化学反応が分子の鏡像の一方を選び取り、増やしていけることを示しました。
- 多くの分子には左手型と右手型の鏡像があり、生命はそのうち一方だけを使っています。
- アンリ・カガン(Henri B. Kagan)は、左右がちぐはぐな触媒の組はゆっくりしか働かないため、多いほうの型が予想以上に優勢になることを見つけました。
- 硤合憲三(Kenso Soai)は自分自身を複製する分子を作り、偶然生じたわずかな偏りを、ほぼ純粋な生成物にまで増幅しました。
それまでの課題
アミノ酸をはじめ多くの分子は、左手と右手のように互いに鏡像となる2つの型を持っています。生物はそのうち一方だけを使いますが、実験室のふつうの反応では、いつも両方が同じ量ずつできていました。
化学者たちは、生成物の純度は触媒の純度に比例して直線的に上がると考えていたため、純度の低い触媒がその直線を上回ることはないとされていました。物理学者のチャールズ・フランク(Charles Frank)は1953年に、ほぼ半々の混合物から一方の型だけになるまでの数理を示しました。しかし、それを実際に起こす反応を示した人はいませんでした。
しくみ
硤合反応を例にとります。亜鉛化合物が、ピリミジンアルデヒドという環状の分子と反応してアルコールができます。このアルコールには左手型と右手型があり、それぞれが自分と同じ型をさらに作る反応を速めます。カガンの考え方にもとづく有力な説明の1つでは、同じ型どうしが組むと速く働き、左右が混じった組はうまく働かずに少数派の型を抱え込んでしまいます。これと対立する説明は原因を別のところに求めており、どちらが正しいのか化学者はいまも議論しています。
硤合の1995年の研究では、一方の型が5%過剰な出発物質から始めると、1回目で55%、2回目で87%、5回目で約90%になりました。のちの実験では、わずか0.00005%の過剰が3回の反応で99.5%を超えました。
意図的な偏りがまったくない場合は、偶然が出発点を傾けます。そうした37回の実験では、一方の型が18回、もう一方の型が19回勝ちました。
ライバルを詰まらせるコピー機
新しいコピー機しか印刷できないコピー機が並ぶ部屋を想像してください。左利きの機械は左利きの機械を、右利きの機械は右利きの機械を印刷します。そして左と右の機械が組になると、互いを詰まらせて止まってしまいます。最初に左の機械が右より1台か2台多いだけで、詰まりによって右の機械が先に消え、部屋は左側に占領されます。このたとえが当てはまらないのは、分子は何も選ばないという点です。占領が起こるのは反応の速さと偶然によるもので、「詰まり」が原子のレベルで正確にどう起きるのかは、化学者の間でいまも議論されています。
- ほぼ半々の混合物から一方の型だけの化学がどう生まれうるかを示したフランクの1953年のモデルを、初めて実験室で実証しました。
- 硤合反応は、2つの型の比率を63万倍に増幅しました。0.00005%の過剰から99.5%超への増幅です。
- カガンの非線形効果は今では、化学者が触媒の働きを解明し、調整するための重要な道具になっています。
- この効果には実用面の使い道もあります。メルク(Merck)の化学者たちは医薬品候補を合成する際、純度70%の出発物質から作った試薬を使い、純度95%の生成物を得ました。
- 医薬品、食品のフレーバー、香料、農薬のメーカーには一方の鏡像体だけが必要で、ノーベル委員会は、こうした考え方がそのような反応の設計の指針になっていると述べています。
10秒
「左手型」の分子へのごくわずかな傾きが雪だるま式にふくらみ、ほぼすべてが左手型になる仕組みを示しました。生命の化学はまさにそうなっています。
子どもに
とても小さな部品の中には、手袋のように左手用と右手用があるものがあります。生き物はそのうち1種類しか使いません。この科学者たちは、手袋が自分をコピーするような方法を見つけました。だから、左手用の手袋が少し多いだけで、山ほどの左手用の手袋になるのです。
30秒
多くの分子には左右の鏡像版があり、生命はそのうち一方しか使いません。実験室の反応では、ふつう半々の混合物ができます。アンリ・カガンは、左右の部品がちぐはぐな触媒はゆっくりしか働かないため、多数派の型が押し上げられることを見つけました。続いて硤合憲三は自分自身のコピーを作る分子を作り上げ、偶然生じたわずかなリードが、ほぼ純粋な状態にまで育つようにしました。
2分
あなたの両手は互いに鏡像で、多くの分子もそうです。生命はえり好みをします。あなたのタンパク質は、アミノ酸の一方の型しか使っていません。ふつうの反応では両方が同じ量できるので、化学者はそれがどうして起こるのかを説明できずにいました。自分のコピーを印刷するコピー機でいっぱいの部屋を思い浮かべてください。左の機械と右の機械は、組になるたびに互いを詰まらせます。最初に左の機械が少し多いだけで、詰まりによって右の機械が脱落していき、やがて部屋は左側のものになります。カガンは1986年に「詰まり」の部分を見つけました。左右の部品が混じった触媒はゆっくりしか働かないため、多数派の型が予想以上に勝つのです。硤合は「コピー」の部分を見つけました。自分自身ができる反応を速める分子です。ある実験では、0.00005%のリードが3回の反応で99.5%超にまで育ちました。これは、単純な化学反応が自力で引き分けを崩せることを証明しています。生命そのものがどうやってそうなったのかは、まだ答えの出ていない問題です。
- キラル
- 左手と右手のように、鏡に映した形を元の形にぴったり重ねられない性質を持つことです。
- 鏡像異性体(エナンチオマー)
- キラルな分子の、互いに鏡像の関係にある2つの型です。
- ホモキラル
- すべてが一方の型であること。ギリシャ語で「同じ手」という意味です。生命のアミノ酸と糖はホモキラルです。
- ラセミ体
- 両方の鏡像体が半々に混ざったもので、ふつうの反応ではこれができます。
- 鏡像体過剰率(ee)
- 一方の型がもう一方よりどれだけ多いかを、パーセントで表したものです。
- 触媒
- それ自体は消費されずに、反応を速める物質です。
- 自己触媒作用
- 生成物が、自分自身をさらに作る反応を速める反応のことです。
- 非線形効果
- 生成物の純度が、触媒の純度に比例して直線的に上がらないことです。
- 不斉合成
- 一方の鏡像体を、もう一方より多くなるよう意図して作ることです。
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.