켄소 소아이와 앙리 카간, 2026년 노벨 화학상 수상

화학 반응은 어떻게 한쪽 거울상만 더 많이 만들게 됐나

일본의 화학자 켄소 소아이와 프랑스의 화학자 앙리 B. 카간이 분자의 두 거울상 형태 중 하나를 더 많이 만들어내는 화학 반응에 관한 발견으로 2026년 노벨 화학상을 받았다. 이들의 연구는 생명 화학을 둘러싼 오랜 수수께끼, 즉 생명에 필수적인 여러 분자가 가능한 두 형태 중 한쪽으로 압도적으로 치우쳐 존재하는 이유를 다룬다.

스웨덴 왕립과학원은 수요일 스톡홀름에서 수상자를 발표했다. 수상 사유는 두 사람이 “비대칭 유기 합성에서 비선형 효과와 자기촉매 작용을 발견한 것”이다. 상금 1,200만 스웨덴 크로나는 두 수상자가 똑같이 나눠 받으며, 시상식은 알프레드 노벨의 기일인 12월 10일 스톡홀름에서 열릴 예정이다.

도쿄이과대 명예교수인 소아이는 집 근처에서 장을 보던 중 수상 소식을 들었다. 노벨위원회와 전화 통화에서 그는 이날이 인생에서 가장 벅찬 날 중 하나라며, 파리 남대 명예교수인 카간과 영예를 나누게 돼 기쁘다고 말했다. 이후 열린 대학 기자회견에서 소아이는 연구에 큰 도움을 준 학생과 동료들에게 감사를 전했다.

이번 수상은 의약품과 소재, 향료 및 기타 화합물을 만드는 화학자들에게 실용적 가치가 있는 기초 연구를 인정한 것이다. 또한 생명 특유의 분자 손잡이성이 어떻게 생겨났는지 조사할 길을 제시하는 실험실 반응에도 주목했다. 다만 연구자들은 이 반응 자체가 초기 지구의 화학 작용을 직접 재현하는 모델로 여겨지지는 않는다고 강조한다.

분자 손잡이성이란 무엇인가?

일부 분자는 원자들이 같은 순서로 결합돼 있지만 거울상으로 배열된 두 가지 형태로 존재한다. 왼손과 오른손처럼 두 형태는 서로 겹쳐 모든 부분을 일치시킬 수 없다. 화학자들은 이 성질을 카이랄성이라고 하며, 두 형태를 거울상 이성질체라고 부른다.

이 차이는 생체 내에서 큰 영향을 미칠 수 있다. 단백질은 거의 전부 L형 아미노산으로 만들어지고, DNA와 RNA의 당은 반대인 D형 배열을 갖는다. 단백질을 비롯한 생물학적 구조 자체가 카이랄성을 띠므로, 분자의 두 형태는 체내에서 서로 다르게 작용할 수 있다. 약물의 한 형태는 원하는 효과를 내지만, 거울상 형태는 효과가 약하거나 다를 수 있고 원치 않는 부작용을 일으킬 수도 있다.

따라서 카이랄성은 분자 기하학의 추상적 특징에 그치지 않고 신약 개발에서 실질적으로 중요한 문제다. 생명의 기원을 둘러싼 흥미로운 질문도 제기한다. 카이랄 분자를 만드는 일반적인 반응은 대체로 각 거울상 형태를 비슷한 양으로 만들어낸다. 그렇다면 생명은 어떻게 여러 생체 구성 요소 가운데 한 형태에 그토록 크게 의존하게 됐을까?

이 수수께끼의 역사는 길다. 19세기 루이 파스퇴르는 타르타르산 결정의 두 형태를 분리하고, 각 용액이 편광을 서로 반대 방향으로 회전시킨다는 사실을 발견했다. 그의 실험은 일부 분자가 거울상 형태를 갖는다는 사실을 확립하는 데 기여했다. 이후 연구에서는 박테리아가 타르타르산의 한 형태는 소비하면서 거울상 형태는 그대로 남겨둘 수 있다는 사실이 밝혀져, 생명 화학의 독특한 선택성이 드러났다.

카간은 기존 관점을 어떻게 바꿨나?

1953년 물리학자 찰스 프랭크가 핵심 이론을 제시했다. 반응이 자체적으로 카이랄 촉매를 만들어내면 초기의 작은 불균형을 강화할 수 있다는 내용이었다. 촉매는 소모되지 않으면서 반응 속도를 높이는 물질이다. 반응이 특정 거울상 형태를 선호하는 촉매를 더 많이 만들어낸다면, 그 촉매가 다시 같은 형태를 더 많이 생성하는 데 도움을 줄 수 있다.

이 가설은 수십 년 동안 실험실에서 구현하기 어려웠다. 카간의 연구는 그 해답의 중요한 부분을 제시했다. 1986년 카간과 동료들은 촉매의 손잡이성과 생성물의 손잡성 사이의 관계가 항상 단순한 일대일 대응은 아니라는 사실을 보였다. 촉매 한 형태가 조금 더 많은 것만으로도 생성물 한 형태가 훨씬 더 많이 만들어질 수 있었다.

이를 비선형 효과라고 한다. 초기 불균형에 정비례해 결과가 커지지 않는 현상을 가리키는 말이다. 일부 반응에서는 촉매 분자들이 서로 다른 조합으로 짝을 이룰 수 있다. 손잡이성이 서로 반대인 분자 쌍이 같은 손잡이성을 가진 쌍보다 반응성이 낮다면, 반응은 촉매 혼합물만으로 예상되는 것보다 한 형태의 생성물을 더 강하게 선호할 수 있다.

카간의 발견은 합성 화학자들에게 중요했다. 촉매가 그만큼 순수하지 않아도 한쪽 형태로 크게 치우친 생성물을 만들 수 있음을 보여줬기 때문이다. 또한 화학계의 작은 편향이 어떻게 커질 수 있는지 생각할 틀을 제공했다. 그의 연구는 수학적 가능성을 화학자들이 실험으로 검증할 수 있는 질문으로 바꾸는 데 기여했다.

소아이 반응은 무엇을 돌파구로 제시했나?

소아이는 한 걸음 더 나아가 반응 생성물이 자기 자신을 더 많이 만드는 촉매로 작용할 가능성을 탐구했다. 이를 자기촉매 작용이라고 한다. 생성물이 카이랄성을 띠고 자기와 같은 거울상 형태를 우선적으로 만들어내면, 피드백을 통해 작은 불균형을 키울 수 있다.

소아이와 동료들은 1990년 초기 자기촉매 반응을 보고했다. 1995년에는 이와 관련된 반응을 발표했는데, 이후 소아이 반응으로 불리며 이정표가 됐다. 카이랄 생성물이 자기 생성 반응의 촉매로 작용해 한쪽 거울상 이성질체의 우세를 높일 수 있었다. 2003년 연구진은 매우 작은 초기 불균형을 증폭해 한쪽 거울상 이성질체가 99.75%인 물질을 만들어내는 반응을 발표했다.

이 결과는 어떤 형태가 우세해야 하는지 결정하는 외부 카이랄 분자에 의존하지 않고도, 실험실에서 반응이 한쪽 형태로 거의 완전히 치우칠 수 있음을 보여줬다. 노벨 화학위원회 위원장인 하이너 링크는 카간과 소아이가 “한 세기가 넘은 화학의 수수께끼, 즉 호모카이랄성이 어떻게 자발적으로 나타날 수 있는가에 대한 해법”을 제시했다고 말했다. 호모카이랄성이란 한 체계에서 가능한 두 분자 형태 중 주로 한 형태를 사용하는 현상을 뜻한다.

이 반응은 생명의 기원과 관련해 자주 논의되지만, 그 연관성을 설명할 때는 단서를 달아야 한다. 소아이 반응은 화학적 피드백이 작은 불균형을 증폭할 수 있음을 보여준다. 연구자들은 이 반응에 물과 양립할 수 없는 조건을 포함해 특정 시약과 조건이 필요하므로, 생명 출현 이전 지구에서 설계된 그대로 일어났을 가능성은 낮다고 지적해왔다. 이 반응의 중요성은 분자 비대칭이 생겨날 수 있는 다른 경로와 비교해볼 원리를 보여준다는 데 있다.

생명의 기원 연구를 넘어서는 의미

분자 손잡이성을 조절하는 일은 많은 의약품과 유용한 화학물질을 만드는 데 핵심적이다. 한 거울상 이성질체를 선택적으로 생성하는 반응은 이후 혼합물을 분리해야 할 필요를 줄이고, 제조업체가 특성을 더 예측하기 쉬운 화합물을 만들도록 도울 수 있다. 노벨상은 화학자들이 이러한 반응을 이해하고 설계하는 방식에 영향을 준 발견들을 인정했다.

의학의 역사는 그 중요성을 잘 보여준다. 1960년대 초 입덧 치료제로 처방된 탈리도마이드는 심각한 선천성 기형과 관련이 있었다. 이후 연구에서는 탈리도마이드의 거울상 형태에 따라 생물학적 효과가 다를 수 있다는 점이 주목받았다. 이 사례는 화학자들이 카이랄성을 연구하는 이유를 설명할 때 자주 언급되지만, 탈리도마이드의 생물학적 작용은 한 형태는 해롭고 다른 형태는 안전하다는 식으로 단순하게 나눌 수 있을 만큼 간단하지 않다.

익숙한 다른 분자에서도 거울상 형태의 특성이 다르게 나타난다. 예를 들어 카르본의 두 형태는 각각 박하와 캐러웨이 향과 관련이 있다. 같은 원리는 의약품과 살충제, 기타 화합물이 생물학적 표적과 상호작용하는 방식에도 영향을 줄 수 있다. 손잡이성을 포함한 분자 구조가 그 분자의 작용을 좌우한다.

카간과 소아이의 연구는 선택한 거울상 이성질체 쪽으로 반응을 유도하는 비대칭 합성의 더 큰 발전 흐름 속에 있다. 2001년 노벨 화학상은 비대칭 촉매 작용의 진전을 이룬 윌리엄 놀스, 노요리 료지, 배리 샤플리스에게 돌아갔다. 카간과 소아이는 관련되면서도 구별되는 질문, 즉 생성물이 자기 생성을 촉매하는 경우를 포함해 불균형이 어떻게 증폭될 수 있는지를 다뤘다.

일본과 연관된 기초과학상

소아이는 1950년 히로시마현에서 태어나 도쿄대에서 공부하고 이학 박사 학위를 받았다. 일본과 노스캐롤라이나대에서 연구직을 거친 뒤 도쿄이과대 교수가 됐다. 2012년 일본 자수포장을 받았으며 현재는 명예교수다.

수상 당일 기자회견에서 소아이는 연구란 의도한 결과가 나올지 모르는 상태에서 실험을 거듭하는 과정이라고 설명했다. 새로운 실험 사실을 발견하는 일이 기쁨과 경이로움을 안겨줬기 때문에 어려움에 얽매이지 않았다고 말했다. 그는 대학의 연구 환경과 함께 연구한 학생들에게도 공을 돌렸다.

이번 수상으로 일본 출신 개인이나 단체는 2024년과 2025년에 이어 3년 연속 노벨상을 받았다. 소아이는 단백질과 당, 여러 의약품을 포함하는 탄소 함유 화합물을 다루는 유기화학 분야에서 업적을 인정받은 일본 화학자들의 긴 계보에 이름을 올렸다.

과학계에 남은 질문

이번 수상으로 생명의 화학이 어떻게 한쪽 형태로 치우치게 됐는지가 밝혀진 것은 아니다. 화학적 불균형이 강화될 수 있음을 보여준 실험적·개념적 진전을 인정한 것이며, 생명이 나타나기 전 자연에서 어떤 과정이 작용했는지는 여전히 미해결로 남아 있다. 연구자들은 결정과 표면, 한 형태를 다른 형태보다 유리하게 만들 수 있는 물리적 조건의 영향 등 다른 메커니즘도 계속 조사하고 있다.

이러한 구분이야말로 연구의 가치 중 하나다. 소아이 반응은 비대칭 자기촉매 작용의 강력한 사례를 제시하고, 카간의 비선형 효과는 촉매 혼합물이 어떻게 예상보다 강한 선호를 만들어낼 수 있는지 설명하는 데 도움을 준다. 두 사람의 발견은 실용적인 합성과 생명의 기원에 관한 질문 모두에서 분자 손잡이성을 연구할 도구를 화학자들에게 제공한다.

소아이는 이번 수상으로 유기 합성에 대한 관심이 높아지고 연구가 이어지기를 바란다고 말했다. 노벨상은 한 세기 묵은 수수께끼에서 시작해 인상적인 실험실 증명으로 이어진 연구의 연속성을 기린다. 적절한 조건에서는 화학 반응이 한 거울상 형태를 선호하고 그 선택을 강화할 수 있다는 증명이다.

핵심 내용

• 켄소 소아이와 앙리 B. 카간이 2026년 노벨 화학상을 받았다.
• 이번 수상은 비대칭 유기 합성에서 비선형 효과와 자기촉매 작용을 발견한 공로를 인정했다.
• 카간은 1986년 촉매의 작은 불균형이 반응 생성물의 더 큰 불균형으로 이어질 수 있음을 보였다.
• 소아이 반응은 카이랄 생성물이 자기와 같은 형태를 더 많이 만들어내는 반응을 촉매할 수 있음을 입증했다.
• 이번 발견은 화학 합성에 활용되며 생명의 분자 손잡이성이 어떻게 시작됐는지 연구하는 모델을 제시하지만, 그 기원을 규명하지는 않는다.