Dos científicos que resolvieron el misterio químico de por qué algunas reacciones crean moléculas que son sólo una de las dos posibles variantes en espejo han ganado el Premio Nobel de Química de este año.
Henri Kagan, de la Universidad de París-Sud en Orsay, Francia, y Kenso Soai, de la Universidad de Tokio, Japón, comparten el premio de 12 millones de coronas suecas (1,2 millones de dólares estadounidenses), anunciado por la Real Academia Sueca de Ciencias en Estocolmo el 7 de octubre.
«Estoy muy emocionado de recibir la muy buena noticia sobre el premio Nobel.» «Este es uno de los días más emocionantes de mi vida,» dijo Soai, hablando con el comité Nobel después de que se anunciara el premio. Soai dijo que estaba de compras cerca de su casa cuando recibió la llamada.
Aunque podrían ocurrir en cualquiera de las formas, los bloques de construcción de la vida son de una sola mano o ‘homocirales’ — por ejemplo, el ADN es diestro mientras que los aminoácidos son zurdos. El descubrimiento premiado se relaciona con la pregunta clave de cómo surge esta asimetría química en la naturaleza.
En experimentos realizados en la década de 1980, el químico francés Kagan mostró cómo una pequeña asimetría en la quiralidad de un catalizador puede amplificarse en los productos de reacción. En 1995, Soai encontró una reacción en la que un producto quiral era también un catalizador, impulsando una asimetría aún mayor en la quiralidad. Juntos sugieren cómo las reacciones naturales en los organismos vivos podrían producir abrumadoramente solo un tipo de molécula de imagen especular.
«Henri Kagan y Kenso Soai han proporcionado una solución a un misterio químico que tiene más de un siglo: cómo la homociralidad puede surgir espontáneamente,» dijo Heiner Linke, presidente del Comité Nobel de Química, en un comunicado. «Las reacciones químicas que han desarrollado son espectaculares.»
«Kagan es una persona muy, muy modesta con una verdadera pasión por la química, no le importaba ser famoso», dice Olivier Riant, químico organometálico de la Universidad Católica de Lovaina que estudió con Kagan en la Universidad de París Sud.
Hoy en día, los descubrimientos son esenciales para los químicos a la hora de diseñar reacciones para crear medicamentos, materiales e incluso perfumes. Los descubrimientos de los ganadores «desafían lo que pensábamos que sabíamos y abren nuevas formas de pensar y diseñar reacciones químicas», dice Mónica Pérez-Temprano, química mecanicista del Instituto de Investigación Química de Cataluña, España.
El rompecabezas de una sola mano
Los químicos han sabido durante mucho tiempo que algunas moléculas vienen en dos formas de imagen especular o quiral, y que la vida a menudo opera utilizando solo una de ellas. Pero cuando los químicos realizaron reacciones que creaban las moléculas quirales, generalmente obtenían una mezcla uniforme de los dos tipos. Cómo los organismos vivos crean solo una imagen especular fue un enigma.
Los catalizadores pronto surgieron como la clave: sustancias que impulsan una reacción química pero no se consumen. Si el propio catalizador es quiral, esto puede impulsar la creación de una sola molécula imagen especular. En 1953, Charles Frank, un físico teórico de la Universidad de Bristol, Reino Unido, sugirió que si las reacciones químicas pudieran producir su propio catalizador quiral, tendría un efecto auto-reforzante y haría que una imagen especular dominara.
Ganadores del premio Nobel de química de 2001, William Knowles, Ryoji Noyori y Barry Sharpless, diseñaron reacciones que utilizaban un catalizador quiral para dirigir las reacciones hacia la creación de una sola versión de una molécula. El premio de este año reconoce a Kagan y Soai por ir más allá y realizar la visión de Frank al diseñar reacciones químicas que crean su propio catalizador quiral.
«Kagan mostró cómo se podría hacer en principio y luego la reacción de Soai nos dio el primer ejemplo real», dice Jonathan Clayden, un químico orgánico de la Universidad de Bristol, Reino Unido.
Soai «hizo un trabajo notable afinando las reacciones autocatalíticas», dice Stephen Fletcher, un químico sintético de la Universidad de Oxford, Reino Unido. En una mezcla química, “a veces podrías tener un millón de moléculas de una quiralidad en un lado, y un millón y una moléculas de la otra quiralidad en el otro lado, y Soai trabajó en cómo amplificar el desequilibrio — eso es notable”.
El trabajo de Kagan y Soai ha atraído mucho interés en los esfuerzos por explicar por qué las moléculas de la vida, como los ácidos amino y nucleicos, tienden a estar presentes en solo una forma quiral, dice Furkan Öztürk, quien estudia la química prebiótica en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena.
Desde el descubrimiento de la reacción de Soai, dice Öztürk, los científicos han tratado de determinar si una reacción similar podría haber ocurrido en la Tierra ‘prebiótica’, antes de que surgiera la vida. «El problema es que la reacción [Soai] requiere condiciones —famosamente, no puede llevarse a cabo en agua— y reactivos que no son tan compatibles con las condiciones de la Tierra prebiótica y su inventario químico,» dice. «Pero creo que hay mucho que aprender de sus principios fundamentales para entender los orígenes prebióticos de la homociralidad.»
«Mucha gente está tratando de trabajar en la relevancia biológica de la reacción de Soai.» Puedo ver este premio como una chispa para reavivar esta investigación, dice Fletcher.
Experimentos pioneros
Kagan descubrió por primera vez una reacción en la que un ligero desequilibrio inicial en la quiralidad del catalizador se amplificaba a lo largo del experimento, creando un desequilibrio mucho mayor en presencia de cada tipo de catalizador quiral. Soai luego buscó otras reacciones con este efecto asimétrico y, crucialmente, en las que el catalizador forma parte de la reacción, conocidas como autocatalíticas.
En su experimento seminal de 1995, Soai utilizó la sustancia quiral 5-pirimidil alkanol que podía crearla para hacerlo. Demostró que comenzando con solo un 2% de exceso de una molécula con una quiralidad en una reacción se podía terminar con un exceso del 87% de esa molécula.
En 2003, continuó con lo que se conoció como la reacción de Soai, que comienza con reactivos no quirales que forman dos catalizadores quirales. Cualquiera de los dos que se cree en un ligero exceso aleatorio eventualmente constituye hasta el 99.99% del producto.
«Este es probablemente el experimento más genial en química orgánica», dijo Peter Somfai, miembro del Comité Nobel de Química, hablando en el anuncio.
La reacción de Soai no responde a la pregunta de por qué la vida selecciona una de las dos quiralidades. “Pero proporciona un mecanismo por el cual el problema podría resolverse,” dice Matthew Powner, un químico orgánico que estudia el origen químico de la vida en el University College London.
Debido a que la forma izquierda y la derecha de una molécula a menudo tienen diferentes propiedades químicas, separarlas es una parte crucial del descubrimiento de fármacos. El tratamiento estándar para la enfermedad de Parkinson, que es un medicamento llamado levodopa, es una molécula quiral orgánica y solo una de sus formas es el principio activo (L-DOPA).
La comprensión de los efectos de amplificación al estilo Kagan también permitió a los químicos de Merck desarrollar una síntesis efectiva del fármaco anti-VIH Efavirenz, dice Clayden. «Podría estar entre muchas moléculas de medicamentos donde hay [tales] pasos en la síntesis que no conocemos debido a la propiedad intelectual de las compañías farmacéuticas,» dice.
«Mucha gente está tratando de trabajar en la relevancia biológica de la reacción de Soai.» Puedo ver este premio como una chispa para reavivar esta investigación, dice Fletcher.
Premio anterior
La victoria podría verse como una corrección de un agravio histórico y podría reavivar un debate sobre el crédito. Algunos investigadores piensan que Kagan y Soai se perdieron el Premio Nobel de Química de 2001 por su trabajo en la síntesis selectiva de una forma de imagen especular. La omisión de Kagan provocó protestas por parte del ministro de ciencia francés.
Fletcher dice que Soai, mientras tanto, fue quien entendió mecánicamente esas cosas — «hizo una contribución sobresaliente a nuestra comprensión».
Fletcher ha estado prediciendo este premio Nobel durante años, aunque pensaba que Donna Blackmond, una química del Scripps Research en La Jolla, California, también lo recibiría por entender los detalles mecánicos de estos procesos, lo que podría ayudar a los investigadores a comprender cómo se originó la quiralidad biológica.
Elizabeth Gibney, Miryam Naddaf, Anne Pichon, Davide Castelvecchi y Ewen Callaway
