Kenso Soai Memaparkan Terobosan Kimia Peraih Nobel dan Rencana Riset Baru tentang Ketidakseimbangan Molekul

Dari ketidakseimbangan kecil hingga Hadiah Nobel

Kimiawan Jepang Kenso Soai, yang eksperimennya mengubah campuran hampir seimbang dari molekul-molekul bayangan cermin menjadi produk yang didominasi satu bentuk, mengatakan kepada hadirin di Tokyo pada 20 Oktober 2026 bahwa ia ingin menyelidiki apa yang memicu ketidakseimbangan tersebut. Sekitar 2.000 orang, termasuk peserta daring, menghadiri kuliah yang diselenggarakan oleh Perhimpunan Kimia Jepang.

Penampilan itu berlangsung setelah Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia mengumumkan pada 7 Oktober bahwa Soai dan kimiawan Prancis Henri B. Kagan akan berbagi Hadiah Nobel Kimia 2026. Penemuan mereka menjelaskan bagaimana reaksi kimia dapat memperbesar preferensi kecil terhadap salah satu bentuk molekul, membantu para kimiawan memahami ciri khas makhluk hidup dan merancang reaksi yang digunakan dalam riset farmasi.

Pengumuman Hadiah Kimia dari Akademi menyebut keduanya menemukan efek nonlinier dan autokatalisis dalam sintesis organik asimetris. Sederhananya, mereka menemukan cara agar reaksi menghasilkan lebih banyak salah satu molekul bayangan cermin dibandingkan bentuk lainnya, terkadang dengan produk tersebut membantu menghasilkan lebih banyak dirinya sendiri.

Soai, 76 tahun, adalah profesor emeritus di Universitas Sains Tokyo. Kagan adalah profesor emeritus di Université Paris-Sud, Prancis. Mereka akan membagi rata hadiah sebesar 12 juta krona Swedia, masing-masing menerima 6 juta krona.

Dalam kuliah di Tokyo, Soai menjelaskan minat riset berikutnya saat sesi tanya jawab:

Saya berharap dapat mempelajari beragam kemungkinan penyebab ketidakseimbangan kiri-kanan.

Pernyataannya membawa kisah ini melampaui pengumuman hadiah pada 7 Oktober: eksperimen mereka menjelaskan bagaimana perbedaan kecil dapat membesar, sementara kemungkinan penyebab perbedaan awal itu masih menjadi topik yang ingin ia teliti.

Mengapa molekul bisa memiliki bentuk kiri dan kanan

Beberapa molekul memiliki atom yang sama dan terhubung dalam urutan yang sama, tetapi tersusun dalam dua bentuk yang saling merupakan bayangan cermin. Seperti tangan kiri dan kanan, keduanya tidak dapat ditumpuk sehingga setiap bagiannya saling cocok. Kimiawan menyebut sifat ini kiralitas, sedangkan kedua bentuk molekul tersebut disebut enantiomer.

Makhluk hidup membedakan kedua bentuk itu karena perangkat molekulernya sendiri memiliki bentuk tertentu. Molekul yang cocok dengan satu struktur biologis dapat berinteraksi secara berbeda jika susunannya dibalik. Perbedaan ini dapat memengaruhi aktivitas obat atau bahkan aroma suatu zat: kedua bentuk carvone beraroma spearmint dan jintan.

Protein dalam sel hidup hampir secara eksklusif menggunakan satu orientasi asam amino, sementara gula dalam DNA dan RNA juga memiliki orientasi yang konsisten. Glisin, asam amino paling sederhana, merupakan pengecualian karena tidak memiliki pasangan bentuk bayangan cermin yang berbeda. Penggunaan luas satu bentuk ini disebut homokiralitas, yang berarti memiliki orientasi yang sama.

Reaksi laboratorium sering menghasilkan kedua bentuk dalam jumlah sama, kecuali ada sesuatu yang mengarahkannya. Teka-teki ilmiahnya adalah bagaimana sistem kimia yang awalnya seimbang dapat mengembangkan preferensi kuat. Kagan menunjukkan bagaimana katalis dapat memperbesar preferensi; Soai mengembangkan reaksi yang memungkinkan preferensi itu tumbuh saat reaksi menghasilkan lebih banyak katalis.

Kagan menemukan bahwa katalis campuran dapat bekerja lebih baik dari perkiraan

Terobosan penting Kagan terjadi pada 1986. Katalis membantu reaksi kimia berlangsung tanpa ikut habis dalam reaksi tersebut. Dalam katalisis asimetris, bentuk molekul katalis membantu mengarahkan produksi ke salah satu bayangan cermin.

Para kimiawan sebelumnya memperkirakan adanya hubungan sederhana antara perbandingan bentuk dalam katalis dan perbandingan dalam produknya. Kagan menunjukkan bahwa hubungan tersebut dapat menyimpang dari perkiraan itu, sehingga menghasilkan preferensi yang lebih kuat daripada yang ditunjukkan oleh komposisi katalis. Penyimpangan ini disebut efek nonlinier.

Salah satu penjelasannya melibatkan katalis yang struktur aktifnya terdiri atas pasangan molekul pendamping. Campuran dapat membentuk pasangan sejenis dengan orientasi yang sama maupun pasangan tak sejenis yang terdiri atas satu dari masing-masing orientasi. Dalam beberapa reaksi, pasangan tak sejenis jauh kurang aktif, sehingga sebagian besar reaksi berlangsung melalui pasangan sejenis.

Bayangkan campuran berisi 75 molekul pendamping dari satu bentuk dan 25 dari bentuk lainnya. Jika berpasangan secara acak, rasio pasangan sejenis adalah 75 kuadrat berbanding 25 kuadrat, atau sembilan banding satu. Jika pasangan tak sejenis hanya sedikit berkontribusi, pasangan sejenis yang aktif itu pada akhirnya berperilaku seperti campuran 90 banding 10. Preferensi awal yang kecil pun menjadi pengaruh kimia yang lebih kuat.

Penemuan Kagan memberi para peneliti alat praktis sekaligus cara untuk menyelidiki katalis. Bentuk hubungan antara komposisi katalis dan komposisi produk dapat mengungkap petunjuk tentang cara molekul berhimpun dan bekerja di dalam wadah reaksi.

Soai membuat reaksi membantu menghasilkan dirinya sendiri

Langkah berikutnya Soai adalah autokatalisis asimetris. Autokatalisis berarti produk suatu reaksi membantu mengatalisis produksi lebih banyak produk yang sama. Jika proses itu juga mengutamakan orientasi molekul produk itu sendiri, keunggulan awal yang kecil dapat memicu produksi lanjutan melalui umpan balik.

Dokumen latar belakang ilmiah Akademi menelusuri hasil awalnya hingga 1990. Soai menggunakan diisopropilseng dan piridina-3-karbaldehida, dengan katalis yang dibuat dari alkohol yang dihasilkan oleh reaksi itu sendiri.

Eksperimen tersebut menunjukkan autokatalisis sekaligus preferensi terhadap salah satu bayangan cermin. Kelemahannya, preferensi itu justru mengecil: katalis memiliki kelebihan enantiomer sebesar 86%, sedangkan produk memiliki kelebihan 35%.

Kelebihan enantiomer, yang biasanya disingkat ee, mengukur selisih persentase kedua bentuk. Campuran yang terdiri atas 75% salah satu bentuk dan 25% bentuk lainnya memiliki ee 50%. Campuran seimbang memiliki ee nol, sedangkan produk yang hanya terdiri atas satu bentuk memiliki ee 100%.

Dengan demikian, hasil Soai pada 1990 menunjukkan bahwa reaksi dapat menghasilkan kembali katalisnya sendiri, tetapi sekaligus mengencerkan preferensi awal. Lima tahun kemudian, timnya menemukan reaksi menggunakan pirimidina-5-karbaldehida yang menghasilkan produk dengan kelebihan lebih besar daripada katalisnya. Kini, umpan balik memperkuat preferensi, bukan melemahkannya.

Makna sebenarnya dari angka kemurnian yang mencolok

Eksperimen Soai pada 1995 dimulai dengan katalis yang dibuat menggunakan bahan dengan ee 5%. Produk pertama mencapai ee 55%. Penggunaan bahan yang dihasilkan dalam reaksi berikutnya menaikkan angka itu menjadi 87%, dan rangkaian tersebut mencapai ee 90% dalam lima tahap reaksi berturut-turut.

Kenaikan ee dari 5% menjadi 90% berarti perubahan dari campuran dengan rasio 52,5% berbanding 47,5% menjadi campuran dengan rasio 95% berbanding 5%. Campuran awal hampir seimbang; campuran akhir mengandung 19 molekul bentuk yang lebih disukai untuk setiap satu molekul bayangan cerminnya.

Contoh berikutnya dimulai dengan ligan, molekul yang digunakan untuk membuat katalis, dengan ee hanya 0,00005%. Setelah tiga tahap reaksi berturut-turut, ee produk melampaui 99,5%. Artinya, produk terdiri atas lebih dari 99,75% bentuk yang lebih disukai dan kurang dari 0,25% bentuk lainnya.

Akademi menyebut hasil ini sebagai penguatan rasio stereoisomer sebesar 630.000 kali. Angka tersebut merujuk pada perbandingan relatif bentuk molekul, bukan jumlah bahan yang dihasilkan.

Pengumuman Nobel menetapkan 2003 sebagai tonggak ketika Soai memperkenalkan reaksi yang menghasilkan hanya satu dari dua kemungkinan bayangan cermin. Secara bersama-sama, eksperimen itu menunjukkan bagaimana umpan balik kimia berulang dapat mengubah ketidakseimbangan yang nyaris tak kentara menjadi homokiralitas.

Kebetulan dapat menguntungkan salah satu bentuk molekul

Soai juga menyelidiki reaksi yang dimulai tanpa sumber orientasi molekul yang ditambahkan. Dalam eksperimen semacam ini, fluktuasi statistik yang sangat kecil dapat memberi satu bentuk keunggulan, lalu diperbesar oleh reaksi.

Dalam 37 eksperimen yang dijelaskan dalam latar belakang ilmiah Akademi, 18 menguntungkan bentuk berlabel R dan 19 menguntungkan S. Produk menunjukkan ee antara 15% hingga 91%. Hasil yang hampir terbagi rata menunjukkan bahwa bentuk mana pun dapat memperoleh keunggulan.

Huruf R dan S menunjukkan konfigurasi molekul. Huruf-huruf ini memungkinkan kimiawan menamai kedua susunan secara tepat tanpa mengandalkan gambar tangan kiri atau kanan. Dalam eksperimen ini, masing-masing reaksi mengembangkan preferensi, meskipun secara keseluruhan rangkaian eksperimen tidak menguntungkan konfigurasi mana pun.

Akademi juga mengakui Daniel Singleton atas pembuktian mandiri tentang pematahan simetri dengan menggunakan reaksi Soai. Pematahan simetri adalah munculnya hasil yang tidak seimbang dari sistem yang awalnya seimbang.

Heiner Linke, ketua Komite Nobel Kimia, menjelaskan pencapaian tersebut saat hadiah diumumkan:

Henri Kagan dan Kenso Soai telah memberikan solusi atas misteri kimia yang berusia lebih dari satu abad: bagaimana homokiralitas dapat muncul secara spontan. Reaksi kimia yang mereka kembangkan sungguh luar biasa.

Akademi membatasi relevansi reaksi tersebut terhadap asal-usul kehidupan secara spesifik: reaksi itu menunjukkan jalur kimia menuju homokiralitas di laboratorium, sementara asal-usul orientasi biologis di air masih menjadi persoalan terbuka. Latar belakang ilmiahnya menyebut reaksi Soai tidak relevan bagi kemunculan homokiralitas biologis dalam sistem berair.

Mengapa perbedaan ini penting bagi produsen obat

Pengembangan obat membuat orientasi molekul memiliki arti praktis secara langsung. Dua bentuk suatu senyawa dapat berinteraksi secara berbeda dengan tubuh, sehingga produsen mungkin memerlukan proses yang secara andal menghasilkan bentuk yang diinginkan.

Kovuru Gopalaiah, profesor di Universitas Delhi yang pernah bekerja di laboratorium Kagan, menjelaskan bahwa penguatan dapat mengurangi kebutuhan akan katalis dengan kemurnian sangat tinggi. Penggunaan bahan dengan kemurnian sekitar 70%, bukan 99%, dapat memangkas biaya pemurnian dalam proses yang sesuai. Salah satu contoh Merck yang dikutip menghasilkan senyawa L-699,392 dengan kemurnian 95% dari bahan awal dengan kemurnian 70%.

India memiliki kepentingan besar dalam peningkatan produksi semacam ini. Brosur Kedutaan India yang dikutip dalam pembahasan hadiah tersebut menyebut bahwa negara itu memasok sekitar 20% obat generik dunia berdasarkan volume. Penghematan apa pun bergantung pada reaksi dan proses produksi tertentu; penemuan Nobel ini memberikan prinsip-prinsip yang dapat diuji para kimiawan saat merancang proses tersebut.

Thalidomide menunjukkan mengapa keamanan obat menuntut lebih dari sekadar memilih salah satu bentuk molekul. Obat itu menyebabkan cacat lahir parah dan ditarik dari pasaran pada 1961. G Sekar, kepala bidang kimia di IIT Madras, menjelaskan bahwa kedua bentuknya dapat berubah menjadi satu sama lain di dalam tubuh. Karena itu, perilaku obat bergantung pada apa yang terjadi setelah obat dikonsumsi, selain bahan yang diproduksi.

Keputusan untuk menggunakan satu bentuk molekul bergantung pada aspek keamanan, efektivitas, dan persyaratan regulasi. Penemuan Kagan dan Soai membantu para kimiawan mengendalikan hasil produksinya, sehingga peneliti obat memiliki bahan awal yang lebih presisi untuk melakukan penilaian tersebut.

Tonggak-tonggak di balik penghargaan

Pengakuan Nobel ini merangkum penemuan yang dikembangkan selama puluhan tahun. Kagan membuktikan bahwa ketidakseimbangan molekul dalam katalis dapat diperbesar; Soai merancang reaksi yang produknya dapat memperkuat ketidakseimbangan tersebut melalui produksi berulang.

• 1986: Kagan menunjukkan efek nonlinier dalam katalisis asimetris.
• 1990: Soai menerbitkan reaksi autokatalitik asimetris, meskipun ee produk lebih rendah daripada ee katalis.
• 1995: Soai dan rekan-rekannya menunjukkan autokatalisis yang meningkatkan ee hingga 90% dalam lima tahap reaksi berturut-turut.
• 2003: Pengumuman Nobel menyebut tahun ini sebagai saat Soai memperkenalkan reaksi yang menghasilkan hanya satu bayangan cermin.
• 7 Oktober 2026: Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia mengumumkan Hadiah Kimia yang dibagi bersama.
• 20 Oktober 2026: Soai membahas reaksi tersebut dan riset mendatang dalam kuliah di Tokyo.
• 10 Desember 2026: Upacara penganugerahan Nobel dijadwalkan berlangsung di Stockholm.

Soai berencana menghadiri upacara di Stockholm dan menyampaikan kuliah yang membahas risetnya bersama kontribusi Louis Pasteur, kimiawan dan ahli mikrobiologi Prancis yang karyanya membantu menegaskan asimetri molekul pada abad ke-19.

Soai tetap berfokus pada eksperimen dasar

Soai mengetahui bahwa dirinya memenangkan hadiah tersebut saat sedang berbelanja di dekat rumah. Ia kemudian menyampaikan penghargaan kepada rekan-rekan dan para mahasiswa yang membantu mempertahankan pekerjaan eksperimental di balik reaksi yang kini menyandang namanya.

Dalam konferensi pers setelah kuliahnya di Tokyo, Soai menjelaskan rasa ingin tahu yang mendorong risetnya:

Saya tertarik pada hal-hal yang mendasar, atau lebih tepatnya fundamental.

Riset yang direncanakannya kembali ke awal proses: apa saja yang dapat menciptakan preferensi kecil terhadap bentuk kiri atau kanan yang kemudian diperbesar oleh autokatalisis. Hadiah tersebut mengakui reaksi yang telah dikembangkan, sementara pernyataannya di Tokyo menunjukkan bahwa ketidakseimbangan awal masih menawarkan eksperimen yang ingin ia lakukan.

Poin Utama

• Kenso Soai dan Henri B. Kagan berbagi Hadiah Nobel Kimia 2026 dan hadiah 12 juta krona Swedia secara merata.
• Kagan menunjukkan bagaimana katalis dapat menghasilkan preferensi molekul yang lebih kuat daripada perkiraan berdasarkan komposisinya.
• Soai mengembangkan reaksi yang produknya membantu menghasilkan lebih banyak produk itu sendiri sekaligus memperbesar preferensi tersebut.
• Satu eksperimen meningkatkan ee dari 0,00005% menjadi lebih dari 99,5% dalam tiga tahap reaksi berturut-turut.
• Dalam kuliah di Tokyo pada 20 Oktober, Soai mengatakan ingin mempelajari kemungkinan penyebab ketidakseimbangan molekul.
• Penemuan tersebut mendukung kimia farmasi dan riset laboratorium tentang homokiralitas.
• Soai berencana menghadiri upacara Nobel pada 10 Desember di Stockholm.