

Bayangkan campuran yang mengandungi 75 molekul pembantu daripada satu bentuk dan 25 daripada bentuk yang satu lagi. Jika ia berpasangan secara rawak, pasangan sepadan terbentuk pada nisbah 75 kuasa dua kepada 25 kuasa dua, atau sembilan kepada satu. Apabila pasangan tidak sepadan menyumbang sedikit sahaja, pasangan sepadan yang aktif itu bertindak seperti campuran 90 kepada 10. Kecenderungan awal yang sederhana menjadi pengaruh kimia yang lebih kuat.

Penemuan Kagan memberikan penyelidik alat praktikal serta cara untuk mengkaji pemangkin. Bentuk hubungan antara komposisi pemangkin dengan komposisi produk boleh mendedahkan petunjuk tentang cara molekul berhimpun dan berfungsi di dalam bekas tindak balas.

Soai menjadikan tindak balas membantu menghasilkan dirinya sendiri

Langkah seterusnya Soai ialah autokatalisis asimetri. Autokatalisis bermaksud produk sesuatu tindak balas membantu memangkinkan penghasilan lebih banyak produk yang sama. Jika proses itu turut memihak kepada bentuk tangan produk itu sendiri, kelebihan awal yang kecil boleh mencetuskan maklum balas yang meningkatkan lagi penghasilan.

Dokumen latar belakang saintifik Akademi menjejak hasil awal itu kepada 1990. Soai menggunakan diisopropilzink dan piridina-3-karbaldehid, dengan pemangkin yang disediakan daripada alkohol yang dihasilkan oleh tindak balas itu sendiri.

Eksperimen tersebut menunjukkan autokatalisis dan kecenderungan terhadap satu imej cermin. Namun, kelemahannya ialah kecenderungan itu semakin kecil: pemangkin mempunyai lebihan enantiomer sebanyak 86%, manakala produk mempunyai lebihan 35%.

Lebihan enantiomer, lazimnya disingkatkan sebagai ee, mengukur perbezaan antara peratusan kedua-dua bentuk. Campuran yang mengandungi 75% satu bentuk dan 25% bentuk yang satu lagi mempunyai ee sebanyak 50%. Campuran sama banyak mempunyai ee sifar, manakala produk yang mengandungi satu bentuk sahaja mempunyai ee 100%.

Oleh itu, hasil Soai pada 1990 menunjukkan bahawa tindak balas itu boleh menghasilkan semula pemangkinnya sendiri, tetapi mencairkan kecenderungan awal. Lima tahun kemudian, pasukannya menemui tindak balas yang menggunakan pirimidina-5-karbaldehid dan menghasilkan produk dengan lebihan lebih tinggi daripada pemangkinnya. Maklum balas itu kini menguatkan kecenderungan tersebut, bukannya melemahkannya.

Makna sebenar angka ketulenan yang mengagumkan

Eksperimen Soai pada 1995 bermula dengan pemangkin yang disediakan menggunakan bahan dengan ee 5%. Produk pertama mencapai ee 55%. Penggunaan bahan yang terhasil dalam tindak balas seterusnya menaikkan angka itu kepada 87%, dan siri tindak balas mencapai ee 90% selepas lima pusingan berturutan.

Kenaikan ee daripada 5% kepada 90% bermakna perubahan daripada campuran 52.5% berbanding 47.5% kepada campuran 95% berbanding 5%. Campuran awal hampir seimbang; campuran akhir mengandungi 19 molekul bentuk yang diutamakan bagi setiap satu molekul imej cerminnya.

Contoh kemudian bermula dengan ligan, iaitu molekul yang digunakan untuk menyediakan pemangkin, dengan ee hanya 0.00005%. Selepas tiga pusingan berturutan, produk itu melebihi ee 99.5%. Ini bersamaan dengan lebih daripada 99.75% bentuk yang diutamakan dan kurang daripada 0.25% bentuk yang satu lagi.

Akademi menyifatkan hasil itu sebagai penguatan nisbah stereoisomer sebanyak 630,000 kali ganda. Angka itu merujuk kepada imbangan relatif bentuk molekul, bukannya kuantiti bahan yang dihasilkan.

Pengumuman Nobel menandakan 2003 sebagai tahun penting apabila Soai mempersembahkan tindak balas yang membentuk hanya satu daripada dua imej cermin yang mungkin. Secara bersama, eksperimen itu menunjukkan bagaimana maklum balas kimia berulang boleh membawa ketidakseimbangan yang hampir tidak dapat dikesan ke arah homokiraliti.

Kebetulan boleh memihak kepada mana-mana bentuk molekul

Soai turut mengkaji tindak balas yang bermula tanpa sumber bentuk tangan tambahan. Dalam eksperimen sedemikian, turun naik statistik yang sangat kecil boleh memberikan kelebihan kepada satu bentuk, lalu diperbesar oleh tindak balas itu.

Dalam 37 eksperimen yang dihuraikan dalam latar belakang saintifik Akademi, 18 memihak kepada bentuk berlabel R dan 19 memihak kepada S. Produk mempunyai ee antara 15% hingga 91%. Pembahagian hasil yang hampir sama rata menunjukkan bahawa mana-mana bentuk boleh memperoleh kelebihan.

Huruf R dan S mengenal pasti konfigurasi molekul. Huruf ini membolehkan ahli kimia menamakan kedua-dua susunan dengan tepat tanpa bergantung pada lukisan tangan kiri atau kanan. Dalam eksperimen ini, setiap tindak balas membentuk kecenderungan tersendiri walaupun secara keseluruhan siri eksperimen itu tidak memihak kepada mana-mana konfigurasi.

Akademi turut memberikan pengiktirafan kepada Daniel Singleton kerana menunjukkan pemecahan simetri secara bebas menggunakan tindak balas Soai. Pemecahan simetri ialah kemunculan hasil yang tidak seimbang daripada sistem yang pada awalnya seimbang.

Heiner Linke, pengerusi Jawatankuasa Nobel Kimia, menghuraikan pencapaian itu ketika hadiah diumumkan:

Henri Kagan dan Kenso Soai telah memberikan penyelesaian kepada misteri kimia yang berusia lebih seabad: bagaimana homokiraliti boleh muncul secara spontan. Tindak balas kimia yang mereka bangunkan sungguh mengagumkan.

Akademi menetapkan kerelevanan tindak balas itu kepada asal usul kehidupan dalam batas yang khusus: tindak balas itu menunjukkan laluan kimia kepada homokiraliti di makmal, manakala asal usul bentuk tangan biologi dalam air kekal sebagai persoalan terbuka. Latar belakang saintifiknya menyatakan bahawa tindak balas Soai tidak relevan kepada kemunculan homokiraliti biologi dalam sistem akueus.

Mengapa perbezaan ini penting kepada pengeluar ubat

Pembangunan ubat menjadikan bentuk tangan molekul penting secara langsung dalam amalan. Dua bentuk sesuatu sebatian boleh berinteraksi secara berbeza dengan tubuh, maka pengeluar mungkin memerlukan proses yang dapat menghasilkan bentuk yang dikehendaki secara konsisten.

Kovuru Gopalaiah, profesor Universiti Delhi yang pernah bekerja di makmal Kagan, menjelaskan bahawa penguatan boleh mengurangkan keperluan terhadap pemangkin yang sangat tulen. Penggunaan bahan dengan ketulenan sekitar 70% berbanding 99% boleh mengurangkan kos penulenan dalam proses yang sesuai. Satu contoh Merck yang dipetik menghasilkan sebatian L-699,392 dengan ketulenan 95% daripada bahan permulaan dengan ketulenan 70%.

India mempunyai kepentingan besar terhadap penambahbaikan pembuatan seperti ini. Brosur kedutaan India yang dipetik dalam perbincangan mengenai hadiah itu menyatakan bahawa negara tersebut membekalkan kira-kira 20% ubat generik dunia mengikut jumlah. Penjimatan bergantung pada tindak balas dan proses pembuatan tertentu; penemuan Nobel itu memberikan prinsip yang boleh diuji oleh ahli kimia ketika mereka bentuk proses berkenaan.

Talidomida menunjukkan bahawa keselamatan ubat memerlukan lebih daripada sekadar memilih satu bentuk molekul. Ubat itu menyebabkan kecacatan kelahiran yang serius dan ditarik balik daripada pasaran pada 1961. G Sekar, ketua bidang kimia di IIT Madras, menjelaskan bahawa bentuk-bentuknya boleh bertukar antara satu sama lain di dalam tubuh. Oleh itu, tingkah laku sesuatu ubat bergantung pada apa yang berlaku selepas ia diberikan serta bahan yang dihasilkan.

Keputusan untuk menggunakan satu bentuk molekul sahaja bergantung pada keselamatan, keberkesanan dan keperluan kawal selia. Penemuan Kagan dan Soai membantu ahli kimia mengawal bahan yang dihasilkan, sekali gus memberikan penyelidik ubat bahan permulaan yang lebih tepat untuk penilaian tersebut.

Pencapaian penting di sebalik anugerah

Pengiktirafan Nobel itu menghimpunkan penemuan yang dibangunkan selama beberapa dekad. Kagan membuktikan bahawa ketidakseimbangan molekul dalam pemangkin boleh diperbesar; Soai pula membina tindak balas yang membolehkan produk menguatkan ketidakseimbangan itu melalui penghasilan berulang.

• 1986: Kagan menunjukkan kesan tak linear dalam pemangkinan asimetri.
• 1990: Soai menerbitkan tindak balas autokatalitik asimetri, walaupun ee produk lebih rendah daripada ee pemangkin.
• 1995: Soai dan rakan-rakan menunjukkan autokatalisis yang meningkatkan ee, sehingga mencapai 90% melalui lima pusingan berturutan.
• 2003: Pengumuman Nobel menandakan tahun ini sebagai masa Soai mempersembahkan tindak balas yang membentuk hanya satu imej cermin.
• 7 Oktober 2026: Akademi Sains Diraja Sweden mengumumkan hadiah kimia bersama itu.
• 20 Oktober 2026: Soai membincangkan tindak balas dan penyelidikan akan datang dalam kuliah di Tokyo.
• 10 Disember 2026: Majlis penganugerahan Nobel dijadualkan berlangsung di Stockholm.

Soai merancang menghadiri majlis di Stockholm dan menyampaikan kuliah yang membincangkan penyelidikannya bersama sumbangan Louis Pasteur, ahli kimia dan mikrobiologi Perancis yang karyanya membantu mengasaskan kajian ketidaksimetrian molekul pada abad ke-19.

Soai terus menumpukan perhatian pada eksperimen asas

Soai mendapat tahu bahawa beliau memenangi hadiah itu ketika membeli-belah berhampiran rumahnya. Kemudian, beliau memberikan penghargaan kepada rakan sekerja dan pelajar yang membantu meneruskan kerja eksperimen di sebalik tindak balas yang kini menggunakan namanya.

Dalam sidang media selepas kuliah di Tokyo, Soai menerangkan rasa ingin tahu yang mendorong penyelidikan itu:

Saya berminat dengan perkara asas, atau lebih tepat lagi, perkara fundamental.

Penyelidikan yang dirancangnya kembali kepada permulaan proses itu: apakah yang boleh mencetuskan kecenderungan kecil ke arah kiri atau kanan yang diperbesar oleh autokatalisis. Hadiah itu mengiktiraf tindak balas yang telah dibangunkan, manakala kata-katanya di Tokyo menunjukkan bahawa ketidakseimbangan awal itu masih menawarkan eksperimen yang ingin dijalankannya.

Perkara Utama

• Kenso Soai dan Henri B. Kagan berkongsi Hadiah Nobel Kimia 2026 serta hadiah 12 juta krona Sweden secara sama rata.
• Kagan menunjukkan bagaimana pemangkin boleh menghasilkan kecenderungan molekul yang lebih kuat daripada yang ditunjukkan oleh komposisinya.
• Soai membangunkan tindak balas yang produknya membantu menghasilkan lebih banyak produk yang sama sambil meningkatkan kecenderungan tersebut.
• Satu eksperimen meningkatkan ee daripada 0.00005% kepada lebih 99.5% dalam tiga pusingan berturutan.
• Dalam kuliah di Tokyo pada 20 Oktober, Soai berkata beliau mahu mengkaji kemungkinan penyebab ketidakseimbangan molekul.
• Penemuan itu menyokong kimia farmaseutikal dan penyelidikan makmal tentang homokiraliti.
• Soai merancang menghadiri majlis Nobel pada 10 Disember di Stockholm.