Giải Nobel Hóa học 2026 vinh danh hai nhà khoa học giải mã bí ẩn về tính bất đối xứng của tự nhiên

Giải Nobel Hóa học 2026 đã gọi tên hai nhà khoa học Henri Kagan và Kensō Soai cho công trình giải mã bí ẩn về tính bất đối xứng hóa học của tự nhiên. Khám phá này mở ra con đường mới để kiểm soát các phản ứng dùng trong sản xuất dược phẩm và nhiều loại vật liệu khác.

Bài toán đối xứng gương của phân tử

Một số phân tử có tính chirality (tính bất đối xứng), nghĩa là chúng tồn tại ở hai dạng là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít lên nhau, giống như bàn tay trái và bàn tay phải. Một trong những hiện tượng bí ẩn nhất của sinh học là các sinh vật sống hầu như chỉ chứa một trong hai dạng này. Hiện tượng đó được gọi là homochirality (tính đồng nhất bất đối).

Hai phiên bản của phân tử, mỗi phiên bản được gọi là một enantiomer, có tính chất vật lý tương tự nhau nhưng có thể hành xử rất khác biệt. Ủy ban Nobel dùng một ví dụ đơn giản để minh họa: một người thợ khóa có thể tạo ra hai chiếc chìa khóa đối xứng gương, nhưng "chỉ một trong hai chiếc vừa với ổ khóa — và ổ khóa có thể hỏng nếu khách hàng cố mở bằng chiếc còn lại".

Trong quá trình phát triển các loại thuốc mới dựa trên axit amin hay phân tử đường, tính đồng nhất bất đối đặt ra một vấn đề nan giải: một enantiomer mang lại hiệu quả điều trị mong muốn, còn enantiomer kia có thể gây ra tác dụng phụ không cần thiết, thậm chí có hại. Các nhà khoa học không phải lúc nào cũng dễ dàng kiểm soát được phiên bản nào sẽ thu được sau phản ứng tổng hợp.

Từ Pasteur đến mô hình của Charles Frank

Việc phát hiện các phân tử bất đối đã có từ thời Pasteur, khi ông tìm ra hai enantiomer phản ứng rất khác nhau khi tiếp xúc với vi khuẩn. Kể từ đó, nhiều nhà nghiên cứu nỗ lực tái tạo tính đồng nhất bất đối trong phòng thí nghiệm, với mục tiêu hiểu được nguồn gốc tự phát của nó và ứng dụng vào việc thiết kế các phản ứng có kiểm soát.

Tuy nhiên, những thí nghiệm ban đầu chỉ tạo ra lượng bằng nhau của hai biến thể, không thể tái hiện tính chọn lọc vốn có trong tự nhiên. Vào đầu thế kỷ trước, nhà hóa học người Đức Willy Marckwald đã thiết kế một phản ứng bất đối có khả năng tạo ra lượng lớn hơn một chút của một trong hai phiên bản. Ông làm được điều này nhờ một chất xúc tác bất đối — chất thúc đẩy phản ứng hóa học mà không bị tiêu hao, đồng thời thiên vị sự hình thành của một enantiomer. Tuy vậy, tỷ lệ giữa hai biến thể chỉ thay đổi rất ít.

Đến năm 1953, nhà vật lý lý thuyết Charles Frank đề xuất một mô hình toán học nêu ra ba điều kiện để tái tạo tính đồng nhất bất đối. Thứ nhất, phải có một phản ứng bất đối có khả năng thiên vị một trong hai phiên bản. Thứ hai, sự chênh lệch đó phải được khuếch đại. Thứ ba, bản thân phản ứng phải tạo ra chất xúc tác thúc đẩy chính nó. Đặc tính cuối cùng này được gọi là autocatalysis (tự xúc tác), tạo ra một vòng phản hồi dương: một lợi thế nhỏ ban đầu có thể khiến một biến thể hình thành với tốc độ ngày càng nhanh cho đến khi chiếm ưu thế trong phản ứng.

Hiệu ứng phi tuyến của Kagan

Khung lý thuyết này trở thành nền tảng cho nghiên cứu của Henri Kagan. Từ đầu thập niên 1980, ông tập trung tinh chỉnh các phản ứng bất đối thông qua việc nghiên cứu kỹ lưỡng chất xúc tác. Thời điểm đó, giới khoa học thường dùng chất xúc tác gồm một nguyên tử kim loại đóng vai trò động lực phản ứng và một chất bất đối đảm bảo quá trình diễn ra không đối xứng. Họ cho rằng nếu dùng hỗn hợp chứa lượng bằng nhau của hai phiên bản phân tử bất đối đó, kết quả cũng sẽ là một hỗn hợp cân bằng.

Kagan bắt đầu đặt câu hỏi về giả định ấy. Ông nhận ra nguyên tử kim loại có thể không chỉ tương tác với một enantiomer mà với cả hai cùng lúc. Điều này có nghĩa khi trộn phiên bản A và B, ba tổ hợp khác nhau có thể hình thành: A-A, B-B và A-B. Hai tổ hợp đầu tạo ra các phân tử là ảnh gương của nhau, nhưng tổ hợp A-B có thể hành xử khác đi trong phản ứng.

Theo phát hiện của ông, tổ hợp A-B có thể làm chậm phản ứng, từ đó gián tiếp thiên vị sự hình thành một trong hai phiên bản của phân tử cuối. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng phi tuyến (nonlinear effect) và mở ra một cách thức mới để điều khiển phản ứng hóa học.

"Ngoài ý nghĩa thực tiễn, các hiệu ứng phi tuyến là công cụ vô cùng giá trị để nghiên cứu cơ chế phản ứng và bản chất của các loại xúc tác hoạt động," José María Andrés García, giáo sư Khoa Hóa hữu cơ tại Đại học Valladolid, giải thích trong một tuyên bố được SMC Spain đưa tin.

Soai và phản ứng tự xúc tác đạt độ tinh khiết gần tuyệt đối

Lấy cảm hứng từ phát hiện của Kagan, Kensō Soai tìm cách tạo ra một phản ứng mà chính sản phẩm sẽ đóng vai trò chất xúc tác, giúp sinh thêm nhiều phân tử giống hệt nó — một trong những điều kiện lý thuyết để đạt tính đồng nhất bất đối. Ông tiến hành thí nghiệm với một chất gọi là 5-pyrimidylalkanol. Đầu thí nghiệm, một phiên bản chỉ chiếm ưu thế hơn phiên bản kia 2%. Đến cuối phản ứng, lợi thế đó đã tăng vọt lên 87%.

Trong những năm sau đó, Soai hướng tới mục tiêu đạt được phản ứng cho ra độ tinh khiết gần tuyệt đối của một enantiomer, tái hiện trạng thái phân tử bên trong cơ thể sinh vật. Cuối cùng, vào năm 2003, ông thiết kế được một phản ứng trong đó các chất ban đầu không có định hướng xác định, nhưng khi phản ứng diễn ra, một lượng lớn hơn một chút của một enantiomer xuất hiện một cách ngẫu nhiên. Chênh lệch nhỏ bé đó sau đó sinh ra thêm rất nhiều phân tử cùng biến thể, dần dần chiếm ưu thế trong phản ứng và đạt tới 99,99% sản phẩm cuối.

Nói cách khác, phản ứng chỉ tạo ra một trong hai enantiomer có thể có. Như Ủy ban Nobel nhận định: "Ngoài chính sự sống, chưa từng có ai đạt được kỳ tích này."

Ý nghĩa với ngành dược và công nghệ sinh học

Đối với ngành dược phẩm, khả năng kiểm soát enantiomer có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Nhiều loại thuốc chỉ hiệu quả khi dùng đúng dạng phân tử, trong khi dạng đối xứng gương có thể gây hại. Điển hình như thalidomide, một loại thuốc từng gây thảm họa y khoa vì một enantiomer có tác dụng an thần còn enantiomer kia gây dị tật bẩm sinh nghiêm trọng.

Công trình của Kagan và Soai không chỉ giải thích vì sao tự nhiên có thể "chọn" một dạng phân tử duy nhất mà còn cung cấp công cụ để con người làm điều tương tự trong phòng thí nghiệm. Đây là nền tảng cho các phương pháp tổng hợp dược phẩm hiện đại, giúp tạo ra thuốc tinh khiết hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn.

Với giới công nghệ và công nghệ sinh học tại Việt Nam, hướng nghiên cứu này cũng gợi mở tiềm năng ứng dụng trong sản xuất dược phẩm, vật liệu tiên tiến và cảm biến sinh học — những lĩnh vực đang được đầu tư mạnh trong chiến lược phát triển công nghệ cao của quốc gia.