켄소 소아이, 노벨 화학상 연구 성과 설명…분자 불균형의 원인 규명 나선다

미세한 불균형에서 노벨상까지

분자의 거울상 이성질체가 거의 같은 비율로 섞인 혼합물에서 한 형태가 우세한 생성물을 만드는 실험을 한 일본 화학자 켄소 소아이는 2026년 10월 20일 도쿄 강연에서 이러한 불균형을 처음 유발하는 요인을 조사하고 싶다고 밝혔다. 일본화학회가 주최한 강연에는 온라인 참가자를 포함해 약 2,000명이 참석했다.

이번 강연은 스웨덴 왕립과학원이 10월 7일 소아이와 프랑스 화학자 앙리 B. 카간을 2026년 노벨 화학상 공동 수상자로 선정했다고 발표한 데 이어 열렸다. 두 사람의 발견은 화학 반응이 한 분자 형태에 대한 작은 선호를 어떻게 증폭하는지 설명한다. 이는 생명체의 특징을 이해하고 의약품 연구에 쓰이는 반응을 설계하는 데 도움을 준다.

왕립과학원의 화학상 발표문은 두 사람이 비대칭 유기 합성에서 비선형 효과와 자기촉매 현상을 발견했다고 밝혔다. 쉽게 말해, 두 사람은 화학 반응에서 한쪽 분자 거울상이 다른 쪽보다 더 많이 생성되게 하는 방법을 찾았으며, 때로는 생성물이 자기 자신을 더 많이 만드는 데 기여하기도 했다.

76세인 소아이는 도쿄이과대 명예교수다. 카간은 프랑스 파리남대 명예교수다. 두 사람은 상금 1,200만 스웨덴 크로나를 똑같이 나눠 각각 600만 크로나를 받는다.

도쿄 강연에서 소아이는 질의응답 시간에 앞으로 관심을 두고 있는 연구를 설명했다.

좌우 불균형을 일으킬 수 있는 다양한 원인을 연구하고 싶습니다.

소아이의 발언은 이번 이야기를 10월 7일 노벨상 발표 이후로 이어간다. 실험은 미세한 차이가 커지는 과정을 설명하지만, 그 최초의 차이가 생기는 원인은 여전히 그가 탐구하고 싶은 주제다.

분자는 왜 좌우 형태를 가질까

일부 분자는 같은 원자가 같은 순서로 연결돼 있지만, 서로 거울상인 두 가지 배열을 가진다. 왼손과 오른손처럼 두 형태는 모든 부분이 포개지도록 겹칠 수 없다. 화학자들은 이 성질을 카이랄성이라 하고, 두 분자 형태를 거울상 이성질체라고 부른다.

생명체는 자체 분자 기구의 특정한 형태 때문에 두 분자 형태를 구별한다. 생체 구조 하나에 들어맞는 분자는 배열이 뒤집히면 다르게 작용할 수 있다. 이 차이는 약효에 영향을 주거나 물질의 냄새를 바꾸기도 한다. 캐러본의 두 형태는 각각 스피어민트와 캐러웨이 향이 난다.

살아 있는 세포의 단백질은 거의 예외 없이 한쪽 손잡이성의 아미노산을 사용하며, DNA와 RNA의 당도 일관된 손잡이성을 가진다. 가장 단순한 아미노산인 글리신은 서로 다른 거울상 형태의 쌍이 없다는 점에서 예외다. 한 형태가 널리 쓰이는 현상을 같은 손잡이성을 뜻하는 호모카이랄성이라고 한다.

실험실 반응은 방향을 유도하는 요인이 없으면 두 형태를 같은 양으로 생성하는 경우가 많다. 과학자들이 풀어야 할 문제는 처음에는 균형 잡힌 화학계에서 어떻게 강한 선호가 생길 수 있느냐는 것이었다. 카간은 촉매가 선호를 증폭할 수 있음을 보였고, 소아이는 반응에서 촉매가 더 생성되면서 그 선호도 커지는 반응을 개발했다.

카간, 혼합 촉매가 예상보다 큰 효과를 낼 수 있음을 발견

카간의 결정적인 진전은 1986년에 나왔다. 촉매는 반응에서 소모되지 않으면서 화학 반응이 진행되도록 돕는다. 비대칭 촉매 반응에서는 촉매의 분자 형태가 한쪽 거울상 생성물을 더 많이 만들도록 유도한다.

화학자들은 촉매의 두 형태 비율과 생성물의 두 형태 비율 사이에 단순한 관계가 있을 것으로 예상했다. 카간은 그 관계가 예상에서 벗어나 휘어질 수 있으며, 촉매 조성만으로 예상되는 것보다 한쪽 형태를 더 강하게 선호하는 생성물이 나올 수 있음을 보였다. 이를 비선형 효과라고 한다.

한 가지 설명은 활성 구조에 분자 조력자 두 개가 짝을 이루는 촉매와 관련이 있다. 혼합물에서는 같은 손잡이성끼리 짝을 이룬 경우와 서로 다른 손잡이성 하나씩으로 이뤄진 짝이 생길 수 있다. 일부 반응에서는 서로 다른 형태끼리 짝을 이룬 경우 활성이 훨씬 낮아, 같은 형태끼리 짝을 이룬 쪽이 대부분의 반응을 담당한다.

한 형태의 조력자가 75개, 다른 형태가 25개 있는 혼합물을 생각해 보자. 무작위로 짝을 이루면 같은 형태끼리 짝을 이룬 비율은 75의 제곱 대 25의 제곱, 즉 9대 1이 된다. 서로 다른 형태끼리 이룬 짝이 거의 기여하지 않는다면 활성 상태의 같은 형태끼리 짝은 90대 10 혼합물처럼 작용한다. 처음의 작은 선호가 더 강한 화학적 영향으로 바뀌는 것이다.

카간의 발견은 연구자들에게 실용적인 도구인 동시에 촉매를 조사하는 방법을 제공했다. 촉매 조성과 생성물 조성 사이 관계의 형태를 살펴보면 반응 용기 안에서 분자들이 어떻게 결합하고 작용하는지 단서를 얻을 수 있다.

소아이, 반응이 스스로를 생성하도록 만들다

소아이가 다음으로 이룬 성과는 비대칭 자기촉매 반응이었다. 자기촉매란 반응 생성물이 같은 생성물을 더 많이 만드는 반응을 촉매하는 현상을 말한다. 이 과정이 생성물 자체의 손잡이성을 선호하면, 처음의 작은 우위가 되먹임을 통해 더 많은 생성물로 이어질 수 있다.

왕립과학원의 과학적 배경 문서는 초기 성과를 1990년으로 거슬러 올라간다. 소아이는 디이소프로필아연과 피리딘-3-카르복스알데하이드를 사용했으며, 반응 자체가 생성한 알코올로 촉매를 만들었다.

이 실험은 자기촉매 현상과 한쪽 거울상에 대한 선호를 모두 입증했다. 다만 선호도는 오히려 작아졌다. 촉매의 거울상 이성질체 과잉률은 86%였지만 생성물의 과잉률은 35%였다.

흔히 ee로 줄여 쓰는 거울상 이성질체 과잉률은 두 형태의 비율 차이를 측정한다. 한 형태가 75%, 다른 형태가 25%인 혼합물은 ee가 50%다. 두 형태가 같은 양이면 ee는 0%이며, 한 형태만 있는 생성물은 ee가 100%다.

따라서 소아이의 1990년 성과는 반응이 자체 촉매를 재생산할 수 있음을 보여줬지만, 처음의 선호도는 희석됐다. 5년 뒤 연구팀은 피리미딘-5-카르복스알데하이드를 사용하는 반응을 찾아냈다. 이 반응에서는 생성물의 과잉률이 촉매보다 높았다. 되먹임이 선호도를 약화하는 대신 강화하기 시작한 것이다.

눈에 띄는 순도 수치가 실제로 뜻하는 것

소아이의 1995년 실험은 ee가 5%인 물질로 만든 촉매에서 시작했다. 첫 생성물은 ee 55%에 도달했다. 그 생성물을 사용해 다음 반응을 진행하자 수치는 87%로 올랐고, 연속으로 다섯 차례 반응을 거친 뒤에는 ee가 90%에 이르렀다.

ee가 5%에서 90%로 상승했다는 것은 혼합물의 비율이 52.5% 대 47.5%에서 95% 대 5%로 바뀌었다는 뜻이다. 처음 혼합물은 균형에 가까웠지만, 최종 혼합물에는 선호되는 형태가 거울상 형태 하나당 19개 들어 있었다.

이후 사례에서는 촉매를 만드는 데 쓰인 분자인 리간드의 ee가 불과 0.00005%인 상태에서 출발했다. 연속으로 세 차례 반응한 뒤 생성물의 ee는 99.5%를 넘어섰다. 이는 선호되는 형태가 99.75%를 넘고 다른 형태는 0.25% 미만이라는 뜻이다.

왕립과학원은 이 결과를 입체이성질체 비율이 630,000배 증폭된 사례로 설명한다. 이 수치는 생성된 물질의 양이 아니라 분자 형태 간 상대적 비율을 가리킨다.

노벨상 발표문은 소아이가 가능한 두 거울상 가운데 하나만 생성하는 반응을 발표한 시점을 2003년으로 제시한다. 이들 실험은 반복적인 화학적 되먹임이 거의 감지할 수 없는 불균형을 어떻게 호모카이랄성으로 이끌 수 있는지 보여줬다.

우연은 어느 분자 형태든 유리하게 만들 수 있다

소아이는 손잡이성의 원천을 따로 첨가하지 않고 시작하는 반응도 연구했다. 이런 실험에서는 미세한 통계적 요인으로 한 형태가 우위를 얻고, 반응이 이를 증폭할 수 있다.

왕립과학원의 과학적 배경 문서에 소개된 37회 실험에서는 18회가 R로 표기되는 형태에 유리했고 19회는 S에 유리했다. 생성물의 ee는 15%에서 91%까지 다양했다. 결과가 거의 반반으로 나뉜 것은 어느 형태든 우위를 차지할 수 있음을 보여준다.

R과 S라는 문자는 분자 구조를 나타낸다. 왼손이나 오른손 그림에 의존하지 않고 두 배열을 정확하게 지칭할 수 있다. 이 실험에서는 전체 실험을 놓고 볼 때 어느 구조도 우세하지 않았지만, 각 반응에서는 한 형태에 대한 선호가 나타났다.

왕립과학원은 다니엘 싱글턴이 소아이 반응을 사용해 대칭 깨짐 현상을 독립적으로 입증한 공로도 인정한다. 대칭 깨짐은 처음에는 균형을 이룬 계에서 불균형한 결과가 나타나는 현상이다.

노벨 화학상 위원장인 하이너 링크는 수상 발표 당시 이 성과를 다음과 같이 설명했다.

앙리 카간과 켄소 소아이는 한 세기가 넘도록 이어진 화학의 수수께끼, 즉 호모카이랄성이 어떻게 자발적으로 나타날 수 있는지에 대한 해답을 제시했습니다. 이들이 개발한 화학 반응은 놀라운 성과입니다.

왕립과학원은 생명의 기원과 관련한 이 반응의 의미에 분명한 한계를 둔다. 실험실에서 호모카이랄성에 이르는 화학적 경로를 보여주지만, 물속에서 생물학적 손잡이성이 어떻게 생겨났는지는 여전히 미해결 문제다. 과학적 배경 문서는 소아이 반응이 수용액에서 생물학적 호모카이랄성이 나타난 현상과는 관련이 없다고 밝힌다.

의약품 개발자들이 이 차이에 주목하는 이유

의약품 개발에서 분자의 손잡이성은 곧바로 실용적인 의미를 갖는다. 화합물의 두 형태는 인체와 다르게 상호작용할 수 있으므로, 제조업체는 원하는 형태를 안정적으로 생산하는 공정이 필요할 수 있다.

카간의 연구실에서 일했던 델리대학교 교수 코부루 고팔라이아는 증폭을 통해 촉매를 극도로 높은 순도로 만들 필요를 줄일 수 있다고 설명한다. 적절한 공정에서는 99% 순도 대신 약 70% 순도의 물질을 사용해 정제 비용을 줄일 수 있다. 인용된 머크 사례에서는 순도 70%의 출발 물질로 순도 95%의 화합물 L-699,392를 만들었다.

인도는 이러한 제조 개선에 상당한 관심을 두고 있다. 수상 논의 과정에서 인용된 인도 대사관 자료는 전 세계 제네릭 의약품 공급량 가운데 인도가 차지하는 비중을 물량 기준 약 20%로 제시한다. 비용 절감 여부는 개별 반응과 제조 공정에 따라 달라지며, 노벨상 수상 연구는 화학자들이 공정을 설계할 때 검증해 볼 원리를 제공한다.

탈리도마이드 사례는 의약품의 안전성을 위해 분자 형태를 고르는 것 이상의 고려가 필요하다는 점을 보여준다. 이 약은 심각한 선천성 기형을 일으켜 1961년 시장에서 퇴출됐다. IIT 마드라스 화학과장 G. 세카르는 탈리도마이드의 두 형태가 체내에서 서로 바뀔 수 있다고 설명한다. 따라서 약물의 작용은 제조 당시의 물질뿐 아니라 투여 후 체내에서 일어나는 일에도 좌우된다.

분자 형태 하나만 사용할지 여부는 안전성과 효과, 규제 요건에 따라 결정된다. 카간과 소아이의 발견은 화학자들이 원하는 물질을 더 잘 제어하도록 도와 의약품 연구자들이 이러한 평가를 위한 더 정확한 출발점을 마련하게 한다.

수상으로 이어진 주요 성과

이번 노벨상은 수십 년에 걸쳐 이뤄진 발견을 함께 조명한다. 카간은 촉매의 분자적 불균형이 증폭될 수 있음을 입증했고, 소아이는 생성물이 반복적으로 더 많이 만들어지면서 그 불균형을 강화하는 반응을 개발했다.

• 1986년: 카간이 비대칭 촉매 반응의 비선형 효과를 입증했다.
• 1990년: 소아이가 비대칭 자기촉매 반응을 발표했지만, 생성물의 ee는 촉매보다 낮았다.
• 1995년: 소아이와 동료들이 ee를 높이는 자기촉매 반응을 입증했고, 연속 다섯 차례 반응으로 ee 90%에 도달했다.
• 2003년: 노벨상 발표문은 소아이가 거울상 형태 하나만 생성하는 반응을 발표한 시점을 이 해로 제시한다.
• 2026년 10월 7일: 스웨덴 왕립과학원이 공동 화학상 수상자를 발표했다.
• 2026년 10월 20일: 소아이가 도쿄 강연에서 반응과 향후 연구를 논의했다.
• 2026년 12월 10일: 스톡홀름에서 노벨상 시상식이 열릴 예정이다.

소아이는 스톡홀름 시상식에 참석해 19세기 분자 비대칭성의 확립에 기여한 프랑스 화학자이자 미생물학자인 루이 파스퇴르의 업적과 자신의 연구를 함께 다루는 강연을 할 예정이다.

소아이, 기초 실험에 계속 주력

소아이는 집 근처에서 쇼핑하던 중 수상 소식을 들었다. 이후 자신의 이름을 딴 반응을 뒷받침한 실험 연구를 이어가는 데 도움을 준 동료와 학생들에게 공을 돌렸다.

도쿄 강연 뒤 열린 기자회견에서 소아이는 연구를 이끈 호기심을 설명했다.

저는 기초적인, 좀 더 근본적인 문제에 관심이 있었습니다.

소아이가 앞으로 연구하려는 주제는 과정의 시작으로 돌아간다. 자기촉매 반응이 증폭하는 미세한 좌우 선호를 무엇이 만들어낼 수 있을까 하는 문제다. 이번 상은 이미 개발된 반응을 인정하며, 도쿄에서 한 발언은 최초의 불균형이 여전히 그가 탐구하고 싶은 실험 주제임을 보여준다.

주요 내용

• 켄소 소아이와 앙리 B. 카간이 2026년 노벨 화학상과 상금 1,200만 스웨덴 크로나를 공동 수상하고 똑같이 나눠 갖는다.
• 카간은 촉매 조성으로 예상되는 수준보다 분자의 한 형태를 더 강하게 생성하는 방법을 보여줬다.
• 소아이는 생성물이 자기 자신을 더 많이 만드는 동시에 그 선호도를 높이는 반응을 개발했다.
• 한 실험에서는 연속 세 차례 반응을 거쳐 ee가 0.00005%에서 99.5% 초과로 상승했다.
• 소아이는 10월 20일 도쿄 강연에서 분자 불균형의 가능한 원인을 연구하고 싶다고 밝혔다.
• 이번 발견은 의약품 화학과 호모카이랄성에 관한 실험실 연구에 기여한다.
• 소아이는 12월 10일 스톡홀름에서 열리는 노벨상 시상식에 참석할 예정이다.