2026년 노벨 화학상은 화학 반응이 분자의 두 거울상 형태를 동일한 비율로 생성하는 대신, 그중 한 형태에 강하게 치우칠 수 있음을 보여준 연구를 인정해 Henri Kagan과 Kenso Soai에게 수여됐다. 생명은 엄격한 분자 선택성에 의존하는 반면, 대부분의 화학 반응에는 이러한 선택성이 자동으로 나타나지 않기 때문에 이 성과는 중요하다.
분자의 ‘손잡이성’이 중요한 이유
이 특성은 과학적으로 키랄성(chirality)이라고 하며, 서로 대칭인 두 형태는 일반적으로 D와 L이라는 문자로 표시한다. 두 형태는 화학적 구성 요소가 같지만, 공간에서 결합이 배열된 방식 때문에 오른손과 왼손처럼 서로 겹쳐 맞출 수 없는 거울상이다.
이 차이는 단순히 외형적인 것이 아니다. 생체 반응을 수행하는 단백질인 효소는 특정 분자에 맞도록 형성된 결합 부위를 지닌다. 따라서 효소는 두 형태 중 하나와 반응할 수 있지만 그 거울상은 다루지 못할 수 있다. 자료에 따르면 생명은 당의 한 형태를 사용하며, 많은 효소는 그 반대 형태와 반응하지 않는다.
가설에서 측정 가능한 반응으로
연구자들은 이러한 편향이 어떻게 발생하는지에 대해 여러 이론적 설명을 제시했다. 한 형태를 미세하게 선호하는 촉매만으로도 시간이 지나면서 해당 형태가 축적될 수 있으며, 반응 생성물 자체가 자신의 형태를 더 많이 생성하도록 촉매로 작용하면서 반대 형태의 형성을 억제할 수도 있다.
Henri Kagan은 키랄 촉매를 사용해 이러한 가능성을 연구했다. 그는 촉매의 두 거울상 형태가 동일한 양으로 존재할 수 있지만, 그중 하나가 훨씬 더 활성이 높아 키랄 분자를 생성하는 반응을 한 형태로 유도할 수 있음을 발견했다. 1960년대 중반에 이르러 그는 한 형태를 초과해 생성할 수 있는 세 가지 반응을 확인했다. 이후 연구에서는 비키랄 물질을 첨가하면 촉매의 활성이 변화하거나 억제될 수 있음이 나타났으며, 이는 의약품 산업이 활용한 더욱 정밀한 제어를 가능하게 했다.
Soai의 자기증폭
약 10년 후 Kenso Soai는 생성물 중 하나가 반응 자체의 촉매로 작용하는 반응을 연구했다. 그는 키랄성을 선택하는 반응을 발견했다. 즉, 두 형태 중 하나가 같은 형태의 분자를 더 많이 생성하도록 촉매 역할을 했다. 그는 작은 초과량으로 시작했지만, 한 번의 순환 후 비율은 55%로 증가했고, 과정을 여러 차례 반복하자 90%에 도달했다.
다른 조건에서는 한 형태의 초과량이 0.00005%라는 매우 미미한 비율에서 시작했지만, 몇 차례의 순환 후 그 비율은 99%를 넘어섰다. 생성물이 자신의 형태 생성을 촉진하고 거울상 형태의 생성을 억제했기 때문이다.
실질적으로 무엇이 달라지는가?
이러한 결과는 특정한 키랄성을 지닌 의약 화합물을 생산할 수 있는 실용적 기반을 제공한다. 일부 의약품의 잘못된 형태는 효과가 없거나 해로울 수 있으므로, 선택적 반응은 원치 않는 형태의 생성을 줄이는 수단을 제공한다.
이 발견과 생명의 기원 사이의 연관성은 여전히 간접적이다. 언급된 반응이 생명체가 의존하는 분자와 가까운 생체 분자를 사용해 입증된 것은 아니므로, 이 반응만으로 생명이 어떻게 하나의 분자 형태를 선택했는지를 입증할 수는 없다. 그러나 한 형태의 양이 작은 차이로 자연스럽게 더 많아질 수 있으며, 이러한 차이가 초기 화학을 오늘날 생명을 특징짓는 강한 선택성으로 이끄는 데 도움을 주었을 가능성을 시사한다.