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诺贝尔化学奖:将化学带入功能主义时代

2022 年 10 月 5 日北京时间 17 时 45 分许,2022 年诺贝尔化学奖授予美国学者卡罗琳 · R. 贝尔托西,丹麦学者莫滕·梅尔达尔,美国学者K. 巴里·沙普利斯,以表彰他们 “对点击化学和生物正交化学的发展” 的贡献。

卡罗琳 · R. 贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi),1966 年出生于美国。1993 年在美国加利福尼亚大学伯克利分校获得博士学位。现任美国斯坦福大学 Anne T. 和 Robert M. Bass 教授。

莫滕·梅尔达尔(Morten Meldal),1954 年出生于丹麦。1986 年在丹麦技术大学获得博士学位。现任丹麦哥本哈根大学教授。

K. 巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless) 1941 年出生于美国宾夕法尼亚州费城。1968 年获得美国斯坦福大学博士学位。现任美国斯克里普斯研究中心的 W. M. Keck 教授。他曾因“手性催化氧化反应”与另两名学者分享 2001 年诺贝尔化学奖。此次获奖令他成为继弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger,蛋白质测序和 DNA 测序开创者)后,第二位两次获得诺贝尔化学奖的科学家。

有时简单的答案是最好的。巴里·沙普利斯和莫滕·梅尔达尔将化学带入了功能主义时代,并为点击化学(click chemistry)奠定了基础;他们与卡罗琳·R. 贝尔托西分享了 2022 年诺贝尔化学奖,后者将点击化学带到了全新的维度,并开始使用这一工具来绘制细胞图谱。贝尔托西开发的生物正交反应已实现了多种应用,包括促进更有针对性的癌症疗法的开发。

自18世纪现代化学诞生以来,许多化学家都将自然作为研究的模仿对象。生命本身就是自然界拥有创造化学复杂性的至高能力的最好证明。在植物、微生物和动物中发现的惊人的分子结构,促使研究人员尝试通过人工合成来构建相同的分子。在药物开发中,模仿天然分子通常也是一个重要的部分,因为开发许多药物的灵感就来自天然的物质。

数个世纪以来积累的化学知识证明了其价值。利用开发出的复杂工具,化学家现在可以在实验室中创造出各种极其惊人的分子。然而,一个具有挑战性的问题是,复杂的分子必须通过许多步骤才能构建出来,每个步骤都会产生不需要的副产品 —— 有时多,有时少。为了得到需要的化合物,在继续后续的反应工艺之前,这些副产品必须被清除。而对于那些合成难度大的化学结构,原料的损失可能极大,反应结束后产物几乎为零。化学家经常能实现具有挑战性的目标,但采用的路线可能既耗时又昂贵。2022 年诺贝尔化学奖关乎于寻找新的理想的化学,让简单性和功能性优先。

化学进入功能主义新时代

今天,巴里·沙普利斯获得了他的第二个诺贝尔化学奖。他是开始滚动雪球的第一人。大约在世纪之交时,他为一种功能性的化学创造了点击化学的概念。在点击化学中,分子模块能够快速有效地结合在一起。当莫滕·梅尔达尔和巴里·沙普利斯彼此独立地发现了点击化学皇冠上的明珠——铜催化叠氮化物-炔烃环加成反应(copper catalysed azide-alkyne cycloaddition)时,雪球变成了雪崩。

贝尔托西开发了可以应用于生物体内的点击反应。她的生物正交反应在生物体内应用时,可以在不干扰细胞正常的化学过程,目前正在全球范围内用于绘制细胞的功能图谱。一些研究人员现在正在研究如何利用这些反应来诊断和治疗癌症。现在让我们来看看通往 2022 年诺贝尔化学奖的两条线索中的第一条。

化学家需要新理想

解开这条线索的时间始于2001年,巴里·沙普利斯在这一年获得了第一个诺贝尔化学奖。然而,当他在一本科学杂志上主张在化学中采用一种新的极简主义方法时,一切都还没有发生。他认为化学家是时候停止模仿天然分子了——这往往使得化学家遭遇难以驾驭的分子合成,而这也在新药研发中构成了障碍。

当在自然界中发现了一种潜在的药物时,化学家通常可以制造少量的该物质,并其用于体外测试和临床试验。然后,如果后期需要工业生产,则需要达到更高的生产效率。沙普利斯使用一种强大的抗生素美罗培南(meropenem)作为例子——找到大规模生产这种分子的方法,全球的科学家大概花费了 6 年的研发时间。

“争吵”的分子,代价高昂

根据巴里·沙普利斯的说法,化学家的绊脚石之一是碳原子间形成的化学键,它对生命中的化学过程至关重要。原则上,所有生物分子都具有连接碳原子的框架。生命已经演化出创造这些物质的方法,但事实证明这对化学家来说是出了名的困难。原因是来自不同分子的碳原子之间通常缺乏形成键的化学驱动力,因此需要人工激活它们。这种活化通常会导致许多不必要的副反应和代价高昂的原料损失。

巴里·沙普利斯没有勉强碳原子相互发生反应,而是鼓励他的同事从已经具有完整碳骨架的较小分子开始。这些简单的分子可以通过更容易控制的氮桥或氧桥连接在一起。如果化学家选择简单的反应——分子结合在一起有很强的内在驱动力——就会避免许多副反应,同时让原料损失降至最小。

点击化学——具有巨大潜力的实用绿色化学

巴里·沙普利斯称这种构建分子的鲁棒方法为“点击化学”,他认为,即使点击化学不能提供天然分子的精确副本,也有可能找到具有相同功能的分子。结合简单的化学砌块可以创造出几乎无穷无尽的分子,因此他相信点击化学可以产生与天然药物具有类似功能的新型药物,并且可以在工业规模下生产。

在 2001 年的著作中,巴里·沙普利斯列出了属于点击化学的化学反应应该满足的几个标准。其中之一是反应应该能够在氧气,以及廉价且环保的溶剂——水中发生。

他还列举了几个已有的化学反应例子,他认为这些反应实现了他提出的新理论。然而,当时还没有人知道现在几乎成为点击化学同义词的绝妙反应——铜催化的叠氮化物-炔烃环加成。这将在丹麦的一个实验室中被发现。

改变化学的点击反应

当铜离子加入后,叠氮化物和炔烃的反应变得极为高效。这种反应现在被广泛应用,来以简单的方式将分子连接在一起。

梅尔达尔反应容器中的意外之物

很多时候,决定性的科学进步发生在研究人员最意想不到的时刻,莫滕·梅尔达尔就遇到了这种情况。本世纪初,他正在开发寻找潜在药物的方法。他构建了巨大的分子库,其中可能包含数十万种不同的物质,然后对它们进行筛选,看它们中的任何一种是否可以阻断致病过程。

在这个过程中,他和同事在某一天进行了一种极为常规的反应。你不需要记住这一点,只要知道他们的目的是让炔烃(alkyne)与酰卤(acyl halide)反应。如果化学家添加一些铜离子,或许还有一小撮钯作为催化剂,反应通常会很顺利。但当梅尔达尔分析反应容器中发生了什么时,他发现了一些意想不到的事情。事实证明,炔烃与酰卤分子错误的一端发生了反应。在另一端是一个称为叠氮化物(azide)的化学基团(如上图所示)。叠氮化物与炔烃一起形成环状结构,即三唑(triazole)。

这个反应有点特别

懂一些化学的人可能都知道三唑的化学结构非常有用,它们结构十分稳定,往往会出现在一些药物、染料和农业化学品中。由于三唑是理想的化学结构单元,研究人员此前曾尝试用炔烃和叠氮化物来制造它们,但这会导致不必要的副产物。莫滕·梅尔达尔发现铜离子可以控制反应的进行,基本只得到一种产物,那些本应与炔烃键合的酰卤也或多或少没有发生什么反应。这在梅尔达尔看来,叠氮化物和炔烃之间会发生反应很明显是不同寻常的。

2001 年 6 月,他在圣迭哥的一次研讨会上首次展示了他的发现。次年,也就是在 2002 年,他在一本学术期刊上发表了一篇文章,表示这种反应可用于将许多不同的分子结合在一起。

分子“啪嗒”一声,快速有效地结合在一起

同一年,巴里·沙普利斯(独立于莫滕·梅尔达尔)也发表了一篇用铜催化叠氮化物和炔烃发生反应的论文,这项研究表明该反应可在水中起作用并且是可靠的。他将其描述为“完美的”点击反应。叠氮化物就像一个被压紧的弹簧,其中的作用力由铜离子释放。这个过程很稳定,因此沙普利斯建议化学家使用该反应来连接不同的分子。他认为它的潜力十分巨大。回想起来,我们可以看出他是对的。现在,如果化学家想要连接两个不同的分子,他们就可以相对简单地使一个分子拥有一个叠氮基,同时在另一个分子中引入一个炔基。然后,在一些铜离子的帮助下,他们就可以将这两个分子结合在一起。

点击反应可以创造新材料

点击反应的简单性让它在实验室研究和工业生产中迅速流行了起来。而且,点击反应还有助于生产需要满足特定需求的新材料。例如,如果制造商在塑料或纺织品中添加了可发生点击反应的叠氮化物,那么后期的材料升级就变得很简单了,例如,这或许能使原料连接可导电、获取阳光、抗菌、防紫外线辐射或具有其他理想特性的物质,还可以通过点击反应,把软化剂固定在塑料中,来避免软化剂泄漏。在药物研究中,点击化学还可以用于生产和优化可能成为药物的物质。

有许多例子都可以说明点击反应的强大之处。然而,巴里·沙普利斯没有预料到的是,它会被用于生物领域。现在,让我们揭开 2022 年诺贝尔化学奖的第二条线索。

贝尔托西开始研究难以捉摸的碳水化合物

这条线索始于 20 世纪 90 年代,当时生物化学和分子生物学正在经历爆炸性的发展。利用分子生物学的新方法,世界各地的研究人员正在绘制基因和蛋白质图谱,试图了解细胞是如何工作的。那时的学界充满了开拓精神,每天都会出现未知领域的新知识。

然而,一组分子几乎没有受到任何关注:聚糖。聚糖是由多个单糖聚合而成的寡糖或多糖,通常位于蛋白质和细胞的表面。它们在许多生物过程中发挥着重要作用,例如在病毒感染细胞或激活免疫系统时。聚糖的确是一类有趣的分子,但问题是,分子生物学的新工具无法研究它们。因此,任何想了解聚糖如何工作的人都面临着巨大的挑战,只有少数研究人员准备尝试攀登那座山——贝尔托西就是其中之一。

贝尔托西有了一个绝妙的主意……

在 20 世纪 90 年代初,卡罗琳·贝尔托西开始绘制一种将免疫细胞吸引到淋巴结的聚糖的图谱。由于缺乏有效的工具,她需要数年时间才能了解这种聚糖如何发挥功能。这让她开始思考,有没有一种更好的方法让这个过程变得容易——她有了一个想法。在一次研讨会上,她听取了一位德国科学家的讲话,这位科学家解释了他如何成功地让细胞产生唾液酸(一类九碳单糖)的一种非天然变体,唾液酸是构成聚糖的糖类之一。因此,贝尔托西开始思考她是否可以使用类似的方法,让细胞生成具有某种化学抓手的唾液酸。修饰后的唾液酸能够参与构成不同的聚糖,她就能够使用化学抓手来定位它们。例如,她可以将荧光分子连接到手柄上。然后荧光就能显示出聚糖在细胞中所处的位置。

这是一段漫长而专注的开发工作的开端。贝尔托西开始在文献中搜索可能的化学抓手和相关化学反应。这不是一件容易的事,因为抓手不能与细胞中的任何其他物质发生反应。除了她将要连接到抓手上的分子之外,它必须对其他的一切物质都不敏感。她专门创造了一个术语来表达这个要求:抓手和荧光分子之间的反应必须是“生物正交”(bioorthogonal)的。

简单来说,在 1997 年,贝尔托西成功地证明了她的想法确实有效。新的突破发生在 2000 年,当时她找到了一个最佳的“化学抓手”:叠氮化物。她以巧妙的方式修改了一个已知的化学反应——斯陶丁格反应(the Staudinger reaction),并使用这种方法将一个荧光分子与她引入聚糖中的叠氮化物连接起来。由于叠氮化物不影响细胞,这种化合物甚至可以被引入生物体内。基于此,她已经在生物化学领域做出了一个重要的发现。通过这些化学过程,她改良的斯陶丁格反应可以通过多种方式来绘制细胞图谱,但贝尔托齐对此仍然不满意。她已经意识到,她使用的“化学抓手”——叠氮化物——还有更多的作用。

在旧的化学反应中注入新的生机

当时,莫滕·梅尔达尔和巴里·沙普利斯发现的点击化学反应在化学家中流传开来,卡罗琳·贝尔托西清楚地认识到,她使用的抓手——叠氮化物,只要存在铜离子,就能快速点击到一个炔基上。但问题是铜对生物是有毒的。因此,她再次从挖掘文献开始,发现早在 1961 年就有研究表明,如果一个环状的化学结构中存在炔基,即使没有铜的帮助,叠氮化物和炔基仍然可以以一种几乎爆炸式的方式反应。这个反应会释放很多能量,使得后续的反应也能顺利进行。

当她在细胞中进行测试时,反应效果很好。2004年,她发表了无铜点击反应,命名为应变促进炔叠氮化物环加成(strain-promoted alkyne-azide cycloaddition),然后证明了它可以用来追踪多聚糖(见上图)。

这项里程碑发现也是一些更伟大的发现的起点。卡罗琳·贝尔托西一直在改进她的点击反应,以使它在细胞环境中也能发挥很好的效果。与此同时,她和很多其他的研究人员开始利用这些反应探索细胞中的生物分子如何相互作用,并以此来研究疾病过程。

贝尔托西关注的一个方向就是是肿瘤细胞表面的聚糖。因为她的研究,人们开始认识到,肿瘤表面的一些聚糖似乎可以保护肿瘤免受人体免疫系统的伤害,因为它们会使免疫细胞无法发挥功能。为了抑制肿瘤的这种保护机制,贝尔托西和同事们创造了一类新型的生物药物。他们给一些酶添加了一些聚糖特异性抗体,通过抗体靶向肿瘤细胞表面的聚糖,而这些酶可以分解聚糖。这种药物目前正在晚期癌症患者身上进行临床试验。许多研究人员也已经开始开发出针对一系列肿瘤的点击性抗体。一旦抗体附着在肿瘤上,就会注射第二个能通过点击附着在抗体上的分子。例如,可以添加一种放射性同位素,这样可以通过PET扫描仪跟踪肿瘤,也可以给予癌细胞致死剂量的辐射。

优雅、精巧和新颖,但最重要的是有用

我们还不知道这些新疗法能否发挥效果——但有一件事是十分清楚的:这些研究刚刚揭示了点击化学和生物正交化学的巨大潜力。2001年,当巴里·沙普利斯在斯德哥尔摩进行第一次诺贝尔化学奖获奖演讲时,他谈到了自己的童年,他的童年深受贵格会信徒简单的价值观影响,这也影响了他的人生理想。他说:“当我开始做研究时,‘优雅’‘精巧’是化学的最高荣誉,现今‘新颖’被高度赞扬。不过,作为贵格会教徒,我最看重的是‘有用’。”这 4 个赞美的词都是必要的,都能公正地赞美他、卡罗琳·贝尔托西和莫滕·梅尔达尔所奠定的化学反应基础。除了优雅、精巧、新颖和有用之外,他们的发现也给人类带来了最大的益处。

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