2026 노벨화학상, 분자가 한쪽 ‘손’만 고르게 만드는 반응에

당신 몸의 모든 단백질은 왼손잡이 아미노산으로 만들어져 있다. 하지만 화학자들이 플라스크에서 같은 분자를 합성하면 왼손과 오른손 버전이 동등한 양으로 얻어진다. 앙리 B. 카간(Henri B. Kagan)과 겐소 소아이(Kenso Soai)는 반응이 그 균형을 깨뜨려, 한쪽 거울상의 미세한 과잉이 거의 완전히 우세해질 때까지 증폭되는 방법을 보여주었다. 스웨덴 왕립과학원(Royal Swedish Academy of Sciences)은 이 공로로 그들에게 노벨 화학상을 수여했으며, 이 연구는 현재 의약품 개발자들이 올바른 버전의 약을 추적하는 기반이 되고 있다.

많은 분자는 서로 거울상인 두 가지 형태로 존재하는데, 마치 왼손과 오른손과 같다. 화학자들은 이런 분자를 키랄(chiral)이라고 부르며, 두 버전을 거울상 이성질체(enantiomer)라고 한다. 이들은 동일한 순서로 결합된 동일한 원자를 포함하지만, 동일한 생물학적 자물쇠에 맞지 않는다. 따라서 약의 한 형태는 치료 효과를 내는 반면, 그 쌍둥이는 아무 효과가 없거나 해를 끼칠 수 있다. 생명체는 화학자들이 호모키랄(homochiral)이라고 부르는 상태이다. 즉, 아미노산의 한쪽 손만 사용하고 DNA의 당도 한쪽 손만 사용하며, 아무도 그렇게 된 이유를 완전히 설명하지 못했다.

당시 Université Paris-Sud(파리-쉬드 대학교)에 있던 프랑스 화학자 카간과 Tokyo University of Science(도쿄 과학대학)의 일본 화학자 소아이는 ‘비대칭 유기 합성에서 비선형 효과와 자기촉매 반응의 발견’으로 공로를 인정받았다. 두 사람은 1,200만 스웨덴 크로나를 균등하게 나누었다. 노벨 화학위원회 위원장 하이너 링케(Heiner Linke)는 “앙리 카간과 겐소 소아이는 100년이 넘는 화학적 미스터리, 즉 호모키랄성이 어떻게 자발적으로 나타날 수 있는지에 대한 해결책을 제시했습니다. 그들이 개발한 화학 반응은 경이적입니다”라고 말했다.

물리학자가 화학자들을 위해 써놓은 수수께끼

노벨 위원회는 이 상의 기원을 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)로 거슬러 올라간다. 그는 현미경 아래에서 핀셋으로 주석산 결정을 분류하여 편광을 반대 방향으로 회전시키는 두 가지 거울상 형태를 발견했다. 이후 그는 박테리아가 그중 하나만 발효시킨다는 사실을 알아냈다. 이것은 생명의 화학이 편애를 한다는 첫 번째 단서였다.

일반 화학은 그렇지 않다. 두 거울상을 모두 생성할 수 있는 반응은 그대로 두면 50대 50 혼합물, 즉 라세미체(racemate)를 만든다. 한쪽 손을 더 많이 만드는 방법은 키랄 촉매, 즉 소모되지 않고 반응을 한쪽 버전으로 유도하는 보조 물질을 사용하는 것이다. 초기 시도는 아주 미세한 편향만을 만들어냈다.

그 후 브리스톨 대학교의 영국 이론 물리학자 찰스 프랭크(Charles Frank)는 반응이 혼합물을 완전히 한쪽 손으로 이끌기 위해 필요한 조건을 종이에 스케치했다. 그것은 키랄 촉매, 한쪽 거울상을 억제하면서 다른 쪽을 증폭시키는 방법, 그리고 자기 자신의 생성을 촉매하는 성질인 자기촉매(autocatalysis)를 가진 생성물이 필요했다. 프랭크는 그의 짧은 논문을 마무리하며 실험실에서의 증명이 불가능하지 않다고 언급했다. 수십 년 동안 아무도 성공하지 못했고, 그 문제는 교실의 수수께끼가 되었다.

그들이 해낸 방법

카간은 아무도 신경 쓰지 않았던 질문을 던지며 프랭크의 두 번째 조건에 도전했다. 화학자들은 생성물의 순도가 단순히 촉매의 순도를 반영한다고 가정했다. 즉, 한쪽 손이 50%인 촉매를 넣으면 순수한 촉매에서 얻는 편향의 절반 정도를 가진 생성물이 나온다고 생각했다. 카간은 이 촉매의 핵심에 있는 금속이 한 번에 적어도 두 개의 키랄 분자를 잡아당겨, 왼쪽-왼쪽, 오른쪽-오른쪽, 그리고 혼합된 왼쪽-오른쪽 쌍의 세 가지 종류의 촉매를 생성할 것이라고 의심했다.

혼합 쌍이 정합 쌍보다 느리게 작용한다면, 그것은 조용히 소수 손을 흡수하고 다수 촉매가 대부분의 작업을 수행하도록 할 것이다. 그의 팀은 세 가지 반응을 테스트했고 정확히 그런 직선에서의 이탈을 발견했다. 그중 하나는 배리 샤플리스(Barry Sharpless)가 개발한 널리 사용되는 산화 반응으로, 생성물이 그것을 만든 촉매보다 더 순수하게 나왔다. 화학자들은 이 현상을 비선형 효과(non-linear effect)라고 명명했고, 빠르게 퍼져나갔다. 료지 노요리(Ryoji Noyori)가 연구한 관련 아연 반응에서는 한쪽 손이 15%만 농축된 촉매가 98% 농축된 생성물을 제공했다.

소아이는 프랭크의 마지막 조건인 자기촉매를 추구했다. 알데하이드에 아연 화합물을 첨가하는 반응을 연구하던 중, 그는 생성물이 촉매와 매우 비슷해 보인다는 것을 알아차리고 생성물이 자기 자신의 촉매가 될 수 있을지 궁금해했다. 그의 첫 번째 자기 복제 반응은 스스로를 복제했지만, 각 라운드마다 순도가 떨어졌다. 86% 농축된 촉매가 35% 농축된 생성물만을 제공했다.

돌파구는 피리미딘 알코올(pyrimidine alcohol)에서 나왔다. 이 분자는 탄소와 질소 원자의 고리로 구성되며, 다이아이소프로필아연(diisopropylzinc)이라는 아연 화합물이 해당 알데하이드와 반응할 때 형성된다. 한쪽 손이 5%만 과잉인 그 알코올 배치로 만든 촉매는 55% 과잉의 새로운 알코올을 생산했다. 다시 투입되면 그 생성물이 다음 라운드의 촉매가 되어 87%에 도달했고, 다섯 번의 라운드 후 순도는 약 90%에서 평탄화되었다. 이후 개선된 버전은 불균형이 0.00005%에 불과한 시료를 세 번의 라운드 만에 99.5% 이상으로 끌어올렸으며, 두 손 사이의 비율을 63만 배 증폭시켰다. 이 증폭형 자기 복제 화학은 현재 소아이 반응(Soai reaction)이라고 불린다.

한쪽을 선택하는 동전 던지기

가장 놀라운 실험은 키랄 성분을 전혀 사용하지 않은 경우였다. 소아이의 팀은 손잡이가 없는 분자에서 시작하여 반응을 진행시켰다. 무작위 변동은 항상 한쪽 손을 아주 약간 앞서게 하며, 소아이 반응은 그 미세한 차이를 포착하여 증폭할 만큼 민감하다. 37회의 실험 중 18회는 한쪽 손이 우세했고 19회는 다른 쪽이 우세했으며, 순도는 15%에서 91%까지 다양했다. 미국에서 독립적으로 연구한 대니얼 싱글턴(Daniel Singleton)도 동일한 대칭 깨짐을 보여주었다.

그 결과는 초기 지구가 필요로 했을 것과 매우 흡사하다. 즉, 우연히 한쪽을 선택한 후 그것을 고정시키는 반응이다. 노벨 위원회는 이것이 외부 키랄 영향 없이 프랭크의 모델을 확인한 최초의 실험실 실험이며, 생명의 여명 이후로 아무도 손잡이가 없는 분자 혼합물에서 손잡이를 만들어낸 첫 번째 사례라고 평가한다.

당신의 약장이 신경 쓰는 이유

1960년대 초 탈리도마이드(thalidomide) 참사는 진정제가 수천 명의 어린이에게 심각한 선천적 결함을 일으킨 사건으로, 제약사들이 분자의 두 손이 체내에서 매우 다르게 작용할 수 있다는 사실을 절실히 깨닫게 했다. 조사관들은 나중에 약의 거울상 형태가 해를 끼친 원인이라고 결론 내렸지만, 체내에서 탈리도마이드의 한 형태가 다른 형태로 전환되므로 순수한 용량조차 안전하지 않았을 것이다. 오늘날 규제 당국은 기업들이 판매하는 키랄 약물의 형태가 무엇인지, 그리고 다른 형태가 무엇을 하는지 알고 있을 것을 기대한다.

카간의 비선형 효과는 일상적인 진단 도구가 되었다. 반응이 비선형적으로 행동하면, 이는 화학자들에게 촉매 주위에 몇 개의 키랄 조각이 모여 있는지 알려주며, 더 순수한 생성물을 위해 공정을 재설계하는 데 도움을 준다. 위원회는 제약, 향료, 향수, 농약 및 일부 신소재를 이에 의존하는 산업으로 꼽는다. 에릭 카레이라(Erick Carreira)의 연구 그룹은 HIV 약물인 에파비렌즈(efavirenz)의 핵심 구성 요소를 만들기 위해 비대칭 자기촉매 단계를 사용했다.

이 상이 해결하지 못한 것

이 상은 생명이 왜 왼손잡이 아미노산을 선택했는지 설명하지 않는다. 위원회 자체의 과학적 배경 설명에 따르면 프랭크의 모델은 약 35억~40억 년 전에 발생한 사건에 대한 여러 가능한 경로 중 하나일 뿐이며, 우리는 아마도 결정적인 답을 결코 얻지 못할 것이라고 한다. 소아이 반응은 물에서 생존하지 못하는 아연 화합물을 사용하므로, 이는 초기 지구 화학의 재현이 아니라 개념 증명에 불과하다.

소아이 반응은 또한 좁은 범위의 분자에서만 작동한다. 소수의 다른 시스템만이 동일한 증폭형 자기 복제 행동을 보여주며, 아미노산이나 당에서는 발견된 것이 없다. 심지어 메커니즘도 논쟁 중이다. 스콧 덴마크(Scott Denmark)가 이끄는 한 그룹은 한쪽 손의 분자만 맞는 4-아연 클러스터를 통해 증폭을 설명하는 반면, 올리버 트랩(Oliver Trapp)의 팀은 다른 중간체와 속도 결정 단계를 제안한다. 위원회는 두 모델 모두 다른 분자에 대해 성립할 수 있으며, 이는 또한 어느 쪽도 승리하지 못했음을 의미한다고 지적한다.

2026년 노벨 화학상에 관한 자주 묻는 질문

2026년 노벨 화학상은 누가 받았나요?

프랑스의 전 Université Paris-Sud 소속 앙리 B. 카간과 일본의 Tokyo University of Science 소속 겐소 소아이가 상을 균등하게 나누었습니다. 그들은 비대칭 유기 합성에서 비선형 효과와 자기촉매 반응을 발견한 공로로 영예를 안았습니다.

화학에서 키랄이란 무엇을 의미하나요?

키랄 분자는 자신의 거울상과 겹쳐질 수 없습니다. 마치 당신의 왼손이 오른손 위에 완벽하게 겹쳐지지 않는 것과 같습니다. 거울상 이성질체라고 불리는 두 거울상 버전은 생명체 내에서 매우 다르게 행동할 수 있습니다.

소아이 반응이란 무엇인가요?

생성물이 자신을 더 많이 만드는 촉매 역할을 하면서 자신의 손잡이를 선호하는 반응입니다. 한쪽 거울상의 미세한 과잉이 연속적인 라운드를 거쳐 눈덩이처럼 불어나 거의 모든 생성물이 한쪽 손을 가지게 됩니다.

키랄성이 의약품에 왜 중요한가요?

많은 약물 분자는 두 가지 거울상 형태로 존재하며, 종종 하나만 의도된 효과를 내고 다른 하나는 비활성 또는 유해합니다. 올바른 형태를 효율적으로 만드는 것은 비대칭 촉매 반응에 달려 있으며, 이 발견들이 그 분야를 재형성했습니다.

언제 일어났으며, 앞으로는 무엇이 있을까

프랭크는 1953년에 자신의 모델을 발표했다. 1930년 불로뉴-비앙쿠르에서 태어난 카간은 1986년에 첫 번째 비선형 효과를 설명했다. 1950년 히로시마에서 태어난 소아이는 1990년에 첫 번째 자기 복제 반응을, 1995년에는 학술지 네이처(Nature)에 증폭 버전을, 2003년에는 자발적 대칭 깨짐을 보고했다. 이 상은 2001년과 2021년에 비대칭 촉매 반응으로 수여된 두 개의 이전 노벨 화학상에 기반을 두고 있다.

전 세계의 연구실들은 이제 소아이가 피리미딘 알코올에서 해낸 것을 아미노산과 당에서도 해내기 위해 노력하고 있다. 카간과 소아이는 12월 10일 스톡홀름에서 메달을 받을 예정이다.

Reference: Soai, K.; Shibata, T.; Morioka, H.; Choji, K., “Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule,” Nature, 1995. DOI: 10.1038/378767a0

태그: 노벨상, Henri Kagan, Kenso Soai, 아미노산, 키랄성, 화학