化学反応が一方の鏡像を優先する仕組みの解明
日本の化学者、草井健三氏とフランスの化学者、アンリ・B・カガン氏が、化学反応が分子の二つの鏡像形のうち一方を優先する仕組みを示した発見により、2026年のノーベル化学賞を受賞した。二人の研究は、生命の化学をめぐる長年の謎、すなわち多くの必須生体分子が、考えられる二つの形のうち一方に大きく偏って存在する理由に取り組んだものだ。
目次
スウェーデン王立科学アカデミーは水曜日、ストックホルムで受賞を発表した。受賞理由として、二人による「不斉有機合成における非線形効果と自己触媒作用の発見」を挙げた。賞金1,200万スウェーデンクローナは受賞者2人に等分され、授賞式はアルフレッド・ノーベルの命日に当たる12月10日にストックホルムで行われる予定だ。
東京理科大学の名誉教授である草井氏は、自宅近くで買い物をしている際に受賞を知った。ノーベル委員会との電話で、人生で最も胸が躍る日の一つだと語り、旧パリ第11大学の名誉教授であるカガン氏と栄誉を分かち合えることをうれしく思うと述べた。その後の大学記者会見では、研究に欠かせない助けを得たとして、学生や同僚に謝意を示した。
今回の受賞は、医薬品や材料、香料などの化合物をつくる化学者に実用的な価値をもたらす基礎研究を評価するものだ。また、生命に特徴的な分子の左右性がどのように生じたのかを調べる手掛かりとなる実験室での反応にも光を当てる。ただし、研究者らは、この反応自体が初期地球の化学を直接再現するモデルとは考えられていないと注意を促している。
分子の左右性とは何か
分子の中には、原子が同じ順序で結びついていながら、鏡に映したような形で配置された二つの形をとるものがある。左右の手のように、どの部分もぴったり重なるように置くことはできない。化学者はこの性質をキラリティーと呼び、二つの形をエナンチオマーと呼ぶ。
生体内では、この違いが非常に重要になることがある。タンパク質はほぼすべてL型アミノ酸からできている一方、DNAやRNAに含まれる糖は反対のD型配置をとる。タンパク質を含む生体構造自体がキラルであるため、分子の二つの形は体内で異なる相互作用をすることがある。薬の一方の形は望ましい効果をもたらしても、その鏡像は効果が弱かったり、異なる効果を示したり、望ましくない副作用を引き起こしたりする可能性がある。
そのため、キラリティーは分子構造に関する抽象的な特徴にとどまらず、医薬品開発における実務上の課題でもある。同時に、生命の起源をめぐる興味深い問いにもつながる。キラル分子をつくる一般的な反応の多くは、それぞれの鏡像をほぼ同量生み出す。それなのに、生命はどのようにして、多くの生体構成分子の一方の形に強く依存するようになったのだろうか。
この謎には長い歴史がある。19世紀、ルイ・パスツールは酒石酸の結晶を二つの形に分け、それぞれの溶液が偏光を反対方向に回転させることを発見した。この実験は、一部の分子に鏡像形があることの解明に貢献した。その後の研究では、細菌が酒石酸の一方の形を消費し、鏡像形を残すことが分かり、生体化学が示す特異な選択性が明らかになった。
カガン氏はどのように見方を変えたのか
重要な理論的着想は1953年に生まれた。物理学者チャールズ・フランクは、自らのキラル触媒をつくる反応が、最初にわずかに生じた偏りを増幅しうると説明した。触媒は反応を速めるが、自らは消費されない。反応によって、鏡像の一方を優先する触媒がさらに生み出されれば、その触媒が同じ形をいっそう多くつくる助けとなる可能性がある。
この考えを実験室で実現することは、何十年にもわたって難しかった。カガン氏の研究は、その答えの重要な部分を示した。1986年、同氏らは触媒の左右性と生成物の左右性の関係が、必ずしも単純な一対一対応ではないことを明らかにした。触媒の一方の形がわずかに多いだけでも、生成物の一方の形がはるかに多くなる場合がある。
これは非線形効果と呼ばれる。最初の偏りに正比例して結果が増えるわけではないことを表す言葉だ。一部の反応では、触媒分子が異なる組み合わせで対をつくることがある。左右性の異なる分子同士の対が、同じ左右性の分子同士の対より反応しにくければ、触媒混合物だけから予想される以上に、一方の生成物が強く優先されることがある。
カガン氏の発見は、触媒と同じ程度に純粋な状態から始めなくても、生成物の一方を大きく優勢にできる場合があることを示し、合成化学者にとって重要だった。また、化学系のわずかな偏りがどのように増幅するかを考える手掛かりにもなった。同氏の研究は、数学上の可能性を、化学者が実験で検証できる問いへと変える助けとなった。
草井反応はなぜ画期的だったのか
草井氏はさらに、反応生成物が自らの生成を触媒する可能性を追究した。この過程は自己触媒作用と呼ばれる。生成物がキラルで、自身と同じ鏡像形を優先的に生み出すなら、フィードバックによって反応のわずかな偏りを増幅できる。
草井氏らは1990年、初期の自己触媒反応を報告した。1995年には、画期的な草井反応として知られる関連反応を発表した。キラルな生成物が自らの生成を触媒し、エナンチオマーの一方が優勢になる度合いを高める反応だ。2003年には、ごく小さな初期の偏りを増幅し、一方のエナンチオマーが99.75％を占める物質を得たと報告した。
この成果は、どの形を優勢にするかを決める外部のキラル分子に頼らずとも、反応が実験室でほぼ一方に偏って進むことを実証した。ノーベル化学委員会の委員長、ハイナー・リンケ氏は、カガン氏と草井氏が「1世紀以上にわたる化学の謎、すなわちホモキラリティーがどのように自発的に生じるのかに解答を示した」と述べた。ホモキラリティーとは、系が二つの分子形のうち主に一方を利用することを指す。
この反応は生命の起源と関連づけて語られることが多いが、その関連には留保が必要だ。草井反応は、化学的なフィードバックが小さな偏りを増幅する仕組みを示している。一方、研究者らは、この反応に特定の試薬や条件が必要であり、水が存在すると成り立たない条件も含まれることから、生命誕生前の地球で設計どおりに起きた可能性は低いと指摘している。その意義の一端は、分子の非対称性を生みうる他の経路と比較できる原理を示したことにある。
起源研究を超えて広がる意義
分子の左右性を制御することは、多くの医薬品や有用化学物質をつくるうえで重要だ。一方のエナンチオマーを選択的につくる反応を使えば、後から混合物を分離する必要性を減らし、より予測しやすい特性を持つ化合物の製造につなげられる。今回のノーベル賞は、化学者がこうした反応を理解し、設計する方法を形づくった発見を評価した。
医薬品の歴史は、その重要性を示している。1960年代初頭につわりの治療薬として処方されたサリドマイドは、深刻な先天性障害との関連が指摘された。その後の研究は、鏡像形によって生体への作用が異なる点に注目を集めた。この例は、化学者がキラリティーを研究する理由を説明するためによく挙げられるが、サリドマイドの生体内での挙動は、一方が有害でもう一方は安全という単純な二分法より複雑だ。
よく知られた他の分子も、鏡像形によって性質が異なることを示している。例えば、カルボンの二つの形は、それぞれミントとキャラウェイの香りに結びついている。同じ原理は、医薬品や農薬などの化合物が生体標的とどう相互作用するかにも影響する。左右性を含む分子の構造が、その働きを左右する。
カガン氏と草井氏の研究は、選んだエナンチオマーへ反応を導く不斉合成の発展の中にも位置づけられる。2001年のノーベル化学賞は、不斉触媒反応の進展により、ウィリアム・ノールズ、野依良治氏、バリー・シャープレス氏に授与された。カガン氏と草井氏は、関連しながらも異なる問い、すなわち生成物が自らの生成を触媒する場合を含め、偏りがどのように増幅されるかに取り組んだ。
日本とのつながりを持つ基礎科学賞
草井氏は1950年に広島県で生まれ、東京大学で学び、理学博士号を取得した。日本国内やノースカロライナ大学で研究職を務めた後、東京理科大学の教授に就任した。2012年に紫綬褒章を受章し、現在は名誉教授を務める。
授賞当日の記者会見で草井氏は、意図した結果が得られるか分からないまま実験を続けることが研究の過程だと語った。新たな実験事実を発見する喜びと驚きがあったため、困難についてくよくよ考えることはなかったという。また、大学の研究環境と、ともに研究に取り組んだ学生にも感謝の意を示した。
今回の受賞で、日本の個人または団体がノーベル賞を受賞するのは3年連続となった。2024年と2025年にも日本の受賞者が出ている。草井氏は、有機化学分野の研究で評価された日本人化学者の長い系譜に連なる。有機化学は、タンパク質や糖、そして多くの医薬品を含む炭素化合物を扱う分野だ。
科学に残る未解明の問い
今回の受賞は、生命の一方に偏った化学がどのように始まったのかを解決するものではない。化学的な偏りを強める仕組みを示した実験的・概念的な進展を評価する一方、生命誕生前の自然界でどの過程が働いていたかは未解明のままだ。研究者らは、結晶や表面、あるいは一方の形を優先しうる物理的条件が関わる効果など、別の仕組みについても調べている。
その区別も、研究の価値の一部だ。草井反応は不斉自己触媒作用の強力な事例を示し、カガン氏の非線形効果は触媒混合物が予想外に強い選択性を生み出す仕組みの理解に役立つ。二人の発見は、実用的な合成と生命の起源をめぐる問いの両方で、分子の左右性を研究するための道具を化学者に与えた。
草井氏は、今回の評価によって有機合成への関心が高まり、研究の継続につながることを願うと述べた。ノーベル賞は、1世紀以上にわたる謎から始まり、印象的な実験室での実証に至った一連の研究をたたえるものだ。適切な条件下では、化学反応は一方の鏡像を優先し、その選択を強めることができる。
主なポイント
- 草井健三氏とアンリ・B・カガン氏が2026年のノーベル化学賞を受賞した。
- 受賞は、不斉有機合成における非線形効果と自己触媒作用の発見を評価したものだ。
- カガン氏は1986年、触媒のわずかな偏りが反応生成物のより大きな偏りにつながりうることを示した。
- 草井氏の反応は、キラルな生成物が、自身と同じ形の生成を触媒できることを実証した。
- この発見は化学合成に役立つとともに、生命の分子の左右性がどのように始まったのかを研究する手掛かりとなるが、その謎を解決するものではない。
