Doğada birbirinin ayna görüntüsü olan iki molekül de üretilebiliyorsa, yaşam neden bunlardan yalnızca birini tercih ediyor?
2026 Nobel Kimya Ödülü, "asimetrik organik sentezde lineer olmayan etkiler ve otokataliz keşifleri" dolayısıyla çarşamba günü Fransız kimyager Henri B. Kagan ve Japon bilim insanı Kenso Soai’ye verildi.
REKLAM
REKLAM
Ödülün arkasında, kimyanın en temel ve en ilginç sorularından biri yatıyor: Doğada birbirinin ayna görüntüsü olan iki molekül de üretilebiliyorsa, yaşam neden bunlardan yalnızca birini tercih ediyor?
Kagan, kimyasal tepkimelerde küçük bir moleküler asimetrinin beklenenden çok daha büyük bir asimetriye dönüşebildiğini ortaya koydu. Soai ise bu süreci bir adım ileri taşıyarak, bir molekülün kendi üretimini hızlandırdığı ve aynı zamanda kendi moleküler yönelimini çoğalttığı bir tepkime geliştirdi.
Bu süreci daha iyi anlamak için önce "kiralite"den bahsetmek gerekiyor.
Moleküllerin de sağ ve sol elleri var
Sağ elinizi sol elinizin yanına ikisi de aşağı bakacak şekilde koyun. İki eliniz birbirinin ayna görüntüsünü oluşturur. Parmakların sayısı ve yapısı aynı olsa da birini diğerinin üzerine kusursuz biçimde denk gelecek şekilde yerleştiremezsiniz.
Kimyada bu özelliğe "kiralite"; bu özelliğe sahip yapılara da "kiral" deniyor. Bu, bir molekülün ayna görüntüsüyle üst üste çakıştırılamaması anlamına geliyor. Birbirinin ayna görüntüsü olan bu molekül çiftlerine de "enantiyomer" adı veriliyor.
Örneğin "alanin" adlı aminoasit iki farklı biçimde bulunabiliyor: L-alanin ve D-alanin. İkisi aynı atomları içeriyor ve atomlar birbirine aynı sırayla bağlanıyor. Ancak atomların üç boyutlu uzaydaki düzeni farklı.
Bu küçük farkın biyolojik sonuçları ise çok büyük.
Zira insan vücudundaki enzimler, reseptörler ve proteinler de üç boyutlu yapılara sahip. Bir molekülün sağ veya sol yönelimli olması, vücudumuzdaki başka bir moleküle bağlanıp bağlanamayacağını belirleyebiliyor.
Yani vücudumuzdaki molekül dünyasında da bir eldiven yalnızca uygun ele tam oturuyor.
Bu nedenle birbirinin ayna görüntüsü olan iki molekülden biri tedavi edici etki gösterirken diğeri daha az etkili, etkisiz ve hatta zararlı olabiliyor. Ancak bu, her enantiyomer çiftinin mutlaka farklı biyolojik etki gösterdiği anlamına da gelmiyor.
Yaşam tek bir yönü tercih ediyor
Üstelik vücudumuzdaki belirli sistemler, sadece belirli yönelimleri tercih ediyor.
Örneğin, canlıların proteinlerini oluşturan aminoasitler neredeyse tamamen L biçiminde. DNA ve RNA'nın yapısındaki şekerler ise D biçiminde.
Farklı molekül aileleri için belirli bir kiral yönelim seçiliyor. Bu duruma Buna "homokiralite" adı veriliyor.
Bunun nedeni uzun yıllar araştırıldı. Bulgulara göre, yaşam ortaya çıkmadan önce Dünya'da kimyasal tepkimeler vardı. Burada birbirinin ayna görüntüsü olan moleküllerin çoğu durumda yaklaşık eşit miktarda üretilmesinin mümkün olduğu biliniyor. Ancak yaşamın temel moleküllerine baktığımızda böyle bir eşitlik göremiyoruz.
Gizem daha da derinleşti: Başlangıçta iki moleküler yönelimin eşit miktarda bulunabildiği bir ortamda, bunlardan biri nasıl neredeyse tamamen baskın hale gelebildi?
İşte Kagan ve Soai'nin keşifleri, bu tür bir asimetrinin kimyasal süreçlerle nasıl oluşabileceğini gösterdi.
Henri Kagan tam olarak neyi keşfetti?
Ünlü bir organik kimyager olan Profesör Henri Kagan, asimetrik sentez üzerinde çalıştı. Asimetrik sentez, kimyasal tepkimelerde birbirinin ayna görüntüsü olan iki molekülden birinin diğerine göre daha fazla üretilmesini sağlayan yönteme deniyor.
Asimetrik sentezi Kagan icat etmedi ama 1970'lerde "asimetrik katalizin" gelişmesine öncülük etti. Katalizör, kimyasal bir tepkimeyi hızlandıran, ancak tepkimenin sonunda net olarak tüketilmeyen maddeye deniyor. Asimetrik sentezde kiral bir katalizör kullanıldığında, iki ayna görüntüsünden birinin daha fazla üretilmesi sağlanabiliyor.
Örneğin kiral bir katalizör kullanılmadığında iki molekül yaklaşık yüzde 50'şer oranında oluşabilir. Kiral katalizör kullanıldığında ise moleküllerden birinin oluşumu diğerine göre daha fazla hızlanabilir. Böylece ürünlerin yüzde 90'ı bir biçimde, yüzde 10'u diğer biçimde olabilir.
Kagan işte bu kiral katalizörleri kullanarak belirli bir enantiyomerin seçici biçimde üretilmesine yönelik yöntemler geliştirdi.
1986'da ise katalizördeki küçük bir kiral dengesizliğin, tepkime sonucunda üretilen moleküllerde çok daha büyük bir dengesizliğe yol açabileceğini ortaya koydu.
Kenso Soai'nin katkısı ne oldu?
Ancak Kagan henüz homokiralitenin nasıl ortaya çıkabileceğini bütünüyle göstermemişti. Küçük bir asimetrinin büyütülebileceğini kanıtlamıştı. Sonraki büyük adım ise Soai'den geldi.
Japon kimyager, Kagan'ın bulgularını daha da ileri taşıdı. Onun çalışmalarında kilit kavram ise "otokataliz".
Normalde bir katalizör, başka maddeler arasındaki tepkimeyi hızlandırır. Otokatalizde ise tepkimenin ürünü, aynı tepkimenin daha hızlı gerçekleşmesini sağlar. Başka bir ifadeyle, üretilen madde kendi üretimini hızlandırır.
Soai bu mekanizmayı kiral moleküllerle birleştirmeyi başardı.
1995'te yayımladığı çalışmada, "5-pirimidil alkanol" adlı kiral bir bileşiğin kendi oluşumunu katalizleyebildiğini gösterdi. Üstelik bu süreç, moleküler asimetriyi de büyütüyordu. Örneğin, başlangıçta bir enantiyomerin yalnızca yüzde 2'lik fazlalığı bulunurken, tepkimenin sonunda bu fazlalık yüzde 87'ye ulaşıyordu.
2003'teyse çok daha çarpıcı bir sonuç elde etti. Kiral olmayan başlangıç maddelerinden hareket eden bir tepkimede, rastlantısal olarak oluşan çok küçük bir kiral dengesizliğin kendi kendini güçlendirerek ürünün yüzde 99,99'unun tek bir enantiyomerden oluşmasını sağlayabildiğini gösterdi.
Soai tepkimeyi tekrarladığında bazen bir enantiyomer, bazen de onun ayna görüntüsü baskın çıkabiliyordu. Yani sistemin hangi yöne gideceği, başlangıçtaki çok küçük ve rastlantısal farklara bağlıydı.
Bunun anlamı şuydu: Kimyasal bir sistem, başlangıçta belirgin bir kiral tercih bulunmasa bile, kendi kendini güçlendiren tepkimeler sayesinde neredeyse tamamen tek bir moleküler yönelime ulaşabiliyordu.
Bu, yaşamın kökeni açısından son derece önemli bir olasılığı gündeme getirdi. Yaşamın neden bunlardan yalnızca birini tercih ettiği sorusuna dair artık bilimin elinde güçlü bir olasılık vardı.
Ancak söz konusu tepkimenin milyarlarca yıl önce Dünya'da gerçekten gerçekleştiğine ilişkin bir kanıt bulunmuyor. Dolayısıyla bilim insanları halen yaşamın neden L-aminoasitleri ve D-şekerleri seçtiğini kesin olarak bilmiyor.
Bu keşifler neden önemli?
İki enantiyomerin vücuttaki etkileri farklı olabildiği için ilaç geliştirirken yalnızca doğru kimyasal bileşiği üretmek yeterli olmayabiliyor. Bazen o bileşiğin doğru üç boyutlu biçimini üretmek de gerekiyor.
Bu yüzden kiralite konusu özellikle ilaç endüstrisi için son derece önemli.
Örneğin, 1950'li yılların sonlarında özellikle hamilelikte görülen mide bulantılarını önlemek amacıyla kullanılan bir ilaç olan Talidomid, kiralitenin ilaç geliştirmedeki önemini acı bir şekilde gözler önüne sermişti. İlacın anne karnındaki bebeklerde ciddi gelişim bozukluklarına yol açtığı anlaşılmıştı. Dünya genelinde binlerce bebek, uzuv eksiklikleri başta olmak üzere ağır doğum kusurlarıyla dünyaya gelmişti.
Talidomid, birbirinin ayna görüntüsü olan iki farklı moleküler biçime sahipti. Bu biçimlerden biri sakinleştirici etkileriyle, diğeri ise embriyonun gelişimine zarar veren etkileriyle ilişkilendirildi.
Ancak daha sonraki araştırmalar, bu iki biçimin insan vücudunda birbirine dönüşebildiğini de gösterdi. Dolayısıyla yalnızca bir enantiyomerin kullanılması da ilacı güvenli hale getirmiyordu. Yine de Talidomid faciası, moleküllerin üç boyutlu yapısındaki küçük farklılıkların biyolojik etkiler açısından ne kadar önemli olabileceğini gösteren en çarpıcı örneklerden biri oldu.
Bunun yanı sıra kiralite, ilaç üretimi kadar parfüm, aroma maddeleri, tarım kimyasalları ve bazı ileri malzemelerin geliştirilmesi açısından da önem taşıyor.
Kimya Nobel Komitesi Başkanı Heiner Linke, basın toplantısında yaptığı açıklamada, “Henri Kagan ve Kenso Soai, yüzyılı aşkın süredir çözülemeyen bir kimya bilmecesine, homokiralitenin nasıl kendiliğinden ortaya çıkabildiği sorusuna yanıt getirdi,” diyor:
"Araştırmacıların geliştirdiği kimyasal reaksiyonlar gerçekten olağanüstü."