요약
앙리 B. 카강과 소아이 겐소가 거울상 분자 가운데 한쪽만 만드는 반응을 밝혀 노벨 화학상을 받았습니다.
스웨덴 왕립과학원이 10월 7일 발표한 올해 노벨 화학상입니다. 생명체는 아미노산처럼 서로 거울상인 분자 가운데 한쪽만 씁니다. 이런 성질(호모키랄성)이 어떻게 생기는지는 한 세기 넘게 풀리지 않은 문제였고, 위원회는 두 사람이 그 답을 내놓았다고 평가했습니다.
왜 중요한가
- 약은 거울상 한쪽만 원하는 효과를 내므로, 이 발견은 의약품 제조 반응을 설계하는 데 결정적이었다고 위원회는 밝혔습니다.
- 생명체 말고는 아무도 해내지 못한 '한쪽 거울상만 만들기'를 실험실 화학 반응으로 처음 재현했습니다.
핵심 내용
- 수상 이유는 비대칭 유기 합성(거울상 한쪽을 골라 만드는 합성)에서 비선형 효과와 자기촉매 작용을 발견한 공로입니다.
- 카강은 1986년 반응을 다루는 새 방법을 찾아, 그전까지 가능하다고 여긴 것보다 한쪽 거울상을 더 많이 만들어 냈습니다.
- 소아이는 1995년 한쪽 거울상만 생길 가능성을 지닌 첫 반응을 설계했고, 2003년 이를 실제로 성공시켰습니다.
- 카강은 1930년생으로 파리쉬드 대학교 명예교수이고, 소아이는 1950년생으로 도쿄 이과대학 명예교수입니다.
- 상금 1,200만 스웨덴 크로나는 두 사람이 똑같이 나눕니다.
HN 반응
- 화학자라는 이용자는 비대칭 합성은 전부터 있었고, 새로운 점은 외부 도움 없이 작은 불균형을 스스로 키운 데 있다고 짚었습니다.
- 여러 이용자는 키랄성(거울상 성질)을 처음 배운 기억과 파스퇴르가 결정을 핀셋으로 골라낸 일화를 나눴습니다.
대학 생화학 수업에서 키랄성(chirality)을 처음 배웠을 때가 기억납니다. 정말 머리를 한 대 맞은 기분이었습니다. 분자가 3차원 구조를 가진다는 건 이미 어렴풋이 알고 있었지만, 거울상 분자라는 개념은, 그것도 머릿속으로 그려 보려고 하니 뇌가 한계까지 늘어나는 느낌이었습니다.
사람들이 이걸 처음 알아낸 과정도 지금 생각해도 놀랍습니다. 와인 통 바닥에 가라앉은 결정을 현미경으로 이리저리 들여다보다가 일부가 서로 거울상이라는 걸 알아채고는, 핀셋으로 하나하나 손으로 갈라내서 두 용액에 따로 녹인 다음, 두 용액이 빛을 서로 반대 방향으로 회전시킨다는 걸 보여 줬다는 거잖습니까.
주석산나트륨암모늄입니다(말씀하신 내용은 기억났는데, 정확한 화학물질 이름은 찾아봐야 했습니다!).
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9291139/
거기에서 인용합니다.
"놀랍게도 그는 각 결정의 한쪽 모서리에 작은 면이 있고, 그 면이 어떤 것은 오른쪽을, 어떤 것은 왼쪽을 향한다는 것을 알아챘다. 그는 이 결정들을 핀셋으로 손수 분리할 수 있었다."
이런 순간이나 벤젠에 얽힌 케쿨레의 뱀 꿈 이야기를 들으면, 제가 과학자라는 이름이 부끄러워집니다. 가끔 이런 생각을 해요. 평생 이것저것 들여다보면서 살았는데, 내 관찰력과 지능이 모자라서 근본적이고 중요한 뭔가를 놓친 건 아닐까 하고요.
케쿨레 이야기가 대단하다고 생각하신다면, 캐리 멀리스가 중합효소 연쇄 반응(PCR) 아이디어를 떠올린 일화도 꼭 읽어 보세요!
이미 읽었죠 :) 골든게이트 공원에서 LSD를 한 뒤에 시간 역전에 대한 논문을 Nature에 썼다는 것도 빼놓으면 안 되고요!
약에 취해 있었던 거 맞죠?
저는 아편이려니 했어요.
그래도 어떤 문제에 푹 빠져서 밤낮없이 계속 생각하다 보면, 바로 그럴 때 통찰이 의식 위로 올라오는 것 같아요(약이든 아니든 상관없이요).
대학원 시절에 LSD를 가장 잘 합성하는 사람으로 소문이 나 있었습니다.
글쎄요, 과학자라고 해서 모두 뱀(케쿨레)이나 사과(뉴턴)에 얽힌 시적인 꿈을 꿔야 하는 건 아니라고 봅니다.
저는 꿈에서 어떤 문제를 '푸는' 경우가 자주 있는데, 이상하게도 깨어나서 보면 내용이 엉터리입니다. 해답만이 아니라 문제 자체가 말이 안 됩니다. 꿈은 기억과 생각을 굴려 보고 정리하는 과정일 뿐이고, 거기에 추론은 없다고 생각합니다.
과학의 상당 부분은 그저 절차를 밟고 실험을 꼼꼼하게 여러 번 반복하는 일입니다. 운 좋게 한 건 하도록 준비해 두는 건 또 다른 문제고요.
처음 재귀를 배웠을 때 저는 도무지 이해가 안 됐습니다(정확히는 어떻게 결국 종료 지점에 닿아서 스택을 거슬러 올라오는지를 몰랐습니다). 하루 종일 생각하고 또 생각했습니다. 그러다 잠들 무렵, 깨어 있는 것도 아니고 자는 것도 아닌 또렷한 상태에서 제가 짜려던 프로그램 전체가 빛나는 글자로 눈앞에 나타났습니다. 머릿속 깊은 어딘가가 저를 깨웠고, 저는 그걸 받아 적고 다시 잠들었습니다.
다음 날 일어나 컴파일해서 돌려 보니 한 번에 됐습니다(제 컴퓨터의 스택 한계까지, 그러니까 함수 호출 6단계 깊이까지는요).
그 뒤로 이해 안 되는 것에 극도로 집착하면 통찰이 불쑥 떠오르기 시작한다는 걸 알게 됐습니다. 다만 그럴 때는 사람과 어울리는 부분의 뇌가 "페이지 아웃"된 것처럼 다른 사람과 제대로 대화를 못 합니다. 많은 천재가 인간적인 삶과 발견 사이의 아슬아슬한 경계를 걸었다는 걸 생각하면, 고뇌하는 천재들이 조금은 더 이해가 됩니다.
뉴턴은 사과가 떨어지는 꿈을 꾼 게 아닙니다. 실제로 있었던 일이에요(이런 일이 흔히 그렇듯). 다만 사과가 머리에 떨어지지는 않았습니다.
https://www.newtonproject.ox.ac.uk/view/texts/normalized/OTHE00001
고풍스러우면서도 명료하고 아름다운 글이네요. 깊은 인상을 받았습니다. 올려 주셔서 감사합니다.
참고로 이 모든 내용은 노벨상 페이지의 "popular information" 탭에 설명되어 있습니다. 늘 아주 흥미롭고 따라가기도 쉽습니다.
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2026/popular-information/
저는 고등학생 때부터 분자가 3차원 구조를 가진다는 개념 자체는 쉽게 이해했습니다(왼쪽 장갑과 오른쪽 장갑을 드는 교과서 설명이 쉬우니까요). 하지만 그걸 머릿속에 그려 보는 건 정말 어려웠습니다. 저는 시각적으로 생각하는 사람이 아니었고, 지금도 아닙니다. 그래서 거울상 이성질체(enantiomer)를 구별해야 할 때마다 애를 많이 먹었습니다. 예를 들어 키랄성만 다른 두 분자를 주고 어느 쪽이 좌선성(levo)이고 어느 쪽이 우선성(dextro)인지 물으면, 아무리 열심히 공부해도 몹시 힘들어했습니다.
적어도 저는(저는 심상 불능증(aphantasia)이 있거든요) 분자 시각화 앱을 쓰면, 가능하면 3D 입체 안경까지 쓰면 차이가 엄청나게 크더라고요. 분자를 이리저리 돌려 보면서 머릿속에 쓸 만한 그림을 어떻게든 쌓아 올릴 수 있습니다.
저는 100단계 유기화학 수업에서 해결했습니다. 구-막대 모형(ball-and-stick model) 실물이 있었거든요.
다들 서로 다른 길로 같은 지식에 이르게 된다는 게 저는 웃겨요. 저는 20대 중반에 Mass Effect를 하다가 키랄성을 알았거든요 ㅋㅋ
그렇게 말하니까 꽤 대단하게 들리네요.
제가 이해하기로는 키랄성 문제가 생명 기원(abiogenesis)에서 가장 큰 난제 중 하나입니다. 무기물 속 우연이 이어진 어떤 초기 과정이 어떻게 생명으로 이어지느냐는 문제죠. 거기에 필요한 화학 반응은 올바른 키랄성을 만들어 내야 합니다.
하지만 더 잘 아시는 분이 설명해 주실 수도 있겠네요... 저는 제임스 투어가 이걸 두고 열변을 토하는 것만 들어 봤습니다.
화학자입니다. 저는 이 글을 읽고 거짓말이거나 선전이라고 생각했습니다. 그런데 한참 곱씹어 보니, "호모키랄(homochiral)"(무에서의 창조)이라는 표현이 이 주장을 기술적으로 참으로 만들어 주는 일을 상당히 떠맡고 있다고 봅니다. 그것도 참이라면 말입니다.
비대칭 합성은 1995년 이전에 이미 확고히 자리 잡은 분야였습니다. 놀스, 노요리, 샤플리스, 에번스 같은 화학자들은 키랄 촉매나 키랄 보조체를 써서 한쪽 거울상이 크게 많은 분자를 일상적으로 만들어 냈습니다.
소아이의 반응이 달랐던 점은 외부 키랄 공급원이 필요 없었다는 것입니다. 키랄 생성물이 자기 자신의 생성을 촉매하기 때문에, 무작위로 생긴 아주 작은 불균형이 아주 큰 거울상 과잉(enantiomeric excess)으로 증폭될 수 있습니다.
파스퇴르의 결정화 실험이나 원편광 같은 비생물적 비대칭의 다른 사례도 그 전부터 알려져 있었습니다.
그러니 노벨상 보도자료는 줄여서 쓴 표현으로 이해하는 게 가장 알맞습니다. 소아이가 비대칭 합성을 발견한 것은 아니고, 비생물적 화학계에서 스스로 증폭되는 자발적 키랄 대칭 깨짐(chiral symmetry breaking)이라는 놀라운 현상을 보여 준 것입니다.
큰 도움이 됐어요! 저는 효소 합성을 배우는 초심자예요. 아직 그 단계는 아니지만, 제 짐작으로는 효소 합성에서는 목표 분자(그리고 반응물과 중간 생성물)가 전부 특정한 키랄성을 갖고, 50대 50으로 만들어질 수 있는 화학 합성과는 다를 것 같아요. 제 데이터 구조에 있는 것들(그리고 그것들이 참조하는 pubchem CID와 ChEBI id)은 전부 키랄이거든요.
이 그림에서 오른쪽 촉매가 왼쪽보다 더 빠르게 만들어지는 이유가 설명되어 있나요? 아니면 왼쪽/오른쪽 촉매가 오른쪽보다 더 빠르게 만들어지는 이유라고 해도 됩니다. 증폭 효과의 이유를 이해해 보려는 중입니다.
시약이 전부 대칭이라면 왼쪽이나 오른쪽이 더 많이 생기는 반응을 어떻게 설계할까요? 순전히 대칭인 시약과 촉매에서 출발해 어떻게 비대칭을 만들어 낼까요?
생성물의 키랄성이 그 자신의 키랄성을 만드는 자가촉매일 때 가능합니다. 분자 단위의 무작위성 때문에 반응이 왼쪽이 오른쪽보다 조금 많은 상태로 시작되면, 왼쪽이 자가촉매로 작용해서 걷잡을 수 없이 커지는 과정이 일어나고, 반응이 끝날 즈음에는 왼쪽이 오른쪽보다 훨씬 많아집니다.
처음부터 반응을 다시 하면 왼쪽 생성물이 나올지 오른쪽 생성물이 나올지는 무작위입니다. 하지만 반응 결과물이 왼쪽과 오른쪽이 50대 50으로 섞인 것은 아닙니다! 즉 순전히 대칭인 용매에서 용액에 비대칭을 만들어 낸 것입니다.
정말 흥미롭네요. 그렇다면 시작할 때는 왼쪽이 크게 우세해질지 오른쪽이 그럴지 알 수 없고, 둘 중 하나가 된다는 것만 안다는 말이 맞나요?
생체 분자의 키랄성은 발생 중인 배아에서 좌우가 구분되는 원인이기도 합니다.
배아의 꼬리 쪽으로 기울어진 섬모가 만들어집니다. 이 섬모를 움직이는 단백질 모터의 키랄성 때문에 섬모가 시계 방향으로 돌고, 그 결과 물이 왼쪽으로 흐르게 됩니다.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC1180515/
https://hms.harvard.edu/news/telling-left-right-organ-development
소아이 교수님의 노벨상 수상을 축하드립니다. 비대칭 자기촉매 작용(asymmetric autocatalysis)의 발견은 정말 획기적인 업적이며, 같은 일본인으로서 이루 말할 수 없이 자랑스럽습니다.
재미있는 사실입니다. 그의 성 硤合은 한자가 너무 희귀해서 읽는 법을 아는 사람이 거의 없고, 그래서 일본 뉴스 사이트 대부분은 히라가나로 そあい라고 적습니다.
일본에서는 이렇게 희귀한 성이 흔한가요? 그러니까 전체적으로 보면 희귀한 성을 가진 일본인의 비율이 1%보다 높은가요? 제가 묻는 건 이탈리아 사람들 중에도 (저를 포함해서) 희귀한 성을 가진 사람이 많고, 그런 성은 집안의 고향 도시에서만 거의 찾아볼 수 있기 때문입니다.
좋네요, 대학원 시절 기억이 새록새록 납니다. 이렇게 스스로 강화되는 반응은 늘 흥미롭다고 생각했습니다.
또 다른 논문이 떠오르는데, 용액을 젓느냐 안 젓느냐만으로 생기는 결정의 키랄성이 정해지고, 이는 고도로 키랄한 환경이 "무"에서 어떻게 생길 수 있는지 감을 잡게 해 줍니다.
Chiral symmetry breaking in sodium chlorate crystallizaton https://doi.org/10.1126/science.250.4983.975
대학원 시절 한 교수님이 생명의 키랄성 기원에 대해 지나가듯 하신 말씀이 기억납니다. 일부 사람들이 전약력(electroweak force)의 패리티와 관련이 있을 거라고 추측했다고 하셨는데( https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1985Natur.318..172T/abstract ), 늘 가능성이 낮아 보였습니다. 그로 인한 에너지 차이가 너무 작아서, 한 번이나 몇 번의 사건만으로는 한쪽으로 크게 치우치기 어렵기 때문입니다.