2026 노벨화학상, ‘화학 난제’ 분자 거울상 통제 일·프 연구자 공동 수상

2026년 노벨화학상이 프랑스의 앙리 B. 카간과 일본의 켄소 소아이에게 돌아갔다. 두 과학자는 비대칭 유기합성에서 비선형 효과와 자기촉매를 발견해 키랄성의 증폭과 호모키랄리티 형성을 실험적으로 보여줬다.

“비대칭 유기 합성에서 비선형 효과와 자기촉매 작용 발견에 대하여(for the discovery of non-linear effects and autocatalysis in asymmetric organic synthesis)” – 스웨덴 노벨위원회

‘왼손과 오른손’처럼 다른 분자

2026년 노벨화학상은 분자의 키랄성(chirality)을 어떻게 만들고 증폭할 수 있는가라는 오래된 화학적 문제에 대한 실험적 해답을 제시한 연구에 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원은 7일 프랑스의 앙리 B. 카간(Henri B. Kagan)과 일본의 켄소 소아이(Kenso Soai)에게 노벨화학상을 수여한다고 발표했다. 수상 이유는 “비대칭 유기합성에서 비선형 효과와 자기촉매의 발견(for the discovery of non-linear effects and autocatalysis in asymmetric organic synthesis)”이다.

두 과학자의 연구를 이해하려면 먼저 ‘거울상 분자’를 봐야 한다.

어떤 분자는 서로 겹쳐지지 않는 두 개의 거울상 형태로 존재한다. 이를 거울상 이성질체(enantiomer)라고 한다. 마치 왼손과 오른손이 거울상 관계에 있지만 서로 포개지지 않는 것과 같다.

문제는 생명체가 이 두 형태를 동등하게 사용하지 않는다는 데 있다.

단백질을 구성하는 아미노산은 대부분 한쪽 형태인 L-아미노산을 사용하고, DNA와 RNA에 관여하는 당은 반대 방향의 키랄성을 갖는다. 생명체의 주요 분자들이 한쪽 방향성을 선택적으로 갖는 현상을 호모키랄리티(homochirality)라고 한다.

화학자들에게 이것은 단순한 자연현상이 아니었다. 실험실에서 비대칭 분자를 만들면 일반적으로 두 거울상 형태가 함께 만들어지기 때문이다.

그렇다면 생명체는 어떻게 한쪽 형태를 선택하게 됐을까. 2026년 노벨화학상은 바로 이 질문에 중요한 실험적 단서를 제공했다.

19세기 파스퇴르에서 시작된 ‘한쪽 분자’ 수수께끼

이 문제의 역사는 19세기로 거슬러 올라간다.

루이 파스퇴르(Louis Pasteur)는 주석산(tartaric acid) 결정을 관찰하면서 서로 거울상인 두 형태의 분자가 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 각각의 용액은 편광을 서로 반대 방향으로 회전시켰고, 두 형태를 섞으면 그 효과가 사라졌다. 오늘날 화학에서 키랄성과 거울상 이성질체를 이해하는 출발점이 된 실험이다.

이후 화학자들은 더욱 근본적인 질문을 던졌다. 처음에는 양쪽 형태가 모두 만들어질 수 있는데, 왜 생명은 한쪽 형태만 선택했는가.

1953년 영국 브리스톨대의 이론물리학자 프레더릭 찰스 프랭크(Frederick Charles Frank)는 이 문제를 수학적 모델로 설명했다.

프랭크의 핵심 아이디어는 세 가지 조건이었다. 자기촉매가 일어나야 하고, 한쪽 거울상 형성을 선택적으로 촉진해야 하며, 반대쪽 형태의 형성을 억제하는 상호작용이 필요하다는 것이다.

이론적으로는 가능했다. 그러나 실제 화학반응에서 이를 구현하는 것은 전혀 다른 문제였다.

카간의 발견: 화학반응은 반드시 ‘선형’이지 않았다

앙리 카간의 공헌은 이 지점에서 시작된다. 1980년대 당시 비대칭 촉매 연구에서는 촉매의 키랄 순도와 최종 생성물의 키랄 순도가 대체로 비례할 것이라는 생각이 강했다.

촉매가 50% 정도 한쪽 형태를 더 많이 갖고 있다면 생성물 역시 비슷한 수준의 비대칭성을 보일 것이라고 예상한 것이다.

카간은 이 가정을 뒤집었다. 그는 금속과 키랄 리간드가 결합하는 촉매 시스템에서 서로 다른 거울상 리간드가 함께 결합할 경우, 동일한 방식으로 반응하지 않을 수 있다고 분석했다.

결과적으로 생성물의 거울상 과잉(enantiomeric excess, ee)이 촉매의 키랄성보다 더 커질 수 있었다. 이를 비선형 효과(non-linear effect·NLE)라고 한다.

1986년 카간과 연구진은 서로 다른 세 가지 비대칭 반응에서 이러한 현상을 확인했다. 노벨위원회는 이 연구가 비대칭 촉매 반응에 대한 기존의 선형적 관점을 바꾼 사건이라고 평가한다.

핵심은 단순히 “한쪽 분자를 더 많이 만들었다”는 것이 아니다. 카간은 촉매 안에서 분자들이 서로 어떻게 결합하고 반응성이 어떻게 달라지는지를 통해 비대칭성이 증폭될 수 있다는 화학적 메커니즘을 제시했다.

이후 비선형 효과는 새로운 비대칭 반응의 설계뿐 아니라 반응 메커니즘을 분석하는 중요한 도구가 됐다.

소아이의 다음 단계: 생성물이 자기 자신을 만든다

카간이 비대칭성을 증폭할 수 있는 조건을 제시했다면, 켄소 소아이는 한 단계 더 나아갔다. 질문은 간단했다. 그렇다면 생성물 자체가 촉매가 되어 자기 자신의 생성을 촉진할 수 있는가.

소아이는 1990년대 초 비대칭 반응을 연구하면서 촉매와 생성물 사이에 구조적 유사성이 있다는 사실에 주목했다.

1990년에는 이미 생성물이 자기촉매 역할을 하는 현상을 확인했지만, 당시에는 생성물의 키랄성이 오히려 약해지는 문제가 있었다. 1995년 소아이와 연구진은 마침내 작은 키랄성 차이를 더 크게 증폭하는 비대칭 자기촉매 반응을 보고했다.

이 연구의 의미는 컸다. 초기의 작은 키랄성 차이가 다음 반응의 촉매가 되고, 그 촉매가 다시 같은 형태의 생성물을 더 많이 만들면서 자기강화(self-reinforcing)가 발생한다.

노벨위원회가 설명한 Soai 반응에서는 극도로 작은 초기 불균형도 반복적인 반응을 통해 크게 증폭될 수 있다. 과학적 배경에 따르면 한 실험에서는 출발 물질의 거울상 과잉이 불과 0.00005%였지만 세 차례의 연속 반응을 거치면서 99.5% 이상으로 확대됐다. 약 63만 배에 해당하는 증폭이다. 이것이 바로 Soai reaction이다.

‘우연한 0.00005%’가 한쪽 분자를 지배한다

Soai 반응에서 특히 주목할 부분은 시작점이다.

처음부터 외부에서 순수한 키랄 촉매를 넣어 한쪽 분자를 강제로 만드는 방식이 아니다. 비키랄 또는 거의 라세미(racemic) 상태에서 반응을 시작하면 통계적 요동에 의해 아주 작은 불균형이 발생할 수 있다.

예를 들어 어느 순간 R 형태가 극소량 더 많아질 수 있다. Soai 반응에서는 이 작은 차이를 감지하고 증폭할 수 있다. R 형태가 조금 많으면 R 형태의 생성물이 더 많이 만들어지고, 그 생성물이 다시 R 형태의 촉매 역할을 한다. 그러면 R 형태가 다시 더 많이 생성된다. 이 과정이 반복되면서 처음에는 사실상 무시할 정도였던 차이가 거대한 비대칭성으로 확대된다.

반대로 처음의 작은 우연이 S 형태에 유리했다면 S 형태가 지배할 수도 있다. 실제로 노벨위원회 자료는 동일한 Soai 반응을 반복했을 때 초기의 우연한 요동에 따라 서로 다른 거울상 형태가 우세해질 수 있다고 설명한다.

이 때문에 Soai 반응은 외부의 키랄 정보 없이 대칭성을 깨뜨릴 수 있는 절대 비대칭 합성(absolute asymmetric synthesis)을 연구하는 대표적인 모델이 됐다.

다만 ‘생명의 기원을 해결했다’는 의미는 아니다

이번 노벨화학상을 설명할 때 가장 주의해야 할 부분이다. 카간과 소아이가 생명이 어떻게 탄생했는지를 규명한 것은 아니다.

노벨위원회도 이를 명확히 구분한다. 프랭크 모델은 생물학적 호모키랄리티의 기원에 대한 가능한 하나의 설명일 뿐이며, 약 35억~40억 년 전 생명 출현 과정에서 실제로 어떤 일이 일어났는지는 아직 확정할 수 없다고 설명한다.

Soai 반응 역시 생명체의 실제 화학과 동일하지 않다. 특히 현재의 Soai 반응은 생명체가 존재하는 수용액 환경에서 아미노산과 당이 어떻게 한쪽 키랄성을 갖게 됐는지를 직접 재현하는 반응이 아니다.

따라서 이번 수상을 “생명의 기원을 밝혀낸 노벨상”이라고 표현하는 것은 정확하지 않다.

더 정확한 표현은 생명체의 호모키랄리티와 관련된 핵심 화학적 문제를 실험실에서 검증할 수 있는 강력한 모델을 만들었다는 것이다. 노벨위원회 역시 Soai 반응을 생물학적 호모키랄리티에 대한 중요한 개념 증명(proof of concept)으로 평가하면서도 실제 생명 기원에 직접 적용되는 것은 아니라고 명시한다.

왜 제약산업에서 중요한가

이번 수상은 순수 화학의 이론적 성취에만 머물지 않는다.

키랄성은 의약품 개발에서 특히 중요하다. 서로 거울상인 두 분자는 화학식이 같아도 생체 내에서 완전히 다른 방식으로 작용할 수 있다. 하나는 원하는 치료효과를 나타내지만 다른 하나는 효과가 없거나 원치 않는 부작용을 일으킬 수 있다.

노벨위원회가 대표적 역사적 사례로 언급하는 것이 1960년대 탈리도마이드 사건이다. 당시 약물의 거울상 형태와 관련된 문제가 심각한 선천성 기형으로 이어졌고, 이는 의약품에서 분자의 입체화학적 순도가 얼마나 중요한지를 보여주는 사건이 됐다.

Reuters와 AP 역시 이번 수상의 산업적 의미를 보다 선택적인 의약품 제조와 연결했다. 특히 두 거울상 분자 가운데 원하는 형태를 선택적으로 만드는 능력이 현대 제약화학에서 중요하다는 점을 강조했다.

노벨위원회가 제시하는 적용 분야는 의약품에 국한되지 않는다. 비선형 효과는 반응 메커니즘을 파악하고 원하는 거울상 이성질체의 순도를 높이는 데 활용될 수 있으며, 의약품뿐 아니라 향료·향수·농화학 제품·신소재 제조에도 중요하다.

카간과 소아이의 업적은 하나의 연구 계보로 연결된다

이번 노벨화학상은 서로 별개의 발견을 단순히 묶은 것이 아니다. 두 연구는 하나의 논리적 사슬을 형성한다.

• 카간의 비선형 효과: 촉매의 작은 키랄성 차이를 생성물에서 더 크게 증폭할 수 있다는 사실 발견
• 소아이의 비대칭 자기촉매: 생성물 자체가 촉매가 되어 자신의 키랄성을 반복적으로 증폭
• 호모키랄리티: 아주 작은 초기 불균형이 한쪽 거울상 분자의 우세로 발전할 수 있다는 실험적 검증

이 점에서 카간의 연구가 “키랄성 증폭의 화학적 도구”를 제공했다면 소아이의 연구는 그 원리를 극단적인 자기증폭 과정으로 발전시켰다고 볼 수 있다.

노벨위원회는 두 발견이 키랄성이 어떻게 생성되고 전달되며 증폭되는지를 이해하는 데 중요한 변화를 가져왔다고 평가한다.

100년 넘은 질문에 대한 답은 ‘선택’보다 ‘증폭’

이번 수상의 핵심을 한 문장으로 정리하면 화학은 처음부터 한쪽을 선택할 필요가 없을 수도 있다는 것이다.

처음에는 양쪽 거울상 분자가 거의 똑같이 만들어질 수 있다. 하지만 반응 내부에서 이들 사이의 상호작용이 달라지고, 그 차이가 비선형 효과를 만들면 아주 작은 불균형이 증폭될 수 있다.

여기에 자기촉매가 결합하면 생성물이 자신의 생성을 촉진하는 순환구조가 만들어진다. 결국 중요한 것은 완벽한 대칭 상태에서 한쪽을 외부에서 선택하는 것이 아니라, 미세한 차이를 화학반응 자체가 증폭할 수 있는 구조를 만드는 것이다.

이것이 카간과 소아이의 연구가 남긴 가장 중요한 화학적 통찰이다.

2026년 노벨화학상이 보여준 것

2026년 노벨화학상은 거대한 장비나 새로운 원소를 발견한 연구가 아니다. 분자 수준에서 일어나는 작은 차이를 이해하고 통제하는 방법을 제시했다.

앙리 카간은 1986년 비선형 효과를 통해 비대칭성을 증폭할 수 있다는 사실을 보여줬다. 켄소 소아이는 이후 자기촉매 반응을 발전시켜 작은 키랄성 차이를 반복적으로 증폭하는 Soai 반응을 확립했다.

그 결과 화학자들은 이제 단순히 “어떤 분자를 만들 것인가”뿐 아니라 “어떻게 원하는 거울상만 선택적으로 만들 것인가”, 그리고 “그 선택성을 어떻게 증폭할 것인가”를 설계할 수 있는 새로운 관점을 갖게 됐다.

따라서 이번 노벨화학상의 진짜 의미는 ‘거울상 분자의 미스터리를 풀었다’는 데만 있지 않다. 무작위에 가까운 작은 화학적 차이가 어떻게 자기강화 과정을 통해 질서로 바뀔 수 있는지 보여줬다는 것이다.

그리고 그 원리는 생명의 호모키랄리티를 이해하는 기초 연구에서부터 정밀한 의약품 합성에 이르기까지 현대 화학의 중요한 연구 도구로 자리 잡고 있다.

2026년 노벨화학상은 결국 ‘분자의 한쪽 손’을 만드는 기술이 아니라, 그 한쪽 손이 어떻게 선택되고 증폭될 수 있는지를 보여준 노벨상이다.

*수상자

앙리 B. 카간(Henri B. Kagan)
1930년 프랑스 출생. Collège de France 박사(1960). Université Paris-Sud 명예교수.

켄소 소아이(Kenso Soai)
1950년 일본 히로시마 출생. 도쿄대 박사(1979). Tokyo University of Science 명예교수.