Nobel Hóa học 2026: Lời giải cho bí ẩn thế kỷ về các phân tử đối ảnh

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển thông báo trao giải cho các giáo sư Henri B. Kagan (Pháp) và Kenso Soai (Nhật Bản) vì "đã phát hiện ra các hiệu ứng phi tuyến và hiện tượng tự xúc tác trong tổng hợp hữu cơ bất đối xứng".

Đối ảnh là hiện tượng một số phân tử, chẳng hạn như axit amin, tồn tại dưới dạng hai biến thể là hình ảnh phản chiếu của nhau qua gương. Tuy nhiên, các sinh vật sống chỉ chứa một trong hai biến thể này. "Tổng hợp hữu cơ bất đối xứng" là các phương pháp hóa học giúp tạo ra một trong hai dạng đó.

Theo Hội đồng Nobel, trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu biết rằng về mặt lý thuyết có thể thiết kế những phản ứng này, nhưng cách thực hiện điều này trong thực tế vẫn còn là một bí ẩn.

"Henri Kagan và Kenso Soai đã đưa ra lời giải cho một bí ẩn hóa học đã tồn tại hơn một thế kỷ qua: làm thế nào mà tính bất đối xứng hóa học (homochirality) có thể xuất hiện một cách tự phát. Các phản ứng hóa học mà họ đã phát triển thực sự rất ngoạn mục," GS. Heiner Linke, chủ tịch Ủy ban Nobel về Hóa học, cho biết trong thông cáo báo chí của giải Nobel.

Để hình dung về cơ chế đối ảnh này, hãy tưởng tượng bạn là một người thợ khóa chuyên làm chìa khóa theo yêu cầu. Vấn đề là mỗi khi chế tạo, bạn luôn tạo ra hai phiên bản là ảnh phản chiếu của nhau, nhưng chỉ một phiên bản vừa với ổ khóa, nếu khách hàng cố mở bằng chiếc chìa còn lại, ổ khóa có thể bị hỏng. Điểm thách thức hơn nữa là rất khó để phân biệt hai chiếc chìa khóa này với nhau, vì vậy khách hàng mua ổ khóa lúc nào cũng nhận được cả hai và phải chơi trò chơi may rủi mỗi khi tìm cách mở ổ.

Thách thức này cũng chính là điều mà các nhà hóa học gặp phải khi nghiên cứu và phát triển dược phẩm mới. Nhiều phân tử thuốc tồn tại dưới hai dạng là ảnh đối xứng gương không chồng khít lên nhau: một dạng có tác dụng điều trị, trong khi dạng kia có thể gây ra những tác dụng phụ không cần thiết và đôi khi có hại.

Nguyên nhân sâu xa liên quan đến hóa học nền tảng của sự sống: sự sống có tính đồng đối quang (homochiral), hay "đồng tính chất đối xứng gương", bắt nguồn từ các từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "giống nhau" và "bàn tay". Tương tự như con người có tay trái và tay phải, tất cả các axit amin đều tồn tại dưới hai dạng ảnh phản chiếu qua gương, nhưng chỉ một dạng có trong các protein của tế bào, còn dạng còn lại hiếm khi xuất hiện trong thế giới tự nhiên. Các phân tử đường cấu tạo nên DNA cũng vậy, chúng có hai dạng ảnh đối xứng gương khác nhau, nhưng sự sống chỉ sử dụng một phiên bản.

Đó là lý do các nhà hóa học từ lâu đã tự hỏi tính đồng đối quang có thể hình thành như thế nào.

Kế thừa phát hiện của Louis Pasteur từ giữa thế kỷ XIX

Giải Nobel Hóa học 2026 là kết quả của một chuỗi dài các ý tưởng, trong đó mắt xích đầu tiên được hình thành vào giữa thế kỷ XIX. Mọi chuyện bắt đầu với Louis Pasteur, khi ông nghiên cứu một chất quan trọng trong quá trình sản xuất rượu vang: axit tartaric.

Trong quá trình tìm hiểu, các đồng nghiệp của Pasteur cho hay axit tartaric đôi khi làm ánh sáng phân cực lệch sang phải, nhưng vào những thời điểm khác lại không ảnh hưởng đến ánh sáng, khiến Pasteur rất chú ý đến chi tiết này.

Do đó, ông đã nuôi các tinh thể axit tartaric và quan sát chúng dưới kính hiển vi rồi phát hiện ra rằng: chúng tồn tại ở hai dạng, mỗi dạng là hình ảnh phản chiếu qua gương của dạng kia.

Để tìm hiểu cụ thể hơn, ông tách chúng thành hai nhóm và hòa tan riêng từng nhóm. Khi cho ánh sáng phân cực đi qua các dung dịch, một dung dịch làm ánh sáng lệch sang phải, còn dung dịch kia làm ánh sáng lệch sang trái. Nếu trộn hai dung dịch lại với nhau, ánh sáng lại không bị tác động nữa.

Thí nghiệm này đã giúp các nhà hóa học nhận ra rằng một số chất tồn tại dưới dạng hai biến thể là hình ảnh phản chiếu của nhau. Về sau, những chất này được gọi là chiral (đối quang), còn hai phân tử là ảnh phản chiếu gương của nhau được gọi là enantiomer (đồng phân đối quang).

Pasteur đã đưa ra một quan sát quan trọng tiếp theo vào năm 1857, khi ông nghiên cứu điều gì xảy ra khi vi khuẩn lên men các enantiomer khác nhau của axit tartaric. Kết quả là ông nhận thấy vi khuẩn chỉ lên men dạng tự nhiên có trong nho, trong khi đó dạng còn lại thì không bị lên men. Từ đó, ý tưởng rằng hóa học của sự sống có tính đối quang đã bắt đầu hình thành.

Phát hiện này cũng cho thấy một số chất có thể tồn tại dưới hai dạng với tính chất khác nhau, và trong một số trường hợp có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng đối với sức khỏe. Một ví dụ tiêu biểu là thảm họa thuốc trị chứng nghén thalidomide vào đầu những năm 1960 khiến cho hàng nghìn trẻ em bị dị tật bẩm sinh. Khi các nhà nghiên cứu phân tích sự việc, họ nhận ra rằng chính dạng ảnh phản chiếu qua gương của hoạt chất là nguyên nhân gây ra tác hại của loại thuốc này.

Tuy nhiên, việc tạo ra một cách có chọn lọc dạng mong muốn của một chất có tính đối quang vẫn là vấn đề chưa được giải quyết cho đến khi Kagan và Soai phát triển các phản ứng bất đối xứng, có khả năng tạo ra lượng dư của một dạng phân tử.

"Đây có lẽ là thí nghiệm thú vị nhất trong hóa học hữu cơ", GS. Peter Somfai, một thành viên của Ủy ban Nobel về Hóa học, nhận xét tại lễ công bố giải thưởng.

Đột phá nhờ cách nghĩ "vượt ra ngoài khung"

Nhà khoa học Pháp Henri Kagan đã thực hiện bước tiến mang tính quyết định đầu tiên vào năm 1986, khi phát hiện một phương pháp mới để điều khiển các phản ứng hóa học. Ông là người đầu tiên phát hiện một phản ứng trong đó sự mất cân bằng rất nhỏ ban đầu về tính đối quang của chất xúc tác được khuếch đại trong quá trình thí nghiệm, tạo ra sự mất cân bằng lớn hơn nhiều giữa hai loại chất xúc tác đối quang. Phương pháp này cho phép ông tạo ra lượng dư của một trong hai dạng ảnh phản chiếu lớn hơn mức trước đó được cho là có thể đạt được.

GS. Kenso Soai tiếp tục thực hiện bước tiến tiếp theo. Ông tìm kiếm những phản ứng khác có hiệu ứng bất đối xứng này và, quan trọng hơn, trong đó chất xúc tác được tạo thành ngay trong quá trình phản ứng - hiện tượng được gọi là tự xúc tác (autocatalysis). Năm 1995, ông có một công trình nghiên cứu quan trọng mô tả cách thiết kế phản ứng hóa học đầu tiên trên thế giới có tiềm năng tạo ra sản phẩm đồng đối quang. Trong tám năm sau đó, Soai tiếp tục tìm kiếm quá trình tự xúc tác tối ưu. Đến năm 2003, Soai cuối cùng đã thành công. Ông công bố một phản ứng trong đó chỉ một trong hai dạng ảnh phản chiếu có thể có được hình thành. Ngoài chính sự sống trong tự nhiên, trước đó chưa có ai từng làm được điều này.

Thực tế, năm 1953, nhà vật lý lý thuyết Charles Frank đến từ Đại học Bristol (Anh) đã đưa ra một ý tưởng: Nếu một phản ứng hóa học có thể tự tạo ra chất xúc tác của chính nó, quá trình này sẽ tự thúc đẩy mạnh mẽ và cuối cùng khiến một dạng phân tử (ảnh qua gương) lấn át hoàn toàn dạng còn lại.

Các nhà khoa học đoạt Giải Nobel Hóa học năm 2001, William Knowles, Ryoji Noyori và Barry Sharpless, cũng đã thiết kế các phản ứng sử dụng chất xúc tác có tính đối quang để điều khiển phản ứng tạo ra chỉ một dạng của phân tử. Song, điểm đáng chú ý là Kagan và Soai vì đã tiến thêm một bước và hiện thực hóa ý tưởng của Frank bằng cách thiết kế các phản ứng hóa học tự tạo ra chất xúc tác có tính đối quang - khám phá được Giải Nobel năm nay ghi nhận.

"Kagan là người đầu tiên chứng minh về mặt lý thuyết cách hiện tượng này có thể xảy ra, còn phản ứng do Soai tạo ra chính là ví dụ thực tế đầu tiên chứng minh điều đó", GS. Jonathan Clayden, nhà hóa học hữu cơ tại Đại học Bristol, nói với Nature.

Nhờ những đóng góp của Henri Kagan và Kenso Soai, ngày nay chúng ta đã biết tính đồng đối quang có thể hình thành như thế nào - một kết quả có ý nghĩa quyết định đối với các nhà hóa học trong việc thiết kế các phản ứng phục vụ sản xuất dược phẩm, vật liệu và thậm chí là nước hoa.

"Những phát hiện của hai nhà khoa học thách thức những gì chúng ta từng nghĩ mình đã biết và mở ra những cách hoàn toàn mới để suy nghĩ và thiết kế các phản ứng hóa học", Mónica Pérez-Temprano, nhà hóa học nghiên cứu cơ chế phản ứng tại Viện Nghiên cứu Hóa học Catalonia, Tây Ban Nha, chia sẻ với tờ Nature.

Kim Dung tổng hợp