노벨 화학상, 우리나라 수상, 진심으로 축하드립니다.
2026년 노벨 화학상은 앙리 카간(Henri Kagan) 씨와 소아이 켄소우(そあい けんそう) 씨에게 돌아갔습니다. 세계 화학계, 심지어 생명과학 및 물리학 분야에 이르기까지 깊은 감동을 불러일으키는 훌륭한 결정입니다. 수상 이유는 “비대칭 유기합성에서의 비선형 효과와 자가촉매 반응의 발견”이며, 이는 일견 매우 전문적이고 난해해 보이는 화학 업적에 겉보일 수 있지만, 실제로는 “우리는 왜 이러한 모습으로 존재하게 되었는가”, “생명의 기원에 어떤 경이로운 일이 일어났는가”라는 인류가 오랫동안 품어온 근본적인 미스터리에 실험실 안에서 매우 명확한 답을 제시한 획기적인 성과입니다.
두 과학자의 분자 “오른손형”과 “왼손형”이라는 입체 관계를, 극히 미세한 편차에서 출발하여 거의 한쪽 형태에만 증폭시키는 놀라운 메커니즘을 실험적으로 입증한 업적입니다. 이 주제를 풀어나갈 때, 우리는 반세기 이상 전에 쓰여진 한 권의 에세이집으로 이끌립니다. 바로 SF의 거장이자 뛰어난 생화학자였던 아이작 아시모프가 1972년에 쓴 에세이집 『전자 손의 왼쪽』과 그 안에 수록된 “생명의 비대칭성”이라는 글입니다. 아시모프는 일반 독자들을 위해 꼼꼼하고 열정적으로 설명하며, 미래의 과학자들에게 맡긴 “생명의 호모키랄성(한쪽성)의 수수께끼”가 2026년 노벨상을 빛낼 수 있도록 이끌어가는 과정을, 앞으로 6가지 관점에서 상세히 짚어보겠습니다. (이 저서는 제 학창 시절의 사랑했던 책이었습니다.)
2026년 노벨 화학상 수상과 생명의 비대칭성에 대한 질문
앙리 카간 씨와 잇신 겐조 씨가 수상한 올해 노벨 화학상 핵심을 이해하기 위해서는 먼저 “키랄성(대칭성, 혹은 키랄)”이라는 개념을 알아야 합니다. 우리의 오른손과 왼손은 거울에 비치면 완벽하게 중첩되는 대칭적인 형태를 보이지만, 현실 공간에서 오른손 위에 왼손을 그대로 겹쳐 보려고 해도 엄지손가락의 위치가 반대로 되어 버리고 절대 중첩될 수 없습니다. 이는 마치 눈에 보이지 않는 미시 세계의 분자 세계에서도 똑같은 현상이 일어나는 것입니다.
탄소 원자를 중심으로 여러 가지 다른 원자 또는 원자 조각이 결합된 유기 분자의 많은 경우, 이처럼 “鏡像異性体(엔난치오머)”를 가지고 있습니다. 화학식이나 구성하고 있는 원자 종류는 전혀 다르지 않지만, 공간적인 배열이 거울상대되어 있기 때문에 입체적인 모양으로는 완전히 다른 것으로 간주됩니다. 이러한 것을 편의상 오른쪽 형태(D체)와 왼쪽 형태(L체)라고 부릅니다.
일반적인 화학 반응, 즉 시험관 내에서 인위적으로 화합물을 합성하는 실험을 수행하면, 오른쪽 거울상과 왼쪽 거울상이 확률적으로 완전히 동일한 조건에서 만들어지므로, 결과적으로 양자가 50퍼센트씩 동등한 비율로 섞인 “라세미체”라는 상태가 됩니다. 자연계의 물리·화학 법칙에 따르는 경우, 오른쪽과 왼쪽으로 우열이 따지지 않고 완전히 평등하게 생성되는 것이 당연한 것입니다.
그러나 우리가 살아가는 지구상의 “생명”이라는 시스템을 돌아보면, 이 거대한 원리가 뿌리째 흔들리고 있습니다. 놀라운 것은 지구상의 모든 생물——세균부터 식물, 곤충, 그리고 우리 인간에 이르기까지——를 구성하는 단백질의 아미노산이 거의 100% “왼손형(L체)”으로 통일되어 있다는 점입니다. 반대로, DNA나 RNA와 같은 핵산의 골격을 이루는 당 분자는 거의 100% “오른손형(D체)”으로 통일되어 있는 것입니다.
오른쪽과 왼쪽이 모두 존재하는 것처럼 보이는 물질 세계에서 왜 생명은 단 한 가지 형태만을 극단적으로 선택하고, 그것을 절대적인 규칙으로 채택했을까요? 이 생명 특유의 성질을 “호모키랄성(호모는 ‘같은’이라는 뜻이고, 키랄리티는 ‘掌性’이라는 뜻입니다)”이라고 부릅니다. 2026년 노벨 화학상은 이 호모키랄성이 어떻게 탄생했는지에 대한 미스터리에 화학 물질이 스스로 편중을 증폭시키는 “비선형 효과”와 “자기 촉매 반응”이라는 혁신적인 메커니즘을 발견하고 입증한 카간 씨와 kanamycin 씨의 업적을 기렸습니다.
아이작 아시모프가 이야기한 “분자의 오른쪽 손과 왼쪽 손”
바로 아이작 아시모프입니다. 그는 『나는 로봇』이나 『파운데이션』 시리즈 등으로 잘 알려진 SF 작가로서의 면이 유명하지만, 동시에 보스턴 대학교에서 생화학 교수를 역임한 실제 과학자이기도 했습니다.
아시모프는 1972년에 출판된 에세이집 『전자 손의 왼쪽』에 수록된 “생명의 비대칭성”에서 분자의 키랄성의 신비함을 양손, 장갑, 신발 등의 생생한 비유를 사용하여 매우 명확하게 설명하고 있습니다. 그는 여기서 호모키랄성이 단순한 “우연의 산물”로 간과해도 되는 사소한 문제가 아니며, 생명 활동의 근간이자 “효소가 정확하게 작용하기 위한 절대적인 전제 조건”이라는 가혹한 현실임을 지적했습니다.
우리 몸 안에서는 수많은 화학 반응이 매우 정교하게 조절되면서 진행되고 있습니다. 이러한 반응을 지배하는 것이 단백질로 이루어진 ‘효소’입니다. 효소는 특정 분자(기질)를 자신 안에 있는 움푹 들어간 곳(활성 부위)에 퍼즐 조각처럼 맞추어 반응을 촉진합니다. 이 ‘열쇠와 자물쇠’ 관계에서 자물쇠가 왼손용 장갑처럼 만들어졌다면, 거기에 오른손(오른손형 분자)을 넣을 수 없습니다.
만약 원시의 바다에 오른손형 아미노산과 왼손형 아미노산이 동량으로 섞여 있었고, 그것이 무작위로 연결되어 단백질이 만들어졌다면 어떻게 되었을까요. らせん 구조(알파 헬릭스)나 시트 구조와 같은 단백질이 기능하기 위한 복잡하고 아름다운 입체 구조는 오른손과 왼손 블록이 섞이게 되면 한순간에 붕괴되어 버립니다. 생명이 스스로를 유지하고, 복제하고, 진화해 나가기 위해서는 블록의 부품이 모두 같은 방향(호모키랄)으로 맞춰져 있어야 했던 것입니다.
아시모프는 지구상의 모든 생물을 조사해 볼 때, 예외 없이 아미노산이 좌손열이며, 당이 우손열이라는 사실을 지적했습니다. 그리고 “왜 생명은 한쪽 손만 가지는가?”, “실험실에서 합성すれば 등량으로 만들 수 있는 분자가 왜 생명의 탄생においては 한쪽만 선택되었는가?”, “첫 번째 편차가 어떻게 생겨났으며, 왜 그것이 고정화되었는가?”라는 당시에는 아무도 답을 알지 못했던 미해결의 수수께끼를 독자들에게 드라마틱하게 제시한 것입니다.
우연인지 필연인지? 아이스하크가 제시한 “씨앗” 예측
첫 번째 편차는 어떻게 발생했는가. 아시모프의 고찰은 매우 흥미롭고, 동시에 미래를 내다보는 듯한 통찰력을 담고 있다. 그는 이 문제에 대해 “우연(통계적 변동)”과 “필연(물리적 비대칭성)”이라는 두 가지 가능성의 방향을 동시에, 매우 정확하게 제시했기 때문이다.
첫 번째 접근법은 “우연설(통계적 흩 MSD)”입니다. 원시 지구 환경, 즉 “생명의 수프” 안에서 오른쪽성 아미노산과 왼쪽성 아미노산이 기본적으로 50대50로 생성되었다고 가정합니다. 하지만 풀 전체에서는 등량으로 나타나더라도, 특정 국소적인 물 웅덩이 안에서는 극히 미미한 통계적 변동성 때문에 “왼쪽성 아미노산이 51%, 오른쪽성 아미노산이 49%”와 같은 미세한 편차가 발생하는 순간이 있었을 수도 있습니다. 아시모프는 만약 그 미미하게 우세했던 왼쪽성 아미노산 집단이 우연히 자기 복제하는 획기적인 메커니즘(생명의 기원)을 먼저 확보했다면, 그들이 해당 환경의 자원을 일찍이 소비하고 종말시키고 오른쪽성 아미노산 집단을 밀어내어 생태계 전체를 독점하게 되었을 것이라고 역동적인 생각을 제시했습니다.
또 다른 접근법은 “물리적 종의 존재(필연설)”입니다. 물리학의 세계에서는 오랫동안 자연계의 법칙은 좌우 대칭(파リティ 보존)이라고 믿어왔습니다. 그러나 1956년, 양진녕(양 첸닝)과 리정도(리 チョンダ오)가 “약한 상호작용에서는 파リティ가 보존되지 않는 것은 아닐까”라는 대담한 이론을 제창했으며, 다음 해에 우첸수(우 첸슈)가 코발트-60의 베타 붕괴 실험으로 이를 완벽하게 실증했습니다. (이 업적 덕분에 양과 리는 1957년 노벨 물리학상을 수상했습니다).
이 실험을 통해 자연계의 근본적인 물리 법칙 자체가 사실은 ‘왼쪽성’을 띠는 것으로 밝혀진 것입니다. 베타 붕괴로 방출되는 전자(베타선)는 왼쪽 회전(헤리시티)을 가진 성질을 가지고 있습니다. 아시모프는 이 물리학의 대발견을 생명의 기원에 조기에 연결했습니다. 우주 공간이나 원시 지구에서 방사성 물질로부터 방출되는 ‘왼쪽성 전자’나, 특정 회전(円偏光)을 갖는 빛이 오른쪽성 및 왼쪽성 아미노산에 조사되었을 때, 한쪽 형태의 아미노산만 약간 더 빨리 분해될 가능성을 제시했습니다. 즉, 우주의 물질 세계 그 자체에 아주 미미한 좌우 비대칭성이 처음부터 내재되어 있다는 웅대한 비전입니다.
하지만 아시모프의 통찰의 가장 날카로운 부분은 단순히 “종(초기 미세한 편차)”를 지적하는 데 그치지 않는 데 있었습니다. 우연의 변동이든, 우주선 입자에 의한 물리적 편차이든, 그 초기 편차는 극히 미미한 수준, 즉 수 퍼센트 이하의 아주 작은 것입니다. 그 “미미한 차이”가 현재의 생명체가 보여주는 “100대0의 절대적인 한쪽성”으로 이어지기 위해서는, 그 차이를 눈덩이처럼 불려나가는 “어떤 강력한 증폭 메커니즘”이 절대적으로 필수적이라는 점을 그는 문제의 핵심을 꿰뚫었습니다. 초기 미미한 편차를 압도적으로 완전한 편차로 끌어올리는 엔진, 그것이 바로 당시 과학에는 결여되었던 미ッシング 링크였습니다.
4. 엔리 카간 교가 밝혀낸 “비선형 효과”의 충격
아시모프가 제시한 “증폭 기구는 존재하는가”라는 질문에 대해 화학의 영역에서 처음으로 강렬한 빛을 던진 것은 이번 노벨상 수상자인 프랑스 화학자, 장-피에르 카잔 박사였습니다.
1980년대까지의 유기화학적 관례에 따르면, 비대칭 합성(오른손성 및 왼손성 중 하나를 의도적으로 만들어내는 합성 기법)에서 촉매가 지닌 키랄 순도와 생성물의 키랄 순도는 “비례(선형)”한다고 여겨졌습니다. 예를 들어, 사용되는 촉매가 “왼손성 90%, 오른손성 10%”의 상태(전문 용어인 에난치오머 과잉률(ee)이 80%)라면, 그 촉매를 사용하여 합성된 생성물도 최대 80%의 과잉률에 그쳐야 한다는 것이 관례였습니다. 불순한 촉매로부터 불순한 생성물이 만들어질 것이라고 생각했던 것입니다.
그러나 1986년 카간 씨 류의 연구 그룹은 이 관념을 근본적으로 뒤흔드는 현상을 보고했습니다. 그것이 “비선형 효과 (Non-linear effect)”의 발견이었습니다. 그들은 특정 비대칭 촉매 반응에서 광학 순도가 낮은 촉매를 사용했음에도 불구하고 얻어진 생성물의 광학 순도가 원래 촉매의 순도를 훨씬 능가하는 기묘한 현상을 관찰했습니다.
왜 이러한 증폭이 일어났는지 설명해주시겠습니까? 카간 씨 연구팀은 그 메커니즘을 정교하게 밝혀냈습니다. 용액 속에서 촉매 분자는 단독으로 작동하는 것이 아니라 두 개가 결합하여 쌍(二量体)을 형성할 수 있습니다. 이 경우 “왼쪽형과 왼쪽형”, “오른쪽형과 오른쪽형”이 짝을 이룬 동일종 쌍(호모키랄二量体)과 “왼쪽형과 오른쪽형”이 짝을 이룬 이종종 쌍(헤테로키랄二量体)이 생성됩니다. 카간 씨는 이 이종종 쌍이 반응성이 극도로 낮아 실질적으로 “죽은 촉매”가 되거나, 혹은 안정되어 침전되는 성질을 발견한 것입니다.
그 결과, 어떤 일이 벌어질까요. 약간 더 많은 쪽에 해당하는 유형(예를 들어 좌손잡이)이 동일 유형의 쌍을 형성하여 활발하게 반응을 진행하는 반면, 소수 집단인 우손잡이는 다수 집단인 좌손잡이에 갇혀 이질적인 쌍을 형성하고 반응의 무대에서 퇴장하게 됩니다. 이렇게 해서 초기 미미한 편차가 완벽하게 “증폭”되어 생성물에는 극도로 높은 한손잡이성이 나타나는 것입니다.
이 비선형 효과의 발견은 화학계에 큰 충격을 주었습니다. 미세한 비대칭성이 화학 반응 네트워크 내에서 자발적으로 확산될 수 있다는 사실이 처음으로 엄밀한 학술적 데이터로 제시된 것이기 때문입니다. 이는 바로 아시모프가 추구했던 “증폭”의 첫걸음이었습니다.
5. 겐가이 켄스이의 “비대칭 자기 촉매 반응”이 보여준 궁극적인 증폭
카간 박사의 비선형 효과 개념을 더욱 발전시키고, 아시모프의 질문에 대한 “완전한 화학적 해결책”을 제시한 것은 일본 화학자 료가타니 켄조 씨의 획기적인 발견이었습니다. 료가타니 씨가 성취한 것은 “비대칭 자기 촉매 반응(이후 료가타니 반응으로 불림)”의 실증이었습니다.
자기 촉매 반응이란 반응에 의해 생성된 생성물이 그 자체로 촉매가 되어 자신을 더욱 만들어내는 반응을 말합니다. 이것만으로도 매우 드문 현상이지만, kanamycin 교수 연구팀은 1995년 피리미딘 알카놀이라는 화합물의 합성 과정에서 생성물이 자신을 증폭시키는 것뿐만 아니라 “자신의 키랄성을(右手型 또는 왼쪽수체) 구별하여 같은 종류의 분자를 우선적으로 만들어낸다”는 놀라운 반응을 발견했습니다.
이 반응의 놀라움은 그 “증폭 배율”에 있습니다. 생성물은 카간 박사가 밝혀낸 비선형 효과를 내포하면서 자기 증식을 반복합니다. 초기 단계에 추가하는 촉매(이 경우 생성물과 동일한 물질)의 편차가, 예를 들어 “왼손형이 단지 몇 퍼센트나 더 많기만 한 것”과 같은 상태에서도 반응이 진행됨에 따라 왼쪽형이 왼쪽형을 엄청난 속도로 만들어내고, 순식간에 편차가 확대됩니다.
2003년에는 야마구치 씨를 비롯한 그룹이 과학사에서 길이 남을 놀라운 논문을 발표합니다. 이들은 초기 편도(에난치오머 과잉률)가 “0.00005 퍼센트”라는, 당시 분석 장비의 측정 한계에 근접한 거의 등량(라세미체)과 구별하기 어려운 극히 미세한 편차에서 반응을 시작했습니다. 그러자 그 작은 “씨”에서 출발하여 반응을 몇 번(세대) 반복할 뿐, 최종적으로 99.5 퍼센트 이상이라는 거의 완벽한 호모키랄리티(단일 형태만 순수한 상태)에 도달함을 입증한 것입니다.
그것은 그뿐만이 아니었습니다. 완전히 편향되지 않은 0% 라세미체, 혹은 촉매를 전혀 첨가하지 않고 반응을 시작시킨 실험이라도, 결과적으로 생성물은 반드시 오른손성 또는 왼손성 중 하나로 크게 기울어지는(거의 100%에 달함) 현상이 관찰되었습니다. 이는 무엇을 의미하는 것일까요. 바로 아시모프가 예견한 첫 번째 시나리오, “통계적 불안정성에 의한 우연”입니다. 수많은 분자들이 부딪히는 반응 용액 속에서는, 어느 순간 “왼손성이 수 분자만 더 많이 생성되는” 듯한 미시적인 불안정이 필연적으로 발생합니다. 츠가이 합 반응의 끔찍한 증폭력은 그 미시적인 불안의 노이즈를 즉시 포착하여, 불가피하게 거시적인 기울기로 한 번에 확대시켜 버린 것입니다.
또한 해당 연구자는 편광을 조사하거나, 수정의 결정체(수정에는 우수정과 좌수정이라는 광학적 이성질체가 존재합니다)를 넣는 등 물리적인 비대칭의 미세한 요인(아시모프의 제2 시나리오에 해당)을 제공하는 실험을 진행했습니다. 그 결과, 그 미세한 물리적 비대칭성을 완벽하게 감지하고, 이에 해당하는 광학적 이성질체의 분자를 완벽하게 증폭하는 데 성공했습니다.
합성 반응은 아시모프가 “생명의 기원에 있어서 호모키랄성의 성립”에 필수적이라고 생각한 “극미한 편향(종)을 압도적인 편향(호모키랄리티)으로 한 번에 확대하는 증폭 기작”이 화학 반응으로서 확실하게 현실의 물질 세계에 존재할 수 있음을 이보다 더 선명한 형태로 증명한 것입니다.
6. 반세기를 넘은 지의 교차로: 생명의 기원을 밝히는 화학
2026년 노벨 화학상 수상 대상에 오른 안리 카간 씨의 “비선형 효과”와 겐노리 켄스케 씨의 “자기 촉매 반응”이다. 이 업적들은 순수한 유기 화학의 기초 연구에서 비롯된 위대한 業績이지만, 그 의미는 화학이라는 틀을 훨씬 넘어, 우리 삶의 존재 의미 그 자체에 대한 깊은 통찰을 제공한다.
아이작 아시모프는 1972년 시점에서 이미 물리학의 근본적인 좌우 비대칭성(패리티의 파괴)과 확률론적인 우연의 흔들림이 생명의 호모키랄리티의 “씨”가 될 수 있음을 선명하게 예견하고 있었습니다. 그러나 그는 동시에 그 씨가 생명이라는 시스템 전체를 덮어 자라는 거대한 나무로 성장하기 위해서는 “증폭”이라는 메커니즘이 필수적이라고 문제를 정의하고 미래의 과학자들에게 방탄을 넘겨주고 있었습니다.
그로부터 반세기가 흘렀다. 카간 씨와 야마가타 씨는 그 “증폭”이 단순한 이론이나 사고 실험이 아닌, 실제 분자들 간의 상호작용이나 화학 반응으로서 실제로 일어날 수 있음을 시험관 안에서 명확하게 증명했다. 물론, 야마가타 반응에 사용된 피리미딘 알코올 등의 유기 아연 시약이 그대로 원시 지구의 생명 탄생 환경을 완전히 재현한 것은 아니라는 지적이 있을 것이다.
가장 중요한 것은 “매우 작은 초기 편차가 화학적·물리적 요인에 의해 자가 촉매적으로 지수 함수적으로 확대되어 결국 한쪽의 유형이 전체를 압도하고 독점 상태에 이르는” 논리적 근거, 즉 그 메커니즘의 보편성이 인류의 손에 의해 처음으로 증명되었다는 점이다. 물리학(약한 상호 작용의 비대칭성)이 뿌린 “씨앗”을 화학(비선형 효과와 자가 촉매에 의한 증폭)이 키워 생물학(생명의 호모키랄성과 효소의 작용)으로 이어지는 것이다. 이 웅장한 과학적 연계는 자연계의 정교함과 아름다움을 보여주는 최적의 모델 사례라고 할 수 있다.
아시모프가 『전자 손』에서 일반 독자들에게 던진 질문은 “왜 생명은 한쪽 손만을 가질 수 있는가?”라는 심오한 질문이었다. 이는 우연과 필연이 뒤섞인 생명 기원의 최대 미스터리였다. 이 질문은 반세기라는 시간의 흐름 속에서 분자가 스스로와 같은 형태를 무한히 증폭시키는 아름다운 화학 반응을 통해 생명 자체를 모방한 듯한 구체적인 답변의 핵심을 얻게 되었다.
2026년 노벨 화학상은 단순한 새로운 화학 합성 기법 발견에 대한 상이 아닙니다. 이는 아시모프와 같은 선구자들의 풍부한 상상력과 통찰력이 제시한 “질”에 대해 실험실에서 끈질긴 연구를 쌓아온 화학자들이 “실증”이라는 형태로 응답한, 세대를 초월한 인류 지성의 승리입니다. 우리 몸을 이루는 좌성 아미노산 하나하나에 우주의 물리 법칙과 우연을 필연으로 바꾸는 화학의 마법이 숨겨져 있음을, 이 두 위대한 화학자들의 업적이 조용하지만 강력하게 우리에게 보여줍니다.
노벨 화학상 수상(2026), SOAI(사이오) 교수, 카간 교수님, 진심으로 축하드립니다. 아이작 아시모프의 예견이 담긴 세계를 떠올리게 합니다. GPT https://t.co/R4wvK0XzHa
출처: note 원문
번역: Gemma 3(.44) 초벌 + 교정 31청크
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