Kenso Soai lý giải đột phá hóa học đoạt Nobel và dự định nghiên cứu mới về sự mất cân bằng phân tử

Từ một mất cân bằng nhỏ đến giải Nobel

Nhà hóa học Nhật Bản Kenso Soai, người có các thí nghiệm biến hỗn hợp gần như cân bằng gồm các ảnh gương phân tử thành sản phẩm chủ yếu mang một dạng, cho biết tại một buổi nói chuyện ở Tokyo ngày 20 tháng 10 năm 2026 rằng ông muốn tìm hiểu điều gì khởi đầu những mất cân bằng đó. Khoảng 2.000 người, trong đó có người tham dự trực tuyến, đã dự buổi nói chuyện do Hội Hóa học Nhật Bản tổ chức.

Buổi nói chuyện diễn ra sau khi Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển ngày 7 tháng 10 thông báo Soai và nhà hóa học Pháp Henri B. Kagan sẽ cùng nhận giải Nobel Hóa học năm 2026. Những phát hiện của họ lý giải cách các phản ứng hóa học có thể khuếch đại ưu thế nhỏ của một dạng phân tử, giúp các nhà hóa học hiểu một đặc điểm cơ bản của sự sống và thiết kế các phản ứng dùng trong nghiên cứu dược phẩm.

Thông báo giải hóa học của Viện Hàn lâm ghi nhận hai nhà khoa học đã phát hiện các hiệu ứng phi tuyến và hiện tượng tự xúc tác trong tổng hợp hữu cơ bất đối xứng. Nói đơn giản, họ tìm ra cách khiến phản ứng tạo ra nhiều ảnh gương phân tử này hơn ảnh kia, đôi khi sản phẩm còn giúp tạo thêm chính nó.

Soai, 76 tuổi, là giáo sư danh dự tại Đại học Khoa học Tokyo. Kagan là giáo sư danh dự tại Đại học Paris-Sud ở Pháp. Hai người sẽ chia đều giải thưởng trị giá 12 triệu kronor Thụy Điển, mỗi người nhận 6 triệu kronor.

Tại buổi nói chuyện ở Tokyo, trong phần hỏi đáp, Soai đã chia sẻ về hướng nghiên cứu tiếp theo:

Tôi hy vọng sẽ nghiên cứu nhiều nguyên nhân có thể gây ra sự mất cân bằng trái-phải.

Phát biểu của ông mở rộng câu chuyện vượt ra ngoài thông báo giải thưởng ngày 7 tháng 10: các thí nghiệm giải thích cách một khác biệt rất nhỏ có thể lớn dần, còn những nguyên nhân có thể tạo ra khác biệt ban đầu vẫn là điều ông muốn tìm hiểu.

Vì sao phân tử có thể có dạng trái và dạng phải

Một số phân tử có cùng các nguyên tử liên kết theo cùng thứ tự, nhưng tồn tại dưới hai cách sắp xếp là ảnh gương của nhau. Giống như bàn tay trái và bàn tay phải, chúng không thể chồng khít lên nhau sao cho mọi phần đều trùng khớp. Các nhà hóa học gọi tính chất này là tính thuận nghịch hình học (chirality), còn hai dạng phân tử là các đồng phân đối quang.

Sinh vật phân biệt được các dạng này vì bộ máy phân tử của chúng có hình dạng đặc thù. Một phân tử vừa khít với một cấu trúc sinh học có thể tương tác khác đi khi cách sắp xếp của nó bị đảo ngược. Khác biệt này có thể ảnh hưởng đến hoạt tính của thuốc hoặc thậm chí mùi của một chất: hai dạng của carvone có mùi bạc hà lục và caraway.

Protein trong tế bào sống hầu như chỉ sử dụng một dạng cấu hình của axit amin, trong khi các loại đường trong DNA và RNA cũng có cấu hình nhất quán. Glycine, axit amin đơn giản nhất, là trường hợp ngoại lệ vì không có cặp dạng ảnh gương khác biệt. Việc phổ biến sử dụng một dạng được gọi là tính đồng thuận hình học (homochirality), nghĩa là cùng một cấu hình.

Các phản ứng trong phòng thí nghiệm thường tạo ra lượng bằng nhau của cả hai dạng, trừ khi có yếu tố định hướng phản ứng. Câu hỏi hóc búa của giới khoa học là làm thế nào một hệ hóa học ban đầu cân bằng lại có thể phát triển thành ưu thế rõ rệt. Kagan chỉ ra cách chất xúc tác có thể khuếch đại một ưu thế; Soai phát triển các phản ứng trong đó ưu thế ấy có thể lớn dần khi phản ứng tạo thêm chất xúc tác.

Kagan phát hiện hỗn hợp chất xúc tác có thể cho kết quả tốt hơn dự đoán

Bước đột phá quyết định của Kagan đến vào năm 1986. Chất xúc tác giúp phản ứng hóa học diễn ra mà không bị tiêu hao trong phản ứng. Trong xúc tác bất đối xứng, hình dạng phân tử của chất xúc tác giúp hướng phản ứng tạo ra một trong hai ảnh gương.

Các nhà hóa học từng cho rằng thành phần các dạng của chất xúc tác và thành phần các dạng trong sản phẩm có quan hệ tuyến tính đơn giản. Kagan cho thấy mối quan hệ này có thể lệch khỏi dự đoán, tạo ra ưu thế mạnh hơn mức thành phần của chất xúc tác gợi ý. Sự sai lệch đó được gọi là hiệu ứng phi tuyến.

Một cách lý giải liên quan đến các chất xúc tác có cấu trúc hoạt động gồm từng cặp phân tử hỗ trợ. Hỗn hợp có thể tạo thành các cặp đồng dạng cùng cấu hình và các cặp không đồng dạng gồm mỗi cấu hình một phân tử. Trong một số phản ứng, các cặp không đồng dạng hoạt động kém hơn nhiều, khiến phần lớn tác động đến từ các cặp đồng dạng.

Hãy xét một hỗn hợp có 75 phân tử hỗ trợ thuộc một dạng và 25 phân tử thuộc dạng còn lại. Nếu chúng ghép cặp ngẫu nhiên, tỷ lệ các cặp đồng dạng lần lượt là 75 bình phương so với 25 bình phương, tức chín trên một. Khi các cặp không đồng dạng đóng góp rất ít, các cặp đồng dạng hoạt động vì thế có tác dụng tương đương một hỗn hợp 90:10. Ưu thế ban đầu khiêm tốn trở thành ảnh hưởng hóa học mạnh hơn.

Phát hiện của Kagan mang lại cho giới nghiên cứu cả một công cụ thực tiễn lẫn phương pháp khảo sát chất xúc tác. Hình dạng mối quan hệ giữa thành phần chất xúc tác và thành phần sản phẩm có thể hé lộ manh mối về cách các phân tử tập hợp và hoạt động bên trong bình phản ứng.

Soai khiến phản ứng tự tạo ra chính nó

Bước tiếp theo của Soai là phản ứng tự xúc tác bất đối xứng. Tự xúc tác nghĩa là sản phẩm của phản ứng giúp xúc tác tạo thêm chính sản phẩm đó. Nếu quá trình này đồng thời ưu tiên cấu hình của sản phẩm, lợi thế ban đầu dù nhỏ cũng có thể tạo vòng phản hồi, thúc đẩy sản xuất thêm.

Tài liệu nền tảng khoa học của Viện Hàn lâm lần theo một kết quả ban đầu đến năm 1990. Soai sử dụng diisopropylzinc và pyridine-3-carbaldehyde, cùng chất xúc tác được điều chế từ chính loại rượu do phản ứng tạo ra.

Thí nghiệm chứng minh cả hiện tượng tự xúc tác lẫn sự ưu tiên một ảnh gương. Tuy nhiên, nó có một hạn chế: mức ưu tiên giảm xuống. Chất xúc tác có độ dư đối quang 86%, trong khi sản phẩm chỉ đạt 35%.

Độ dư đối quang, thường viết tắt là ee, đo chênh lệch giữa tỷ lệ phần trăm của hai dạng. Hỗn hợp gồm 75% dạng này và 25% dạng kia có ee 50%. Hỗn hợp cân bằng có ee bằng không, còn sản phẩm chỉ chứa một dạng có ee 100%.

Vì vậy, kết quả năm 1990 của Soai cho thấy phản ứng có thể tái tạo chất xúc tác của chính nó, nhưng lại làm loãng ưu thế ban đầu. Năm năm sau, nhóm của ông tìm ra phản ứng sử dụng pyrimidine-5-carbaldehyde, trong đó sản phẩm có độ dư lớn hơn chất xúc tác. Vòng phản hồi lúc này củng cố ưu thế thay vì làm suy yếu nó.

Ý nghĩa thực sự của những con số về độ tinh khiết đáng kinh ngạc

Các thí nghiệm năm 1995 của Soai bắt đầu với chất xúc tác được điều chế từ vật liệu có ee 5%. Sản phẩm đầu tiên đạt ee 55%. Dùng vật liệu thu được cho một phản ứng khác nâng con số lên 87%, và qua năm lần chạy liên tiếp, mức này đạt 90% ee.

Mức tăng từ ee 5% lên 90% tương ứng với thay đổi từ hỗn hợp 52,5% so với 47,5% sang hỗn hợp 95% so với 5%. Hỗn hợp ban đầu gần như cân bằng; hỗn hợp cuối chứa 19 phân tử thuộc dạng được ưu tiên trên mỗi phân tử thuộc ảnh gương của nó.

Một ví dụ sau đó bắt đầu với phối tử, một phân tử dùng để điều chế chất xúc tác, chỉ có ee 0,00005%. Sau ba lần chạy liên tiếp, sản phẩm đạt ee trên 99,5%. Điều đó tương ứng với hơn 99,75% thuộc dạng được ưu tiên và dưới 0,25% thuộc dạng còn lại.

Viện Hàn lâm mô tả kết quả này là mức khuếch đại tỷ lệ các đồng phân lập thể lên 630.000 lần. Con số đó nói về tỷ lệ tương đối giữa các dạng phân tử, chứ không phải lượng vật liệu được tạo ra.

Thông báo Nobel xác định năm 2003 là cột mốc Soai trình bày phản ứng chỉ tạo thành một trong hai ảnh gương có thể có. Nhìn chung, các thí nghiệm cho thấy vòng phản hồi hóa học lặp đi lặp lại có thể đưa một mất cân bằng gần như không thể nhận ra đến trạng thái đồng thuận hình học.

Ngẫu nhiên có thể khiến một trong hai dạng phân tử chiếm ưu thế

Soai cũng nghiên cứu các phản ứng bắt đầu mà không thêm nguồn tạo cấu hình bất đối xứng. Trong những thí nghiệm như vậy, một dao động thống kê rất nhỏ có thể tạo lợi thế cho một dạng, rồi phản ứng khuếch đại lợi thế đó.

Trong 37 thí nghiệm được mô tả trong tài liệu nền tảng khoa học của Viện Hàn lâm, có 18 thí nghiệm ưu tiên dạng ký hiệu R và 19 thí nghiệm ưu tiên dạng S. Sản phẩm có ee từ 15% đến 91%. Kết quả gần như chia đều cho thấy dạng nào cũng có thể giành ưu thế.

Các chữ R và S dùng để xác định cấu hình phân tử. Chúng cho phép các nhà hóa học gọi tên chính xác hai cách sắp xếp mà không cần dựa vào hình vẽ bàn tay trái hay phải. Trong các thí nghiệm này, từng phản ứng riêng lẻ hình thành ưu thế, dù xét toàn bộ loạt thí nghiệm thì không cấu hình nào chiếm ưu thế.

Viện Hàn lâm cũng ghi nhận Daniel Singleton đã độc lập chứng minh hiện tượng phá vỡ đối xứng bằng phản ứng Soai. Phá vỡ đối xứng là sự xuất hiện của một kết quả không cân bằng từ một hệ ban đầu cân bằng.

Heiner Linke, chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, đã mô tả thành tựu này khi công bố giải thưởng:

Henri Kagan và Kenso Soai đã giải đáp một bí ẩn hóa học tồn tại hơn một thế kỷ: làm thế nào tính đồng thuận hình học có thể tự phát xuất hiện. Những phản ứng hóa học mà họ phát triển thật đáng kinh ngạc.

Viện Hàn lâm xác định rõ phạm vi liên quan của phản ứng đối với nguồn gốc sự sống: phản ứng chứng minh một con đường hóa học dẫn đến tính đồng thuận hình học trong phòng thí nghiệm, trong khi nguồn gốc cấu hình sinh học trong nước vẫn là câu hỏi chưa có lời giải. Tài liệu nền tảng khoa học cho biết phản ứng Soai không liên quan đến sự xuất hiện của tính đồng thuận hình học sinh học trong các hệ nước.

Vì sao các nhà sản xuất thuốc quan tâm đến khác biệt này

Quá trình phát triển thuốc khiến cấu hình phân tử có ý nghĩa thực tiễn trực tiếp. Hai dạng của một hợp chất có thể tương tác khác nhau với cơ thể, vì vậy nhà sản xuất có thể cần một quy trình luôn tạo ra dạng mong muốn.

Kovuru Gopalaiah, giáo sư Đại học Delhi từng làm việc trong phòng thí nghiệm của Kagan, giải thích rằng sự khuếch đại có thể giảm nhu cầu sử dụng chất xúc tác cực kỳ tinh khiết. Trong những quy trình phù hợp, dùng vật liệu có độ tinh khiết khoảng 70% thay vì 99% có thể giảm chi phí tinh chế. Một ví dụ được dẫn là Merck đã tạo hợp chất L-699,392 đạt độ tinh khiết 95% từ vật liệu ban đầu có độ tinh khiết 70%.

Ấn Độ có lợi ích đáng kể trong việc cải tiến sản xuất như vậy. Một tài liệu quảng bá của đại sứ quán Ấn Độ được dẫn trong phần thảo luận về giải thưởng cho biết nước này chiếm khoảng 20% nguồn cung thuốc generic toàn cầu tính theo khối lượng. Mức tiết kiệm đạt được sẽ tùy thuộc vào phản ứng và quy trình sản xuất cụ thể; các phát hiện đoạt Nobel cung cấp những nguyên lý mà các nhà hóa học có thể thử nghiệm khi thiết kế các quy trình đó.

Thalidomide cho thấy an toàn thuốc đòi hỏi nhiều hơn việc lựa chọn một dạng phân tử. Thuốc này gây dị tật bẩm sinh nghiêm trọng và bị rút khỏi thị trường năm 1961. G Sekar, trưởng khoa hóa học tại IIT Madras, giải thích rằng các dạng của thuốc có thể chuyển hóa lẫn nhau bên trong cơ thể. Do đó, tác động của thuốc phụ thuộc cả vào những gì xảy ra sau khi dùng thuốc lẫn vật liệu được sản xuất ra.

Quyết định có sử dụng một dạng phân tử duy nhất hay không phụ thuộc vào mức độ an toàn, hiệu quả và yêu cầu quản lý. Các phát hiện của Kagan và Soai giúp nhà hóa học kiểm soát sản phẩm, qua đó cung cấp điểm khởi đầu chính xác hơn cho những đánh giá của giới nghiên cứu thuốc.

Những cột mốc dẫn đến giải thưởng

Giải Nobel ghi nhận những phát hiện được phát triển trong nhiều thập kỷ. Kagan xác lập rằng mất cân bằng phân tử của chất xúc tác có thể được khuếch đại; Soai tạo ra các phản ứng trong đó sản phẩm có thể củng cố mất cân bằng ấy qua quá trình tạo sản phẩm lặp đi lặp lại.

• 1986: Kagan chứng minh các hiệu ứng phi tuyến trong xúc tác bất đối xứng.
• 1990: Soai công bố phản ứng tự xúc tác bất đối xứng, dù ee của sản phẩm thấp hơn ee của chất xúc tác.
• 1995: Soai và các đồng nghiệp chứng minh hiện tượng tự xúc tác làm tăng ee, đạt 90% qua năm lần chạy liên tiếp.
• 2003: Thông báo Nobel xác định đây là năm Soai trình bày phản ứng chỉ tạo ra một ảnh gương.
• Ngày 7 tháng 10 năm 2026: Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển thông báo trao chung giải hóa học.
• Ngày 20 tháng 10 năm 2026: Soai thảo luận về phản ứng và hướng nghiên cứu tương lai tại buổi nói chuyện ở Tokyo.
• Ngày 10 tháng 12 năm 2026: Lễ trao giải Nobel dự kiến diễn ra tại Stockholm.

Soai dự định tham dự lễ trao giải ở Stockholm và trình bày bài giảng về nghiên cứu của mình cùng những đóng góp của Louis Pasteur, nhà hóa học và vi sinh vật học người Pháp có công trình giúp xác lập tính bất đối xứng phân tử vào thế kỷ 19.

Soai tiếp tục tập trung vào các thí nghiệm cơ bản

Soai biết tin mình đoạt giải khi đang đi mua sắm gần nhà. Sau đó, ông ghi nhận công lao của các đồng nghiệp và sinh viên đã góp sức duy trì công trình thực nghiệm làm nền tảng cho phản ứng mang tên ông ngày nay.

Tại buổi họp báo sau buổi nói chuyện ở Tokyo, Soai giải thích sự tò mò đã thôi thúc nghiên cứu của mình:

Tôi quan tâm đến những vấn đề cơ bản, hay đúng hơn là những vấn đề nền tảng.

Nghiên cứu dự định của ông quay lại điểm khởi đầu của quá trình: điều gì có thể tạo ra ưu thế nhỏ theo hướng trái hoặc phải mà hiện tượng tự xúc tác khuếch đại. Giải thưởng ghi nhận các phản ứng đã được phát triển, còn phát biểu tại Tokyo cho thấy sự mất cân bằng ban đầu vẫn mở ra những thí nghiệm ông muốn theo đuổi.

Điểm chính

• Kenso Soai và Henri B. Kagan cùng nhận giải Nobel Hóa học năm 2026, chia đều 12 triệu kronor Thụy Điển.
• Kagan cho thấy chất xúc tác có thể tạo ra ưu thế phân tử mạnh hơn mức thành phần của chúng gợi ý.
• Soai phát triển các phản ứng trong đó sản phẩm giúp tạo thêm chính nó, đồng thời làm tăng ưu thế đó.
• Một thí nghiệm nâng ee từ 0,00005% lên trên 99,5% qua ba lần chạy liên tiếp.
• Tại buổi nói chuyện ở Tokyo ngày 20 tháng 10, Soai cho biết ông muốn nghiên cứu các nguyên nhân có thể gây mất cân bằng phân tử.
• Những phát hiện này hỗ trợ hóa học dược phẩm và nghiên cứu tính đồng thuận hình học trong phòng thí nghiệm.
• Soai dự định tham dự lễ trao giải Nobel ngày 10 tháng 12 tại Stockholm.