(표지는 ‘キラ리’의 위키백과 공용 도메인(무료) 이미지에서 인용)
41시간 전(2026년 10월 7일 18시 45분)에 2026년 노벨 화학상이 발표되었습니다. 도쿄리츠대학 명예교수인 초아이 켄조 씨와 프랑스의 앙리 B. 카간 씨가 공동 수상했습니다. 이번 노벨상 화학상 수상 이유는 “비대칭 유기 합성에서 나타나는 비선형 효과와 자가 촉매 작용의 발견”입니다.
저는 노벨상 수상 연구를 조사하는 습관이 있는데, 이번에는 수상 이유만으로 좌절할 뻔했습니다. (저는 대학교도 직업도 문과라서, 대학교 입시에서 생물 공부는 했지만, 화학은 입시 공부를 하지 않았습니다.)
그럼에도 불구하고 흥미가 있어 고바야시 켄조의 『생명과 비생명의 이다』라는 책에 대한 그의 연구와 연관이 있다는 것을 알게 되자 킨들에서 구매했습니다. 마지막으로 읽어보는 것이 좋다고 생각하며, 이 기사의 이해를 돕는 데 도움이 될 수 있을 것 같아 먼저 인용합니다.
도쿄리쓰대학의 겐가이켄삼은 비대칭 분자가 생성되는 반응에서 생성된 분자 자체가 촉매 역할을 하여, 자신과 같은 종류의 분자를 생성한다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어, 좌성형 분자 L(또는 우성형 분자 R)이 생성되면, 그것 자체가 촉매가 되어 다시 L(또는 R)을 생성하는 것이며, 이것이 비대칭 자가 촉매 반응입니다. 이 반응 또한 자가 촉매 반응이므로, L과 R 모두 시그모이드 곡선을 그리며 자신과 같은 종류의 분자를 늘려가려고 합니다.
그러면 L이 R보다 아주 조금 더 많을 경우, 어떤 일이 일어날까요? 이 경우, 폭발적인 증가가 L 쪽으로 더 빠르게 일어납니다. 예를 들어, 최초의 L 과잉률이 1% 미만이라 하더라도, 결과적으로 99% 이상이 L로 변하게 됩니다. 이는 화학 진화에서 자가 촉매 반응이 얼마나 중요한지를 보여줍니다.
매우 전문적인 화학 연구처럼 보이지만, 그 배경에는 “왜 생명체는 오른손잡이와 왼손잡이처럼 관계된 분자 중 거의 한쪽만을 사용하고 있는가?”라는 생명의 기원과 관련된 미스터리가 존재합니다.
이번 노벨상은 화학 반응 속에서 이러한 좌우의 불균형이 어떻게 생성되고, 더욱 작은 불균형이 어떻게 증폭될 수 있는지에 대한 연구입니다.
目次
- (본문 이전의 칼럼) 수상 이유의 의미
- 1. 분자의 거울상 오른쪽과 왼쪽
- 거울상 이성체
- ② L자형, D자형과 S체, R체
- 삶은 양쪽 중 하나를 선택합니다.
- 2. 카간 박사가 발견한 “비선형 효과”
- 일반적으로 “촉매의 불균형은 합성물의 불균형으로 이어질 수 있다”로 표현됩니다.
- 두 개의 촉매 분자가 결합한다
- 미미한 편차가 훨씬 더 큰 편차로 이어질 수 있습니다.
- 3. 야마구치 씨가 발견한 자가 촉매 작용
(본제 이전의 칼럼) 수상 이유의 의미
수상 이유인 “비대칭 유기 합성에서 비선형 효과와 자가 촉매 작용의 발견”을 전혀 이해할 수 없었습니다. “비대칭”이라는 용어조차 알지 못했기 때문입니다. 그래서 수상 이유의 일본어를 이해하는 것부터 시작했습니다. 이 글은 제 뇌 속의 사고 과정을 쓴 것처럼 되어 있으며, 정확한 뉘앙스는 본문에서 표현하고 있습니다. 따라서 수상 이유가 이해된다면, 본문 1번에서 읽어 내려갈 수 있습니다.
수상 이유를 분석한 결과, A는 “불균일 유기 합성”에서, B는 “비선형 효과”와 C는 “자기 촉매 작용”이 D의 “발견”에 기여했습니다.
A 비대칭 유기 합성
비대칭의 영어 표현은 ‘비대칭(asymmetric)’입니다. 대칭은 좌우 대칭이며, ‘아(a)’는 부정의 의미이므로 좌우의 비대칭으로 나타내는 것이라고 생각했습니다. 특히, 좌우의 비대칭으로 유기물, 즉 탄소를 포함하는 화합물을 합성하는 것이라고 생각했습니다.
비선형 효과
직선이라면 오른쪽으로 치솟는 직선을 연상했지만, 그것이 직선이 아닌 이차 함수적인 곡선을 상상했습니다. 왼쪽과 오른쪽의 비율은 합성의 처음부터 끝까지 50:50 비율이어야 합니다. 하지만 100:0이 되는 것이 직선이 아니라는 것을, 즉 비선형적이라는 생각을 했습니다.
자기 촉매 작용
합성에는 촉매라는 합성 촉진 물질이 필요할 수 있습니다. 이는 자가 촉매 반응이므로 합성된 물질 자체가 촉매가 됩니다.
D 발견
A의 경우 B는 “비선형 효과”의 D, 카간 씨 A의 경우 C는 “자기 촉매 작용”의 D, 융합 씨
1. 분자의 양쪽
오른손과 왼손이라는 표현은 비유가 아닌 화학에서 실제로 사용되고 있습니다.
이번 노벨상을 이해하기 위해서는 먼저 ‘키라리티’라는 개념을 알아야 합니다. (키라리티는 그리스어에서 손을 의미하며, 일본에서는 ‘しょうせい’라고 번역되기도 합니다.)
사람의 오른손과 왼손은 모양이 비슷하지만, 어떻게 돌려도 완전히 균형을 이루지 못합니다. 분자에도 마찬가지로 ‘거울상과 같은 관계에 있지만 중첩되지 않는’ 성질을 가지며, 이를 키랄리티라고 합니다.
거울상 이성체
ある分子을 거울에 비혻 때, 그 거울상과 원래의 분자가 겹치지 않는 경우, 그 분자는 거울상이므로 존재한다고 합니다. (거울상이 형용사로 거울상성이 명사) 그리고, 서로 거울상 관계에 있는 두 분자를 거울상 이성질체라고 부릅니다.
분자의 형태는 대부분 같지만, 생체 내에서는 이 좌우 차이가 큰 의미를 갖습니다. 이는 생체를 구성하는 단백질이나 당 또한 입체 구조를 가지며, 분자들끼리 형태를 인식하면서 상호작용하기 때문입니다.
② L자형, D자형과 S체, R체
좌우의 차이점은 두 가지 분류법이 있으며, 그것은 “L형·D형”과 “S체·R체”입니다.
L형과 D형은 주로 아미노산이나 당 등의 생체 관련 분자에 사용되는 고전적인 표기법으로, 기본적으로 아미노기의 위치를 기준으로 결정됩니다. L은 라틴어의 왼쪽 첫 글자, D는 라틴어의 오른쪽 첫 글자입니다. (저는 L은 레프트의 L과 기억합니다.)
한편, S체와 R체는 탄소 중심을 기준으로 결합된 원자의 번호 순서 배열을 나타내는 현대적인 표기 방법입니다. S는 라틴어의 왼쪽 방향 첫 글자, R은 라틴어의 오른쪽 방향 첫 글자입니다.
L자형은 S체(체형)가 대부분이며, D자형은 R체(체형)가 대부분이지만, L자형이라고 해서 반드시 S체이고, D자형이라고 해서 반드시 R체라는 것이 아닙니다.
삶은 양쪽 중 하나를 선택합니다.
생물에서는 이 분자의 좌우가 매우 불균형합니다.
단백질을 구성하는 아미노산은 기본적으로 L형 아미노산이 사용되며, D형 아미노산은 일부 생체 분자 등에 존재하는 모형이지만 일반적인 단백질 합성에 L형 아미노산이 사용됩니다. 또한 DNA와 RNA를 구성하는 당에 대해서도 생물은 특정 입체 이성질체 선택을 합니다.
이러한 방식으로 생명의 화학이 한쪽 거울상을 특정하게 선택적으로 사용하고 있는 상태를 호모키랄리티라고 합니다.
그러나 생명이 태어난 이전의 단순한 화학 반응에서는 좌우의 분자가 거의 동일한 비율로 발생했다는 것이 생각되며, 이에 따라 “생명은 어떻게 한쪽 분자만을 선택하게 되었는가”라는 문제가 제기되었습니다.
2. 카간 씨가 발견한 “비선형 효과”
이번 노벨상 수상 이유 중 하나는 “비선형 효과”입니다. 이는 촉매의 좌우 편향과 그로 인해 발생하는 합성물의 좌우 편향이 단순한 비례 관계에 있지 않은 현상입니다.
이 발견은 이후 츠가이 씨의 자가 촉매 반응으로 이어졌습니다.
일반적으로 “촉매의 불균형은 합성물의 불균형으로 이어질 수 있다”로 표현됩니다.
화학 반응에서는 반응의 좌우 대칭을 분리하기 위해 키랄 촉매를 사용할 수 있습니다. 촉매는 화학 반응을 촉진하는 물질로, 반응 전후로 기본적으로 재생됩니다.
예를 들어, 우성 촉매가 많을수록 우성 형태의 합성물이 많아지고, 좌성 촉매가 많을수록 좌성 형태의 합성물이 많아진다고 생각하는 것이 자연스럽습니다. 당시에는 촉매의 좌우 비율과 합성물의 좌우 비율 사이에 대체로 비례 관계가 있다고 여겨졌습니다.
두 개의 촉매 분자가 결합한다
카간 씨는 촉매가 반응 속에서 어떻게 작용하는지를 자세히 숙고했습니다.
촉매 내에 포함된 금속 원자는 단일 키랄 분자뿐만 아니라 여러 분자와 상호작용할 가능성이 있습니다. 따라서, 오른손체 분자와 왼손체 분자가 혼재하면 “오른쪽-오른쪽”, “왼쪽-왼쪽”, “오른쪽-왼쪽”과 같은 조합이 발생할 수 있다고 생각했습니다.
중요한 점은 이 세 가지 유형이 반드시 동일하게 작동한다는 의미는 아니었습니다. 특히 “오른쪽-왼쪽” 유형은 반응이 진행되기가 어려울 수 있었습니다. 또한 “오른쪽-오른쪽”, “왼쪽-왼쪽” 유형이 상대적으로 강하게 작용하는 것으로 확인되었습니다.
미미한 편견이 오히려 더 큰 편견으로 번지게 된다.
이 결과, 촉매의 좌우 비율과 합성물의 좌우 비율은 단순한 비례 관계가 아닌 것으로 나타났으며, 이를 “비선형 효과”라고 합니다. 예를 들어, 촉매의 좌우 차이가 작더라도 그 차이가 합성물에서 더 크게 나타날 수 있습니다. 카간 氏は１９８６年、このような 비선형 효과를 보여주는 여러 불斉 반응을 보고했습니다.
이는 생명의 호모키라リティ를 고찰하는 데에도 중요한 의미를 지녔습니다. 왜냐하면 생명 탄생 초기에 우연히 발생한 “미세한 편차”를 화학 반응에 의해 증폭시킬 가능성이 제시되었기 때문입니다.
3. 야마구치 씨가 발견한 자가 촉매 작용
카간 박사의 발견으로 좌우의 작은 편차를 증폭시킬 가능성이 보였다. 그로부터 한 걸음 더 나아간 것은 료가케 히로미 박사의 연구였다.
고와카쓰(川合) 씨가 달성한 것은 반응으로 인해 생성된 분자 자체가 다음 반응을 촉진하는 “자기 촉매 작용”이었습니다.
자기 촉매 작용은 “다음 합성물이 다음 합성물을 생성하는 것”을 의미합니다.
일반적인 촉매에서는 반응을 진행하기 위해 촉매를 처음부터 준비합니다. 하지만 자기 촉매 반응에서는 반응에 의해 생성된 합성물이 그 이후의 반응을 촉진하는 촉매로서 작용합니다.
즉, “합성물이 다음 합성물을 만드는” 순환이 성립합니다. 처음에는 아주 조금의 합성물만 있으면, 그것이 촉매가 되어 더 많은 합성물을 만들어내고, 그 합성물이 다시 다음 반응을 촉진합니다. 따라서 조건이 갖춰지면, 처음의 작은 차이가 크게 증폭됩니다.
② 조합 반응에서는 “자신과 같은 쪽에 있는 것들”을 늘리는
야마구치 씨는 1995년에 보고한 중요한 반응에서 특정 키랄 합성물이 자기 촉매 작용을 통해 자신의 합성을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 처음 한쪽 거울상이 2% 정도 더 많은 상태로 시작하면, 반응이 진행됨에 따라 그 편차가 87%까지 증폭되었습니다. 이후 야마구치 씨는 추가 연구를 진행하여 2003년에는 거의 한쪽 거울상만 형성할 수 있는 반응을 보였습니다.
여기 중요한 것은 외부에서 막대한 양의 키랄 물질을 첨가하여 한쪽으로 치우친 것을 만든 것이 아니라는 점입니다. 처음 존재했던 아주 작은 좌우의 차이가 자기 촉매 작용에 의해 증폭되어 간 것입니다.
3. 0.00005%의 편차가 99.5% 이상으로 나타난다
합성 반응 중에서도 특히 놀라운 점은 극히 작은 편차를 증폭시킬 수 있는 실험입니다. 초기 이미지 비율 과잉률이 약 0.00005%밖에 없는 상태에서 반응을 시작해도, 연속적인 자기 촉매 반응에 의해 최종적으로 99.5%를 넘는 이미지 비율 과잉률까지 증폭시킬 수 있다는 보고가 있습니다. 이는 거의 50:50 상태에서, 거의 한쪽만을 지배하는 분자 형태로 크게 기울어지게 하는 것을 의미합니다.
즉, 화학 반응 내에 존재하는 0에 가까운 미세한 차이를 여러 배의 큰 차이로 증폭할 수 있다는 점이 바로 이번 노벨 화학상을 이해하는 데 있어 가장 중요한 포인트 중 하나입니다.
4. 생명의 기원과 연결되는 이유
이 정도만으로는 단순히 유용한 화학 반응을 발견했다는 연구로만 보일 수 있지만, 이 연구에는 또 다른 큰 의미가 있습니다. 그것은 “생명은 왜 한쪽의 거울상만 사용하는가”라는 생명의 기원을 둘러싼 문제입니다.
① 생명 탄생 이전은 50대 50?
키랄 분자를 일반적인 조건에서 합성하면 D형과 L형이 거의 동일한 비율로 생성될 수 있습니다. 만약 생명의 재료도 처음부터 완전히 50:50이었다면, 현재 생물이 한쪽의 거울상이 선택되어 있는 이유는 무엇일까요. 이 문제는 생명의 호모키랄성 기원의 문제라고 불리며, 화학자들이 오랫동안 고민해 온 문제였습니다.
20세기 중반, 한 물리학자가 이 문제를 설명하는 이론 모델을 제시했습니다. 그 모델에서는 한쪽 거울 이미지를 증폭시키고 다른 쪽 이미지를 억제하며, 더 나아가 합성물이 자기 촉매 반응을 통해 자기 자신과의 합성을 촉진하면 좌우의 차이가 단방향으로 증폭될 가능성이 시사되었습니다.
카간 씨와 료오 씨가 이론 모델을 화학 반응을 통해 구현한다.
물리학자의 이론에는 크게 세 가지 조건이 있었습니다.
- 좌우를 구별할 수 있는 키랄 촉매가 존재한다는 사실이 밝혀졌다.
- 한쪽 거울 이미지를 증폭시키고 다른 한쪽은 억제하는 비선형적인 메커니즘이 존재한다는 의미입니다.
- 반응으로 인해 생성된 합성 물질 자체가 촉매가 되는 자기 촉매 반응
카간 씨는 1986년에 제2 조건의 비선형 효과를 실제 화학 반응에서 입증했습니다.
합성 화학 분야 연구자들은 1995년 이후 연구를 통해 제3 조건에 해당하는 자기 촉매 반응을 발전시켜 강력한 오른-왼쪽 증폭을 달성했습니다.
이처럼 오랫동안 이론적인 문제로 여겨졌던 “양쪽 편향을 화학적으로 증폭시키는 메커니즘”이 실제 반응으로 제시된 것입니다.
생명의 기원에 대한 연구에는 여전히 과제가 남아 있습니다.
교합 반응은 생명의 호모키ラル성이 어떻게 발생할 수 있는지 보여주는 강력한 화학 모델입니다. 하지만 고대 지구에서 실제로 반응이 일어났다는 증거가 될 수는 없습니다. 노벨 위원회 스스로도 교합 반응은 인공적으로 만들어진 반응이며, 생명의 화학과는 다르다고 설명하고 있습니다.
또한, 우주에서 떨어진 운석, 광물, 원편광 등에 의해 처음부터 나타난 작은 좌우 차이가 어떻게 발생했는지에 대한 명확한 결론이 아직 내려진 것은 아닙니다.
그러나 “처음에는 극히 작은 편차가 발생하고, 그 편차가 화학 반응에 증폭되면서 한쪽의 역상이 압도적으로 많아진다”는 이론이 실제 화학 반응으로 성립할 수 있다는 점은 큰 의미가 있습니다. 생명의 ‘오른쪽과 왼쪽’이 우연히 발생하는 작은 편차에서 시작되어, 화학 반응에 의해 증폭된 가능성을 실험실에서 검증할 수 있게 된 것입니다.
5. 2026년 노벨 화학상에서 드러낼 것
2026년 노벨 화학상은 현대 의약품 개발 및 화학 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
약은 오른손과 왼손 모두 중요합니다.
약 분자는 체내의 단백질 등과 결합함으로써 작용합니다. 단백질 자체가 입체적인 구조를 가지고 있기 때문에, 같은 원자에서 만들어진 거울상 이성질체라도 체내에서는 다른 상호작용을 보일 수 있습니다. 즉, 한쪽이 약이고, 다른 쪽이 독이 되는 경우도 있을 수 있습니다(사리도마이드 약물 유발 폐부종).
따라서 약을 만들 때에는 가능한 한 목적하는 키조상을 선택적으로 합성하는 것이 중요합니다. 카간 씨의 비선형 효과에 관한 연구는 이러한 비대칭 합성 반응을 설계하고 목적하는 키조상을 더 높은 순도로 얻는 데 중요한 지침이 되었습니다.
향료와 재료 등 더 넓은 분야에 활용
분자의 좌우성을 조절하는 기술은 의약품에만 국한되지 않고, 향료, 풍미 성분, 농업용 화학 물질, 새로운 소재 등 생명이나 물질의 성질과 관련된 다양한 분야에서 중요해집니다.
특히 비선형 효과는 화학 반응의 메커니즘을 이해하는 데에도 도움이 됩니다. 반응이 단순한 비례 관계에서 벗어나는 것을 조사함으로써, 반응 중간에 어떤 분자들 간의 조합이 생겨나고 있는지 추론할 수 있기 때문입니다.
노벨 화학상과 생명의 기원
2026년 노벨 화학상을 기념하는 표현으로는 “화학 반응에서 분자의 섭동을 일으키고, 더욱이 그 선택을 증폭시키는 방법을 발견한 연구”라고 할 수 있습니다.
카간(카가) 씨는 촉매의 작은 좌우 차이가 합성물에서는 단순한 비례 관계가 아닌 오히려 더 큰 기울기로 나타나는 “비선형 효과”를 보였다.
합성물 자체는 촉매가 되어 동일 좌변화를 지속적으로 증가시키는 “자기 촉매 작용”을 구현했습니다.
그 결과, 거의 50대50에 가까운 미미한 양쪽 차이에서 한쪽의 거울상이 압도적으로 많은 상태로 진행되는 화학 반응이 실현된 것입니다.
물론 생명의 기원을 완전히 해명한 것은 아니지만, 여전히 생명은 특수한 현상이 아닌 화학 반응으로 생성되고 증폭될 수 있음을 보여주었습니다. 이 점이 이 연구의 큰 가치를 지닙니다.
첫 번째 작은 왜곡이 어떻게 생명의 전체를 극심한 편향으로 이끌었는지에 대한 질문에 대해 2026년 노벨 화학상은 화학적 관점에서 매우 강력한 답변을 제시했습니다.
본 기사는 건강과 관련된 일반적인 정보 제공을 목적으로 하며, 특정 질병의 진단, 치료, 예방을 목적으로 하지 않습니다. 건강에 대한 불안감이 있을 경우, 의사 등의 전문가와 상담하십시오.
제 글은 월요일과 목요일(공휴일 제외) 오전 10시에 게시됩니다. 어제 밤, 노벨 화학상 발표가 있었고, 다음 주 목요일 오전 10시에 게시하려고 생각했으나, 조금 더 빨리 게시하는 것이 좋다고 판단하여 게시합니다. 다음 월요일은 공휴일이므로 게시는 없습니다. 하지만 다음 주 목요일까지 임시로 다시 게시할 수도 있습니다.
마지막까지 읽어주셔서 감사합니다. 조금이라도 도움이 되셨다면 좋아요를 눌러주세요.
출처: note 원문
번역: Gemma 3(.44) 초벌 + 교정 64청크
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