Aynanın içinden geçerek ulaşılan Nobel Kimya Ödülü

Alice Harikalar Diyarında kitabını hepimiz biliriz. Bu meraklı kız çocuğunun maceraları Aynanın İçinden adlı kitapta devam eder. Hikâyenin başında Alice’in aynaya bakarak kedisiyle hayal kurduğunu okuruz. Aynanın arkasındaki tersine dünyayı merak etmektedir. “Keşke…” der, “ayna yumuşacık olsaydı da arka tarafa geçebilseydim.” Bu dilek öyle güçlüdür ki bir anda kendisini aynanın diğer tarafında bulur. Burada her şey terstir. Önce sonradır, sonra öncedir ve evet hayır demektir. Yazılar bile tersten yazılır. Alice’in aynası bir çırpıda bizi simetrinin muhteşem dünyasına taşır. Ayna simetriyi kırar, ayna kırıldığında ise aynadaki tersine dünya yok olur.

Simetri, sadece Alice için değil, fizik, kimya, biyoloji gibi temel bilimler açısından oldukça önemli bir kavramdır. Örneğin moleküllerin de ayna görüntüleri ve simetriyle ilgili hikâyeleri vardır. Kimi moleküller simetriktir ve ayna görüntüleriyle örtüşür, kimini ne kadar çevirirseniz çevirin, Alice’in sağ ve sol eli gibi, ayna görüntüleriyle örtüşmez. Kiral olarak tanımladığımız bu “aynadaki görüntüleriyle örtüşmeyen moleküller” enantiyomerleri oluşturur. Aynadaki moleküllerin öyküsünü burada daha önce okumuş olabilirsiniz.^[1]Özen, A.S. (2021) Aynadaki moleküller: Enantiyomerler, Sarkaç. Bugünkü hikâyemiz ise belki aynayı kırarak belki de aynadan geçmeyi başararak 2026 Nobel Kimya Ödülüne ulaşanlar üzerine.Claude ile üretildi. CC0

2026 Nobel Kimya Ödülü iki bilim insanı arasında paylaşıldı: Henri Kagan ve Kenzo Soai. Aralarından birinin kendi adıyla anılan bir tepkimesi bile vardı: Soai Tepkimesi.^[2]Soai, K., Shibata, T., Morioka, H., & Choji, K. (1995). Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule. Nature, 378(6559), 767–768. https://doi.org/10.1038/378767a0

Ödül Komitesi bu iki değerli araştırmacının “asimetrik organik sentezde doğrusal olmayan etkilerin ve otokatalizin keşfi için” ödüle layık görüldüklerini açıkladı. İlk okuduğunuzda karmaşık gelse de aslında 70 yıllık bir bilim yolculuğuna ait bütün kavramları içeren çok güzel bir özet, bu açıklama. Öyleyse hep birlikte bize ne anlattığına bir bakalım mı? Pek havalı anahtar sözcüklerimiz “asimetrik sentez”, “doğrusal olmayan etkiler” ve “otokataliz” nedir ve Alice’in aynasıyla ne tür bir bağlantısı olabilir acaba?

Asimetrik sentez veya aynayı kırmak

Yukarıdaki şekildeki gibi ayna görüntüsüyle örtüşmeyen molekülleri laboratuvarda sentezlediğimizde sağ eli ve sol eli temsil eden moleküllerin neredeyse eşit oranda bir karışımını elde ederiz. Ancak özellikle enzimlerin yer aldığı biyolojik tepkimelerde belirgin bir el tercihi vardır. Bir sağ enantiyomer ilaç etkisi gösterirken sol enantiyomer zehir etkisi gösterebilir örneğin.^[3]Özen, A.S. (2021) Aynadaki moleküller: Enantiyomerler, Sarkaç. Bu nedenle özellikle ilaç üretiminde,enantiyomerlerin sentez sonrası ayrıştırılması ve ilaç olarak tamamen saf enantiyomerler kullanılması hedeflenir. Bir diğer metot da ilacın sentezini sadece uygun enantiyomeri elde edecek şekilde tasarlamak, istenmeyen eli temsil eden moleküle giden yolları kapamaktır. Bu belirli bir elin tercihine yönelik senteze “asimetrik sentez” diyoruz, yani tepkimeyi serbest bıraktığımızda ortaya çıkacak sağ el ve sol el ürünlerin karışımı yerine kontrollü bir şekilde tek bir elin tepkimede ürün olarak elde edilmesi, yani Alice’in aynasını kırmak ve tersine dünyayı yok etmek.

Asimetrik sentez oldukça zahmetlidir, çoğu zaman başarı oranı düşüktür ve az da olsa istenmeyen enantiyomer çıkıverir ortaya. Yani tamamen sağ el molekülü elde etmeye çalışırken bir miktar sol el molekülü de elde edebiliriz. Asıl ilginç olan laboratuvar gibi kontrollü ortamlarda bilim insanları bu kadar ter dökerken asimetrik sentezin canlı hücrelerinde fütursuzca an be an sürekli gerçekleşiyor olmasıdır şüphesiz. Örneğin kendi proteinlerimizin yapı taşı olan amino asitleri ele alalım. İnsan vücudundaki 20 amino asidin sadece bir tanesinde simetriden söz edebiliriz. Diğer 19 tanesinde simetriyi kıran asimetrik merkezler mevcuttur ve normalde ayna görüntüsüyle örtüşmeyen iki çeşit enantiyomeri, sağ ve sol eli, eşit oranda oluşturmaları beklenir.^[4]Özen, A.S. (2021) Aynadaki moleküller: Enantiyomerler, Sarkaç. Ancak doğanın bize bir sürprizi vardır ve vücudumuzdaki tüm amino asitler istisnasız aynı eli temsil ederler. Şeker molekülleri için de benzer bir durum söz konusudur. Bu mutlak el tercihine biyolojide “homokiralite” denir ve bizi çok ilginç bir soruya götürür:

Nasıl olur da el tercihi olmayan veya aralarında çok az bir sağ-sol farkı ancak olabilen bir hammadde havuzundan, yani doğadan, sadece sol ele veya sadece sağ ele ait yapılar ortaya çıkabilir?

Örneğin laboratuvar sentezinde %50-50 olan amino asitlerin sağ ve sol el oranı nasıl olur da vücudumuzda %0 sağ, %100 sol el olabilir? Bu sorunun çok yaklaşılmış ancak henüz bulunamamış cevabı size yalnızca Nobel ödülü getirmez, daha da önemlisi dünyada yaşama ait moleküllerin oluşumuna, yani yaşamın başlangıcına ilişkin muhteşem bir ipucu sunar.

Otokataliz veya paralel aynalarda kendini çoğaltmak

F. Charles Frank, 1950’lerde bu konuyla ilgilenen bir teorik fizikçiydi. Başlangıç miktarlarında çok minicik ve istatistiksel mini salınımdan kaynaklanabilecek bir fark olan sağ ve sol enantiyomerlerinden nasıl olur da devasa farklara ve homokiraliteye gidilebileceği üzerine tamamen matematiksel bir model oluşturdu. Frank böyle bir sistemde mutlaka el moleküllerinden birisinin “kendi kendinin katalizörü ve diğer ele ait molekülün ise anti-katalizörü” olması gerektiğini ileri sürdü.^[5]Frank, F. C. (1953). On spontaneous asymmetric synthesis. Biochimica et Biophysica Acta, 11, 459–463. https://doi.org/10.1016/0006-3002(53)90082-1

Hatırlarsak katalizör en basit tanımıyla bir tepkimeyi hızlandırmak için eklenen ve genelde kendisi tepkime sonucu etkilenmeden geri dönüşen, böylelikle tekrar tekrar kullanılabilen yardımcı maddeye denir. Kendi kendinin katalizörü olmak (otokataliz) ise tepkimede hem ürün hem de ürünün oluşumunu hızlandıran katalizör olmaya, yani kendi kendini çoğaltmaya işaret eder (sinemada hem baş aktör hem de yardımcı aktör rollerini aynı kişinin oynaması, böylece kendi kendine yardım etmesi veya Matriks filmindeki meşhur mücadele sahnesinde Ajan Smith’lerin durmadan artması gibi belki?). Özel olarak bir elin tercihiyle sonuçlanan otokataliz ise sağ el-sol el dengesini bozarak bize asimetrik sentezin yolunu açar. Ancak, “diğer ele ait molekülün anti-katalizörü olmak” ya da onun oluşumunun engellenmesi şartı sağlanmadığı takdirde bozulan denge eski haline dönmekte, diğer bir deyişle kırılan aynanın parçaları tekrar birleşmekte, tersine dünya yeniden oluşmaktadır.

O zaman herhangi bir elin baskın gelebilmesi için bu üç şartın birlikte sağlanması gerekir: Kendi kendinin katalizörü olmak (döngüsel bir şekilde kendi kendini çoğaltmak), diğerinin anti-katalizörü olmak (süreç boyunca diğer elin oluşumunun engellenmesi) ve el tercihini sağlayacak asimetrik sentez.

Organik kimyada otokalizör tepkimelerin birçok örneği vardır. Asimetrik sentezle ilgili çalışmalar ise 2001 ve 2021 yıllarında Nobel Kimya Ödülüne layık görülmüştür.^[6]2001 Nobel Ödülü^[7]2021 Nobel Ödülü^[8]Tanyeli, C. (2021) Nobel Kimya Ödülü: Temiz, ucuz ve seçici organik katalizörler, Sarkaç Ancak Kagan ve Soai’nin bağımsız olarak yaptıkları çalışmalarına kadar bu üç kavramın bir arada kullanılmasına rastlanmamıştır. 2026 Nobel Ödülünün öncekilerden en temel farkı budur aslında. Diğer yandan bir farkı daha vardır: Bütün bunların doğrusal olmayan bir şekilde gerçekleşmesi!

Doğrusal olmayan etkiler 

Doğrusal olmayan etkileri anlamak için önce doğrusal etki neymiş ona bakalım mı? Diyelim ki aynada sol eli temsil eden S molekülü kendi kendinin katalizörü olsun, yani kendi üretimini hızlandırsın. S molekülünün başlangıçta ve zaman içinde ortamda ne kadar bulunduğu, en sonda elde edeceğimiz ürünün ne kadarının S olacağını tek bir orantı sabiti ile belirliyorsa buna doğrusal etki diyoruz (şekildeki B çizgisi). Örneğin, ortamda üç S molekülü zamanla yedi S molekülüne çıkıyorsa, altı S molekülünün 14 taneye çıkmasını bekleyebiliriz.

Eğer başlangıçtaki ve üründeki S miktarı basit bir orantı sabitine bağlı olarak değil de birçok etkene bağlı olarak ve beklediğimizden fazla artıyorsa buna pozitif doğrusal olmayan etki (A çizgisi), daha az artıyorsa buna negatif doğrusal olmayan etki (C çizgisi) diyoruz. Önceleri sağ ve sol el moleküllerinin bir arada bulunduğu bir tepkime ortamında, herhangi bir şekilde bir ele ait moleküllerin miktarının şans eseri birazcık fazla olmasının zamanla doğrusal bir artışa yol açacağı, böylece de belirgin bir el tercihinin oluşacağı düşünülüyordu (B çizgisi).

Kagan’ın 1986 tarihli çalışması, farklı tepkimelerde el tercihinin doğrusal olmayan şekilde nasıl değişebileceği ile ilgili mekanizmaları ortaya koydu (A ve C çizgilerinin oluşumu).^[9]Puchot, C., Samuel, O., Dunach, E., Zhao, S., Agami, C., & Kagan, H. B. (1986). Nonlinear effects in asymmetric synthesis. Examples in asymmetric oxidations and aldolization reactions. Journal of the American Chemical Society, 108(9), 2353–2357. https://doi.org/10.1021/ja00269a036  Böylece kimyacıların moleküllerin asimetrisi ve katalizör kavramlarını yeniden tanımlamalarına yol açarak bu alanda büyük bir dönüşüme yol açtı.

Kagan’ın açtığı yolda 1990’lara kadar yapılan çalışmalarda %99’a varan el tercihinin elde edilmesi için sadece otokatalitik asimetrik sentez yöntemlerinin yeterli olmayacağı görüldü. Çünkü her başlangıç ürünü yeni ürünlerin eldesinde yer aldıkça bir miktar “erozyona” uğruyordu. Böylece tepkimenin başında %90 dönüşüm sağlanırken tepkime devam ederken bu miktar %81’e kadar azalabiliyordu. Kagan’ın “doğrusal olmayan etki mekanizmalarını” “otokatalitik asimetrik senteze” uyarlayan Soai’nin kendi adıyla anılan tepkimesinde ise bu oranın, grafikteki A çizgisindeki gibi sürekli ve doğrusal olmayan bir şekilde arttığı görüldü. Başlangıçta ortamdaki sağ el ve sol el molekülleri arasındaki fark %5 gibi az bir fark olsa bile tepkime sonunda fark %99,5’in üzerine çıkıyordu. Böylece sadece tek bir ele ait moleküllerin ortamda kaldığı ilk tepkimeydi bu.

Tabii Soai sentezi su ortamında gerçekleşmez ve vücudumuzdaki amino asitlerle de ilgili değildir. Amino asitlerin el tercihiyle ilgili sorular hâlâ cevap beklemektedir. Ama ayna görüntüleri arasında böylesine seçici bir tepkimenin varlığı gelecekte amino asitlerin el seçiciliği için de benzer bir tepkimenin bulunabileceğine dair bilim insanlarını umutlandırmıştır. Dünyada yaşamın oluşumuna ilişkin muhteşem ipuçlarından biri budur aslında. Kagan ve Soai bu alandaki genel kabulleri değiştirenler olarak Nobel Ödülüne layık görülmüşlerdir.

Frank, 1953 makalesini tamamlarken moleküllerin el tercihine yönelik teorik modelini “deneysel olarak göstermenin imkânsız olmayabileceğini” söyler. 1986’da Kagan, Frank’ın teorik modeliyle ilgili ilk deneysel mekanizmaları ortaya çıkarır. 1995’te Soai bu fikirleri bir organik kimya tepkimesine uygulayarak deneysel olarak ilk kez göstermeyi başarır. 2026’da bu çalışmalar Nobel Ödülüyle taçlandırılır. Bu 70 yıllık hikâyede de gördüğümüz gibi bilim yıllar boyunca birbirlerinin fikirlerini inceleyen, araştıran, deneyen, geliştiren bilim insanlarının çabalarıyla, birbirinin üzerine eklenen bilgi yapı taşlarıyla gelişir. Mekân ve zamandan bağımsız olarak bilim insanlarının ortak çalışmalarının ürünüdür. Bu ortak çaba insanlığın en temel sorularına yönelik kuşaktan kuşağa bir arayıştır aslında. Neden hepimizin vücudundaki amino asitlerin sol el görünümünü tercih ettikleri sorusu ise belki bugünün belki geleceğin bilim insanlarını bekler. Sadece tam bir cevabın bulunması için değil, aynı zamanda ve belki de daha önemlisi, her soru gibi bu sorunun içinde saklı, henüz hiç sorulmamış muhteşem güzellikteki yepyeni sorularla, keşfedilmeyi bekleyen yepyeni harikalar diyarları olabileceği için… Alice’i oraya götüren de zaten merakı, hayal gücü ve cesareti değil midir?

Alimet Sema Özen

Aynadaki moleküller: Enantiyomerler

2021 Nobel Kimya Ödülü: Temiz, ucuz ve “seçici” organik katalizörler