2022年諾貝爾化學獎揭曉：將化學帶入功能主義新時代
2022 年 10 月 5 日北京時間 17 時 45 分許，2022 年諾貝爾化學獎授予美國學者卡羅琳 · R. 貝爾托西，丹麥學者莫滕·梅爾達爾，美國學者K. 巴里·沙普利斯，以表彰他們 “對點擊化學和生物正交化學的發(fā)展” 的貢獻。
卡羅琳 · R. 貝爾托西（Carolyn R. Bertozzi），1966 年出生于美國。1993 年在美國加利福尼亞大學伯克利分校獲得博士學位。現(xiàn)任美國斯坦福大學 Anne T. 和 Robert M. Bass 教授。
莫滕·梅爾達爾（Morten Meldal），1954 年出生于丹麥。1986 年在丹麥技術(shù)大學獲得博士學位。現(xiàn)任丹麥哥本哈根大學教授。
K. 巴里·沙普利斯（K. Barry Sharpless） 1941 年出生于美國賓夕法尼亞州費城。1968 年獲得美國斯坦福大學博士學位?，F(xiàn)任美國斯克里普斯研究中心的 W. M. Keck 教授。他曾因“手性催化氧化反應(yīng)”與另兩名學者分享 2001 年諾貝爾化學獎。此次獲獎令他成為繼弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger，蛋白質(zhì)測序和 DNA 測序開創(chuàng)者）后，第二位兩次獲得諾貝爾化學獎的科學家。
有時簡單的答案是最好的。巴里·沙普利斯和莫滕·梅爾達爾將化學帶入了功能主義時代，并為點擊化學（click chemistry）奠定了基礎(chǔ)；他們與卡羅琳·R. 貝爾托西分享了 2022 年諾貝爾化學獎，后者將點擊化學帶到了全新的維度，并開始使用這一工具來繪制細胞圖譜。貝爾托西開發(fā)的生物正交反應(yīng)已實現(xiàn)了多種應(yīng)用，包括促進更有針對性的癌癥療法的開發(fā)。
自18世紀現(xiàn)代化學誕生以來，許多化學家都將自然作為研究的模仿對象。生命本身就是自然界擁有創(chuàng)造化學復雜性的至高能力的最好證明。在植物、微生物和動物中發(fā)現(xiàn)的驚人的分子結(jié)構(gòu)，促使研究人員嘗試通過人工合成來構(gòu)建相同的分子。在藥物開發(fā)中，模仿天然分子通常也是一個重要的部分，因為開發(fā)許多藥物的靈感就來自天然的物質(zhì)。
數(shù)個世紀以來積累的化學知識證明了其價值。利用開發(fā)出的復雜工具，化學家現(xiàn)在可以在實驗室中創(chuàng)造出各種極其驚人的分子。然而，一個具有挑戰(zhàn)性的問題是，復雜的分子必須通過許多步驟才能構(gòu)建出來，每個步驟都會產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)品 —— 有時多，有時少。為了得到需要的化合物，在繼續(xù)后續(xù)的反應(yīng)工藝之前，這些副產(chǎn)品必須被清除。而對于那些合成難度大的化學結(jié)構(gòu)，原料的損失可能極大，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物幾乎為零?；瘜W家經(jīng)常能實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的目標，但采用的路線可能既耗時又昂貴。2022 年諾貝爾化學獎關(guān)乎于尋找新的理想的化學，讓簡單性和功能性優(yōu)先。
化學進入功能主義新時代
昨日，巴里·沙普利斯獲得了他的第二個諾貝爾化學獎。他是開始滾動雪球的第一人。大約在世紀之交時，他為一種功能性的化學創(chuàng)造了點擊化學的概念。在點擊化學中，分子模塊能夠快速有效地結(jié)合在一起。當莫滕·梅爾達爾和巴里·沙普利斯彼此獨立地發(fā)現(xiàn)了點擊化學皇冠上的明珠——銅催化疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)（copper catalysed azide-alkyne cycloaddition）時，雪球變成了雪崩。
貝爾托西開發(fā)了可以應(yīng)用于生物體內(nèi)的點擊反應(yīng)。她的生物正交反應(yīng)在生物體內(nèi)應(yīng)用時，可以在不干擾細胞正常的化學過程，目前正在全球范圍內(nèi)用于繪制細胞的功能圖譜。一些研究人員現(xiàn)在正在研究如何利用這些反應(yīng)來診斷和治療癌癥。現(xiàn)在讓我們來看看通往 2022 年諾貝爾化學獎的兩條線索中的第一條。
化學家需要新理想
解開這條線索的時間始于2001年，巴里·沙普利斯在這一年獲得了第一個諾貝爾化學獎。然而，當他在一本科學雜志上主張在化學中采用一種新的極簡主義方法時，一切都還沒有發(fā)生。他認為化學家是時候停止模仿天然分子了——這往往使得化學家遭遇難以駕馭的分子合成，而這也在新藥研發(fā)中構(gòu)成了障礙。
當在自然界中發(fā)現(xiàn)了一種潛在的藥物時，化學家通?？梢灾圃焐倭康脑撐镔|(zhì)，并其用于體外測試和臨床試驗。然后，如果后期需要工業(yè)生產(chǎn)，則需要達到更高的生產(chǎn)效率。沙普利斯使用一種強大的抗生素美羅培南（meropenem）作為例子——找到大規(guī)模生產(chǎn)這種分子的方法，全球的科學家大概花費了 6 年的研發(fā)時間。
“爭吵”的分子，代價高昂
根據(jù)巴里·沙普利斯的說法，化學家的絆腳石之一是碳原子間形成的化學鍵，它對生命中的化學過程至關(guān)重要。原則上，所有生物分子都具有連接碳原子的框架。生命已經(jīng)演化出創(chuàng)造這些物質(zhì)的方法，但事實證明這對化學家來說是出了名的困難。原因是來自不同分子的碳原子之間通常缺乏形成鍵的化學驅(qū)動力，因此需要人工激活它們。這種活化通常會導致許多不必要的副反應(yīng)和代價高昂的原料損失。
巴里·沙普利斯沒有勉強碳原子相互發(fā)生反應(yīng)，而是鼓勵他的同事從已經(jīng)具有完整碳骨架的較小分子開始。這些簡單的分子可以通過更容易控制的氮橋或氧橋連接在一起。如果化學家選擇簡單的反應(yīng)——分子結(jié)合在一起有很強的內(nèi)在驅(qū)動力——就會避免許多副反應(yīng)，同時讓原料損失降至最小。
點擊化學——具有巨大潛力的實用綠色化學
巴里·沙普利斯稱這種構(gòu)建分子的魯棒方法為“點擊化學”，他認為，即使點擊化學不能提供天然分子的精確副本，也有可能找到具有相同功能的分子。結(jié)合簡單的化學砌塊可以創(chuàng)造出幾乎無窮無盡的分子，因此他相信點擊化學可以產(chǎn)生與天然藥物具有類似功能的新型藥物，并且可以在工業(yè)規(guī)模下生產(chǎn)。
在 2001 年的著作中，巴里·沙普利斯列出了屬于點擊化學的化學反應(yīng)應(yīng)該滿足的幾個標準。其中之一是反應(yīng)應(yīng)該能夠在氧氣，以及廉價且環(huán)保的溶劑——水中發(fā)生。
他還列舉了幾個已有的化學反應(yīng)例子，他認為這些反應(yīng)實現(xiàn)了他提出的新理論。然而，當時還沒有人知道現(xiàn)在幾乎成為點擊化學同義詞的絕妙反應(yīng)——銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成。這將在丹麥的一個實驗室中被發(fā)現(xiàn)。
改變化學的點擊反應(yīng)
當銅離子加入后，疊氮化物和炔烴的反應(yīng)變得極為高效。這種反應(yīng)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用，來以簡單的方式將分子連接在一起。
梅爾達爾反應(yīng)容器中的意外之物
很多時候，決定性的科學進步發(fā)生在研究人員最意想不到的時刻，莫滕·梅爾達爾就遇到了這種情況。本世紀初，他正在開發(fā)尋找潛在藥物的方法。他構(gòu)建了巨大的分子庫，其中可能包含數(shù)十萬種不同的物質(zhì)，然后對它們進行篩選，看它們中的任何一種是否可以阻斷致病過程。
在這個過程中，他和同事在某一天進行了一種極為常規(guī)的反應(yīng)。你不需要記住這一點，只要知道他們的目的是讓炔烴（alkyne）與酰鹵（acyl halide）反應(yīng)。如果化學家添加一些銅離子，或許還有一小撮鈀作為催化劑，反應(yīng)通常會很順利。但當梅爾達爾分析反應(yīng)容器中發(fā)生了什么時，他發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的事情。事實證明，炔烴與酰鹵分子錯誤的一端發(fā)生了反應(yīng)。在另一端是一個稱為疊氮化物（azide）的化學基團（如上圖所示）。疊氮化物與炔烴一起形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，即三唑（triazole）。
這個反應(yīng)有點特別
懂一些化學的人可能都知道三唑的化學結(jié)構(gòu)非常有用，它們結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，往往會出現(xiàn)在一些藥物、染料和農(nóng)業(yè)化學品中。由于三唑是理想的化學結(jié)構(gòu)單元，研究人員此前曾嘗試用炔烴和疊氮化物來制造它們，但這會導致不必要的副產(chǎn)物。莫滕·梅爾達爾發(fā)現(xiàn)銅離子可以控制反應(yīng)的進行，基本只得到一種產(chǎn)物，那些本應(yīng)與炔烴鍵合的酰鹵也或多或少沒有發(fā)生什么反應(yīng)。這在梅爾達爾看來，疊氮化物和炔烴之間會發(fā)生反應(yīng)很明顯是不同尋常的。
2001 年 6 月，他在圣迭哥的一次研討會上首次展示了他的發(fā)現(xiàn)。次年，也就是在 2002 年，他在一本學術(shù)期刊上發(fā)表了一篇文章，表示這種反應(yīng)可用于將許多不同的分子結(jié)合在一起。
分子“啪嗒”一聲，快速有效地結(jié)合在一起
同一年，巴里·沙普利斯（獨立于莫滕·梅爾達爾）也發(fā)表了一篇用銅催化疊氮化物和炔烴發(fā)生反應(yīng)的論文，這項研究表明該反應(yīng)可在水中起作用并且是可靠的。他將其描述為“完美的”點擊反應(yīng)。疊氮化物就像一個被壓緊的彈簧，其中的作用力由銅離子釋放。這個過程很穩(wěn)定，因此沙普利斯建議化學家使用該反應(yīng)來連接不同的分子。他認為它的潛力十分巨大?；叵肫饋?，我們可以看出他是對的?，F(xiàn)在，如果化學家想要連接兩個不同的分子，他們就可以相對簡單地使一個分子擁有一個疊氮基，同時在另一個分子中引入一個炔基。然后，在一些銅離子的幫助下，他們就可以將這兩個分子結(jié)合在一起。
點擊反應(yīng)可以創(chuàng)造新材料
點擊反應(yīng)的簡單性讓它在實驗室研究和工業(yè)生產(chǎn)中迅速流行了起來。而且，點擊反應(yīng)還有助于生產(chǎn)需要滿足特定需求的新材料。例如，如果制造商在塑料或紡織品中添加了可發(fā)生點擊反應(yīng)的疊氮化物，那么后期的材料升級就變得很簡單了，例如，這或許能使原料連接可導電、獲取陽光、抗菌、防紫外線輻射或具有其他理想特性的物質(zhì)，還可以通過點擊反應(yīng)，把軟化劑固定在塑料中，來避免軟化劑泄漏。在藥物研究中，點擊化學還可以用于生產(chǎn)和優(yōu)化可能成為藥物的物質(zhì)。
有許多例子都可以說明點擊反應(yīng)的強大之處。然而，巴里·沙普利斯沒有預料到的是，它會被用于生物領(lǐng)域?，F(xiàn)在，讓我們揭開 2022 年諾貝爾化學獎的第二條線索。
貝爾托西開始研究難以捉摸的碳水化合物
這條線索始于 20 世紀 90 年代，當時生物化學和分子生物學正在經(jīng)歷爆炸性的發(fā)展。利用分子生物學的新方法，世界各地的研究人員正在繪制基因和蛋白質(zhì)圖譜，試圖了解細胞是如何工作的。那時的學界充滿了開拓精神，每天都會出現(xiàn)未知領(lǐng)域的新知識。
然而，一組分子幾乎沒有受到任何關(guān)注：聚糖。聚糖是由多個單糖聚合而成的寡糖或多糖，通常位于蛋白質(zhì)和細胞的表面。它們在許多生物過程中發(fā)揮著重要作用，例如在病毒感染細胞或激活免疫系統(tǒng)時。聚糖的確是一類有趣的分子，但問題是，分子生物學的新工具無法研究它們。因此，任何想了解聚糖如何工作的人都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，只有少數(shù)研究人員準備嘗試攀登那座山——貝爾托西就是其中之一。
貝爾托西有了一個絕妙的主意……
在 20 世紀 90 年代初，卡羅琳·貝爾托西開始繪制一種將免疫細胞吸引到淋巴結(jié)的聚糖的圖譜。由于缺乏有效的工具，她需要數(shù)年時間才能了解這種聚糖如何發(fā)揮功能。這讓她開始思考，有沒有一種更好的方法讓這個過程變得容易——她有了一個想法。在一次研討會上，她聽取了一位德國科學家的講話，這位科學家解釋了他如何成功地讓細胞產(chǎn)生唾液酸（一類九碳單糖）的一種非天然變體，唾液酸是構(gòu)成聚糖的糖類之一。因此，貝爾托西開始思考她是否可以使用類似的方法，讓細胞生成具有某種化學抓手的唾液酸。修飾后的唾液酸能夠參與構(gòu)成不同的聚糖，她就能夠使用化學抓手來定位它們。例如，她可以將熒光分子連接到手柄上。然后熒光就能顯示出聚糖在細胞中所處的位置。
這是一段漫長而專注的開發(fā)工作的開端。貝爾托西開始在文獻中搜索可能的化學抓手和相關(guān)化學反應(yīng)。這不是一件容易的事，因為抓手不能與細胞中的任何其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。除了她將要連接到抓手上的分子之外，它必須對其他的一切物質(zhì)都不敏感。她專門創(chuàng)造了一個術(shù)語來表達這個要求：抓手和熒光分子之間的反應(yīng)必須是“生物正交”（bioorthogonal）的。
簡單來說，在 1997 年，貝爾托西成功地證明了她的想法確實有效。新的突破發(fā)生在 2000 年，當時她找到了一個最佳的“化學抓手”：疊氮化物。她以巧妙的方式修改了一個已知的化學反應(yīng)——斯陶丁格反應(yīng)（the Staudinger reaction），并使用這種方法將一個熒光分子與她引入聚糖中的疊氮化物連接起來。由于疊氮化物不影響細胞，這種化合物甚至可以被引入生物體內(nèi)?；诖耍呀?jīng)在生物化學領(lǐng)域做出了一個重要的發(fā)現(xiàn)。通過這些化學過程，她改良的斯陶丁格反應(yīng)可以通過多種方式來繪制細胞圖譜，但貝爾托齊對此仍然不滿意。她已經(jīng)意識到，她使用的“化學抓手”——疊氮化物——還有更多的作用。
在舊的化學反應(yīng)中注入新的生機
當時，莫滕·梅爾達爾和巴里·沙普利斯發(fā)現(xiàn)的點擊化學反應(yīng)在化學家中流傳開來，卡羅琳·貝爾托西清楚地認識到，她使用的抓手——疊氮化物，只要存在銅離子，就能快速點擊到一個炔基上。但問題是銅對生物是有毒的。因此，她再次從挖掘文獻開始，發(fā)現(xiàn)早在 1961 年就有研究表明，如果一個環(huán)狀的化學結(jié)構(gòu)中存在炔基，即使沒有銅的幫助，疊氮化物和炔基仍然可以以一種幾乎爆炸式的方式反應(yīng)。這個反應(yīng)會釋放很多能量，使得后續(xù)的反應(yīng)也能順利進行。
當她在細胞中進行測試時，反應(yīng)效果很好。2004年，她發(fā)表了無銅點擊反應(yīng)，命名為應(yīng)變促進炔疊氮化物環(huán)加成（strain-promoted alkyne-azide cycloaddition），然后證明了它可以用來追蹤多聚糖（見上圖）。
這項里程碑發(fā)現(xiàn)也是一些更偉大的發(fā)現(xiàn)的起點?？_琳·貝爾托西一直在改進她的點擊反應(yīng)，以使它在細胞環(huán)境中也能發(fā)揮很好的效果。與此同時，她和很多其他的研究人員開始利用這些反應(yīng)探索細胞中的生物分子如何相互作用，并以此來研究疾病過程。
貝爾托西關(guān)注的一個方向就是是腫瘤細胞表面的聚糖。因為她的研究，人們開始認識到，腫瘤表面的一些聚糖似乎可以保護腫瘤免受人體免疫系統(tǒng)的傷害，因為它們會使免疫細胞無法發(fā)揮功能。為了抑制腫瘤的這種保護機制，貝爾托西和同事們創(chuàng)造了一類新型的生物藥物。他們給一些酶添加了一些聚糖特異性抗體，通過抗體靶向腫瘤細胞表面的聚糖，而這些酶可以分解聚糖。這種藥物目前正在晚期癌癥患者身上進行臨床試驗。許多研究人員也已經(jīng)開始開發(fā)出針對一系列腫瘤的點擊性抗體。一旦抗體附著在腫瘤上，就會注射第二個能通過點擊附著在抗體上的分子。例如，可以添加一種放射性同位素，這樣可以通過PET掃描儀跟蹤腫瘤，也可以給予癌細胞致死劑量的輻射。
優(yōu)雅、精巧和新穎，但最重要的是有用
我們還不知道這些新療法能否發(fā)揮效果——但有一件事是十分清楚的：這些研究剛剛揭示了點擊化學和生物正交化學的巨大潛力。2001年，當巴里·沙普利斯在斯德哥爾摩進行第一次諾貝爾化學獎獲獎演講時，他談到了自己的童年，他的童年深受貴格會信徒簡單的價值觀影響，這也影響了他的人生理想。他說：“當我開始做研究時，‘優(yōu)雅’‘精巧’是化學的最高榮譽，現(xiàn)今‘新穎’被高度贊揚。不過，作為貴格會教徒，我最看重的是‘有用’。”這 4 個贊美的詞都是必要的，都能公正地贊美他、卡羅琳·貝爾托西和莫滕·梅爾達爾所奠定的化學反應(yīng)基礎(chǔ)。除了優(yōu)雅、精巧、新穎和有用之外，他們的發(fā)現(xiàn)也給人類帶來了最大的益處。
來源：環(huán)球科學
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