“咔噠化學(xué)”斬獲諾獎(jiǎng)，讓化學(xué)反應(yīng)如此簡單高效！這是實(shí)用科學(xué)的勝利
點(diǎn)擊化學(xué)與生物正交化學(xué)斬獲諾獎(jiǎng)，是實(shí)用科學(xué)的勝利。不是鼠標(biāo)“點(diǎn)擊”，更像安全帶搭扣，“咔噠化學(xué)”如何讓化學(xué)反應(yīng)更簡單高效？
撰文/記者 王雪瑩
科學(xué)的目的是什么？2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)給出了它們的理解——化繁為簡，讓本來困難的事情可以變得簡單。出于這個(gè)原因，在點(diǎn)擊化學(xué)（click chemistry）領(lǐng)域取得了杰出成就的巴里·夏普利斯（Barry Sharpless）、莫騰·梅爾達(dá)（Morten Meldal），以及開拓了生物正交化學(xué)新領(lǐng)域的卡羅琳·貝爾托西（Carolyn R. Bertozzi），共同分享了本屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)桂冠。其中，巴里·夏普利斯是第二次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)——他曾于2001因在手性催化氧化反應(yīng)領(lǐng)域所取得的杰出成就而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，21年后的今天，他再次書寫了歷史，成為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)歷史上第二個(gè)“梅開二度”的獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>
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為什么是點(diǎn)擊化學(xué)？
大千世界紛繁多變，但本質(zhì)上都離不開生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸，它們是生命之所以能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)與延續(xù)的關(guān)鍵。對于這兩種大分子而言，雖然組成其結(jié)構(gòu)的基本單元非常簡單——不過是氨基酸和核苷酸，但它們就好比一塊塊最基本的樂高積木，只要通過不同的排列組合順序，就能“拼搭”出成千上萬種造型——有著不同功能的大分子，進(jìn)而形成變化無窮的不同的生命體。
然而，不同于樂高積木通過凹槽就可以簡單地拼接在一起，微小的分子模塊想要如此簡單、快速地被鏈接在一起并不容易，而點(diǎn)擊化學(xué)的出現(xiàn)恰恰解決了這個(gè)難題。
點(diǎn)擊化學(xué)，強(qiáng)調(diào)以碳-雜原子鍵鍵合的方式進(jìn)行分子組合。簡單來講，它旨在通過分子小單元的拼接，快速可靠地實(shí)現(xiàn)各種分子的化學(xué)合成。對于科學(xué)家而言，點(diǎn)擊化學(xué)讓他們能夠只通過幾個(gè)“絕佳”的化學(xué)反應(yīng)，就能夠?qū)⒉煌姆肿幽K快速、可靠地鏈接起來，從而構(gòu)建出具有不同功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的完整分子。而這一類“絕佳”的化學(xué)反應(yīng)不僅要瞬時(shí)、高效，且發(fā)生的條件不能太苛刻，最好是在溫和的條件下——比如室溫和水溶液中就可以進(jìn)行。與此同時(shí)，它反應(yīng)產(chǎn)生的分子立體構(gòu)象也要非常單一，只有這樣，在鏈接分子模塊時(shí)，小分子模塊才能精準(zhǔn)地兩兩拼接，像汽車安全帶的搭扣一樣，“咔噠（click）”一聲，左右緊緊地卡在一起，沒有一絲錯(cuò)位——并非人們出于文化差異而理解的“用鼠標(biāo)點(diǎn)擊（click）一下，化學(xué)反應(yīng)就發(fā)生了”。
△當(dāng)銅離子加入，疊氮化物和炔烴的反應(yīng)會(huì)變得更為高效
對于點(diǎn)擊化學(xué)來說，它是一種更重視功能性和實(shí)用性的化學(xué)。它的優(yōu)點(diǎn)非常多，如反應(yīng)產(chǎn)率高、適用性廣、副產(chǎn)物無害、模塊式合成簡單、反應(yīng)速度快且選擇性高等等?？梢哉f，它的出現(xiàn)使化學(xué)家能夠精準(zhǔn)地按照自己的預(yù)測進(jìn)行分子合成，更加輕松且系統(tǒng)地構(gòu)造出人們想要的龐大且復(fù)雜的化學(xué)空間。
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點(diǎn)擊化學(xué)發(fā)展史：在艱難中成長
縱觀點(diǎn)擊化學(xué)的發(fā)展之路，絕非一片坦途。這一概念最早由德國化學(xué)家羅浮·惠思根（Rolf Huisgen）教授提出，他在偶然中發(fā)現(xiàn)，炔烴與疊氮化物混合時(shí)會(huì)發(fā)生[3+2]環(huán)化反應(yīng)，并得到五元雜環(huán)化合物。彼時(shí)，羅浮·惠思根的這一發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度有著非?？量痰囊螅宜玫漠a(chǎn)物也多為混合物，需要人們后續(xù)進(jìn)一步分離提取，效率非常低。
盡管尚不完美，但為了紀(jì)念這個(gè)有著缺陷卻又十分經(jīng)典的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，人們決定將之稱為Huisgen環(huán)化反應(yīng)，即1,3-偶極加成。
到了二十一世紀(jì)初，巴里·夏普利斯教授和莫騰·梅爾達(dá)教授分別獨(dú)立報(bào)告了一價(jià)銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)（CuAAC 反應(yīng)），后者不僅遵循了點(diǎn)擊反應(yīng)的選擇性原則，產(chǎn)率高，應(yīng)用范圍廣，而且是對Huisgen環(huán)化反應(yīng)的一次重要改良——不僅反應(yīng)條件不再如此苛刻，即在室溫條件下就可以進(jìn)行，而且所得的產(chǎn)物也是更為單一的環(huán)化產(chǎn)物。換而言之，一個(gè)真正高效、可靠、快速的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)終于誕生了。
然而，故事到這里并未結(jié)束——很少有人相信，點(diǎn)擊化學(xué)在誕生之初，險(xiǎn)些被扼殺于襁褓之中：2001年，還未獲得自己第一塊諾貝爾獎(jiǎng)牌的巴里·夏普利斯，正在焦灼地等待國際頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》對自己投稿的回信。在他題為“點(diǎn)擊化學(xué)：從幾個(gè)最佳化學(xué)反應(yīng)而來的多樣化化學(xué)功能”論文中，他突破性地指出，“相比于碳-碳鍵，自然界更喜歡碳-雜原子鍵……如果人類能將這套法則學(xué)到手，就能快速并可靠地合成大量有用的分子”。
在此之前，點(diǎn)擊化學(xué)在學(xué)術(shù)界為許多人所不能接受，巴里·夏普利斯的論文也因此屢屢碰壁——曾慘遭業(yè)內(nèi)三位重量級審稿人的“全票否決”。然而，命運(yùn)女神這一次給巴里·夏普利斯投來了橄欖枝——《德國應(yīng)用化學(xué)》主編格里茲（Peter G?litz）在深思熟慮后力排眾議，同意發(fā)表他這篇“不走尋常路”的論文。盡管開始得有些艱難，但經(jīng)此一遭，點(diǎn)擊化學(xué)終于獲得了自己學(xué)院派的“敲門磚”，讓越來越多的人開始了解它。
在發(fā)現(xiàn)CuAAC是一類重要的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)后，巴里·夏普利斯并沒有停下腳步，他又與中國學(xué)者董佳家共同合作，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)接近完美的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)——六價(jià)硫氟交換反應(yīng)（SuFEx），而這一次的成功也見證了他與中國的奇妙緣分。
原來，早在上世紀(jì)八十年代末期，巴里·夏普利斯就曾來到中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所（以下簡稱上海有機(jī)所）進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，自此，他的實(shí)驗(yàn)室里總會(huì)出現(xiàn)中國學(xué)者的身影。點(diǎn)擊化學(xué)的發(fā)展離不開含氟化合物，而氟化學(xué)研究一直是上海有機(jī)所的強(qiáng)項(xiàng)。為此，2015年已是諾獎(jiǎng)獲得者的巴里·夏普利斯主動(dòng)給中國科學(xué)院院士、上海有機(jī)所研究員戴立信致信，表示希望與上海有機(jī)所合作建立實(shí)驗(yàn)室，他在信中表示，“我需要真正‘有機(jī)所式’的化學(xué)家們管理此類合作……我喜歡有機(jī)所的化學(xué)風(fēng)格幾十年了。”
△夏普利斯與中國學(xué)生探討學(xué)術(shù)問題。來源：文匯報(bào)
如今，巴里·夏普利斯每年至少有一個(gè)月都會(huì)來到上海工作，他與中國學(xué)術(shù)界的合作也日益深化，在拓展諸如與上海交通大學(xué)、上海中醫(yī)藥大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)等高?？蒲性核暮献魍?，他還時(shí)常推薦優(yōu)秀的中國學(xué)生前往美國斯克里普斯研究所開展課題合作研究……在點(diǎn)擊化學(xué)發(fā)展的道路上，中國力量正在崛起。
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生物正交化學(xué)：神不知鬼不覺的“跟蹤”
時(shí)至今日，點(diǎn)擊反應(yīng)早已不是“異端分子”，而被廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)、功能材料、超分子自組裝、化學(xué)生物學(xué)等諸多領(lǐng)域，它的出現(xiàn)既改變了合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)分子的命運(yùn)，更為人類推開了一個(gè)化繁為簡、改難為易的新世界大門。與此同時(shí)，隨著點(diǎn)擊化學(xué)的發(fā)展，人們又將它帶到了一個(gè)全新的層面——生物正交化學(xué)反應(yīng)。
作為點(diǎn)擊反應(yīng)的一個(gè)子集，生物正交反應(yīng)是發(fā)生在生物體中的一種有用化學(xué)反應(yīng)。人們不禁要問，研究生物正交化學(xué)反應(yīng)的意義又是什么呢？這就不得不從生命系統(tǒng)說起。
眾所周知，生命體由無數(shù)相互影響的生物大分子、代謝產(chǎn)物和各種離子組成。對于生命系統(tǒng)來說，具體的某種物質(zhì)到底發(fā)揮著怎樣的作用？它是如何跟其他物質(zhì)“合作”的？不同于我們可以隔著透明的魚缸觀察魚類那么簡單，科學(xué)家想要在生命系統(tǒng)中觀察這些生物分子的化學(xué)反應(yīng)是很難的。因此，科學(xué)家需要一種特殊的方法，能使他們既不干擾生物系統(tǒng)的正常工作，又能清楚地觀察生物體內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)。
為此，科學(xué)家們最初想到了打標(biāo)記的辦法——基因編輯蛋白質(zhì)，使其通過與綠色熒光蛋白質(zhì)結(jié)合而被打上標(biāo)記，從而方便科學(xué)家跟蹤被標(biāo)記物的結(jié)構(gòu)、功能、相互作用和運(yùn)動(dòng)軌跡。但這個(gè)方法有著明顯的缺陷：標(biāo)記物蛋白往往很笨重，很容易影響被標(biāo)記的生物分子，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，還有很多生物分子以及分子各種各樣的修飾，很難用基因編碼的報(bào)告分子來示蹤……簡而言之，簡單的熒光蛋白標(biāo)記法已經(jīng)無法滿足人類的科研需要了。在這種情況下，生物正交化學(xué)反應(yīng)應(yīng)運(yùn)而生。
△卡羅琳·貝爾托西在論文中對生物正交化學(xué)反應(yīng)的解釋
一個(gè)典型的生物正交化學(xué)反應(yīng)，是指一個(gè)很小的、簡單的功能基團(tuán)（如磷酸基團(tuán)），利用活體生命系統(tǒng)（如細(xì)胞等）自身的生物合成方式，整合到目標(biāo)生物分子上。具體來說，科學(xué)家讓兩個(gè)特定的小分子在活體細(xì)胞環(huán)境中相互作用，先形成反應(yīng)類型單一卻又彼此相連的“橋梁”，再讓其中一個(gè)小分子與目標(biāo)生物大分子整合，完成對“跟蹤目標(biāo)”的標(biāo)記，另一個(gè)小分子則與熒光或者顯色等化學(xué)標(biāo)記物結(jié)合，通過兩個(gè)小分子的“橋梁”，間接卻又直觀地報(bào)告體內(nèi)被標(biāo)記了的“跟蹤目標(biāo)”的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
在這個(gè)過程中，小分子和目標(biāo)生物大分子的整合是借助生物體內(nèi)已有的生化反應(yīng)，因而不會(huì)影響到反應(yīng)本身。換而言之，生物正交化學(xué)反應(yīng)要求的，就是在研究活體生物系統(tǒng)內(nèi)給定的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，不會(huì)干擾其中固有的生物化學(xué)過程，不產(chǎn)生細(xì)胞毒性，所謂的“正交”，指的就是互不干涉、互不影響。
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跨學(xué)科成才，無心插柳柳成蔭
談到生物正交化學(xué)反應(yīng)，一定離不開一個(gè)人——卡羅琳·貝爾托西。
2002年，巴里·夏普利斯和莫騰·梅爾達(dá)分別報(bào)告了CuAAC反應(yīng)，盡管對Huisgen環(huán)化反應(yīng)進(jìn)行了大改良，但它卻有一個(gè)隱患：銅催化劑在細(xì)胞反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)。有沒有什么方法可以不用銅來催化？懷揣著這樣一個(gè)問題，卡羅琳·貝爾托西和團(tuán)隊(duì)翻閱大量的資料，在不斷的試驗(yàn)中終于發(fā)現(xiàn)了一種名為環(huán)辛炔的有機(jī)化合物，其和疊氮化合物可以在生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)應(yīng)變促進(jìn)的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)，且無需催化劑。隨后，他們先后在蛋白質(zhì)、細(xì)胞上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果相當(dāng)理想。在這樣的大背景下，2003年，卡羅琳·貝爾托西和團(tuán)隊(duì)正式創(chuàng)立并提出了“生物正交化學(xué)反應(yīng)”這一術(shù)語，并在此后的歲月中一直引領(lǐng)著該領(lǐng)域的發(fā)展。
對于卡羅琳·貝爾托西而言，她更喜歡把自己稱為“糖生物學(xué)家”而非“化學(xué)家”或“生物學(xué)家”，而她之所以能取得如今開拓性的成果，或許恰是與她“跨學(xué)科”的經(jīng)歷密不可分。
本科時(shí)，卡羅琳·貝爾托西在哈佛大學(xué)學(xué)習(xí)化學(xué)，爾后又來到加州大學(xué)伯克利分校就讀化學(xué)博士，專注于低聚糖類似物的化學(xué)合成。作為彼時(shí)新型的研究領(lǐng)域，低聚糖其實(shí)是由多個(gè)單糖聚合而成的寡糖或多糖，通常位于蛋白質(zhì)和細(xì)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(xì)胞或激活免疫系統(tǒng)時(shí)。由于有了這樣的研究背景，卡羅琳·貝爾托西在博士后期間順理成章地選擇了免疫學(xué)，并此期間積累了大量細(xì)胞生物學(xué)知識——誰也沒有想到，正是博后的這段“不一樣”的經(jīng)歷，卻為她日后在生物正交化學(xué)領(lǐng)域取得開拓性成就提供了可能。
原來，在讀博士后期間，卡羅琳·貝爾托西想要繪制一種能夠?qū)⒚庖呒?xì)胞吸引到淋巴結(jié)的聚糖的圖譜，然而在實(shí)驗(yàn)中她卻發(fā)現(xiàn)，想在生物系統(tǒng)里研究好糖科學(xué)非常難——工具不稱手！那些老舊甚至“原始”的設(shè)備，根本沒法用來測量細(xì)胞和生物體。她急需一件更加先進(jìn)的工具來加快糖生物學(xué)的研究。
帶著這樣的決心，回到伯克利后卡羅琳·貝爾托西開始專門研發(fā)新的工具，使其能對人為引入到糖分子上的“探針”進(jìn)行成像。這項(xiàng)探索促成了代謝標(biāo)記法的誕生，在它的基礎(chǔ)上，卡羅琳·貝爾托西最終開拓性地提出了生物正交化學(xué)反應(yīng)這一新概念。
2004年，她和團(tuán)隊(duì)在知名期刊《美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》上發(fā)表論文，證明了無銅點(diǎn)擊反應(yīng)的應(yīng)用潛力，并在不久后證明其可用于追蹤多聚糖，這些都為提高改善癌癥藥物的靶向性提供了重要的理論。在此后的時(shí)間里，卡羅琳·貝爾托西一直在不斷升級改善她的點(diǎn)擊反應(yīng)理論，以使其在細(xì)胞環(huán)境中也能發(fā)揮很好的效果，并以此幫助人們更好地理解和探究疾病發(fā)生的過程。
在卡羅琳·貝爾托西團(tuán)隊(duì)研究成果的激勵(lì)下，生物正交化學(xué)領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，在眾多碩果之中，更不乏中國學(xué)者的身影。2014年，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院陳鵬團(tuán)隊(duì)首次提出了“生物正交剪切反應(yīng)”這一概念。五年后，該團(tuán)隊(duì)又再次在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》發(fā)表論文，提出了另一種生物正交剪切反應(yīng)并以此制備新藥，成功實(shí)現(xiàn)了對癌細(xì)胞的選擇性殺傷。
從點(diǎn)擊化學(xué)到生物正交化學(xué)，新的技術(shù)在源源不斷地出現(xiàn)——即便它們還存在著或多或少的瑕疵。然而，一切正如巴里·沙普利斯在2001年首次獲獎(jiǎng)時(shí)所說的，在過去，“優(yōu)雅、精巧”是化學(xué)的最高榮譽(yù)，如今，“新穎”又被人們提到了前所未有的高度去贊揚(yáng)，而在他看來，“有用”或許才是最重要的——是時(shí)候重新拾起科學(xué)研究的實(shí)用性和功用性了。
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