諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家,美國科學(xué)家巴里·沙普利斯系二度獲獎(jiǎng)
2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉!美國丹麥三位科學(xué)家因發(fā)展了點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲獎(jiǎng)。
北京時(shí)間10月5日下午,瑞典皇家科學(xué)院宣布,美國學(xué)者Carolyn R. Bertozzi(卡羅琳·貝爾托西), 丹麥學(xué)者M(jìn)orten Meldal(莫騰·梅爾達(dá)爾),美國學(xué)者K. Barry Sharpless(巴里·沙普利斯)獲2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。其中,Sharpless教授、Meldal教授因在點(diǎn)擊化學(xué)(click chemistry)研究中做出的卓越貢獻(xiàn)獲獎(jiǎng),Bertozzi教授則因開拓生物正交化學(xué)(bioorthogonal chemistry)領(lǐng)域而獲獎(jiǎng)。
值得關(guān)注的是,美國科學(xué)家K. Barry Sharpless(巴里·沙普利斯)曾獲得2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),此次是第二次獲得化學(xué)獎(jiǎng)。
此前,在諾貝爾獎(jiǎng)百年歷史上,只有居里夫人(Marie Curie)、約翰·巴丁(John Bardeen)和弗雷德里克·桑格爾(Frederick Sanger)三人曾經(jīng)兩次獲得科學(xué)獎(jiǎng)。桑格爾是1958年和1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主,這是42年后,諾獎(jiǎng)再次“梅開二度”。
解讀>>
劃時(shí)代的“點(diǎn)擊化學(xué)”
大自然是人類最好的老師,生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸(DNA、RNA)大分子為生命的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與延續(xù)提供了重要的保障。盡管這兩種大分子的種類繁多復(fù)雜,但組成其結(jié)構(gòu)的基本單元卻很精簡。蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元為氨基酸,核酸則為核苷酸,前者有20種,后者只有5種。但這些結(jié)構(gòu)單元可以通過不同的次序、空間取向進(jìn)行排列,得到成千上萬種行使不同功能的生命大分子,進(jìn)而形成我們眼中的大千世界。這種組合方式有些像樂高玩具,基礎(chǔ)模塊的種類并不多,但可以憑借豐富的想象力搭建出變化無窮的造型。
▲很多生物大分子的結(jié)構(gòu)就像樂高玩具,造型千變?nèi)f化,基礎(chǔ)模塊的種類卻并不多(圖片來源:123RF)
樂高積木可以通過一個(gè)模塊的凹槽與另一個(gè)模塊的凸起契合完成兩個(gè)組件的拼接。類似的,化學(xué)家也希望找到一種合適的“分子接口”,眾多分子中只要這兩種基團(tuán)相遇,便可以像搭扣一樣“click”(咔嗒)一聲將兩種分子緊鎖在一起。如此一來,小分子砌塊只需要分別修飾這些咬合接口,便可以實(shí)現(xiàn)兩兩拼接,進(jìn)而構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大分子。
時(shí)間回到2001年。就在Sharpless教授第一次榮膺諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的四個(gè)月前,他的另一篇重磅論文發(fā)表在了知名期刊Angewandte Chemie International Edition上。在這篇論文中,他與同事們寫道:“考察自然界的分子,表明相比碳-碳鍵,自然界更喜歡碳-雜原子鍵?!睙o論是核酸、蛋白質(zhì)、還是多糖,都是由小型分子通過碳-雜原子鍵拼接起來的,而這些小型分子的總數(shù)量僅在35個(gè)左右。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……
▲這篇論文目前已被引用超過14000次(圖片來源:參考資料[2])
于是,點(diǎn)擊化學(xué)(click chemistry)的概念應(yīng)運(yùn)而生,其強(qiáng)調(diào)以碳-雜原子鍵鍵合的方式進(jìn)行分子組合,與此同時(shí)反應(yīng)需具備產(chǎn)率高、適用性廣、副產(chǎn)物無害等特點(diǎn),這也正符合Sharpless教授一直倡導(dǎo)的“簡單而有用的化學(xué)”。
通常我們所說的點(diǎn)擊反應(yīng),即是指1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng),又叫作Huisgen環(huán)化反應(yīng)。該反應(yīng)最早由德國化學(xué)家Rolf Huisgen教授(已于2020年去世,享年100歲)提出,他發(fā)現(xiàn)炔烴與疊氮化物混合時(shí)可發(fā)生[3+2]環(huán)化,從而得到五元雜環(huán)化合物。不過,這一反應(yīng)需要在高溫條件下進(jìn)行,并且以不對稱的炔烴作為底物時(shí),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩種區(qū)域異構(gòu)體混合物。顯然,分子在反應(yīng)體系中“煮”一遍,很多敏感的官能團(tuán)會(huì)出現(xiàn)不兼容的現(xiàn)象,由此便限制了底物的適用范圍。加上得到的產(chǎn)物為混合物,效率較低,也為后續(xù)分離帶來了麻煩,并不符合點(diǎn)擊化學(xué)的理念。
▲Huisgen環(huán)化反應(yīng):一個(gè)經(jīng)典的“點(diǎn)擊化學(xué)”反應(yīng)(圖片來源:By Greginnd [Public domain], from Wikimedia Commons)
但這個(gè)問題可通過使用Cu(I)催化劑得以解決。2002年,Sharpless教授與Fokin教授合作報(bào)道了Cu(I)催化末端炔烴與疊氮化物的環(huán)加成反應(yīng)。同年,Meldal教授也將末端炔烴負(fù)載在樹脂基底上,在Cu(I)催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)了其與疊氮化物的環(huán)化。這兩項(xiàng)工作使得反應(yīng)在室溫條件下便可進(jìn)行,且具有良好的區(qū)域選擇性,最終主要得到單一的環(huán)化產(chǎn)物,成功實(shí)現(xiàn)了對Huisgen環(huán)化反應(yīng)的改良。
▲Sharpless教授與Fokin教授的工作(上),以及Meldal教授的工作(下)(圖片來源:參考資料[3])
這類反應(yīng)的底物適用范圍十分廣泛。將炔烴與疊氮化物的取代基進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q,便可以實(shí)現(xiàn)多種不同分子的構(gòu)建。目前,點(diǎn)擊反應(yīng)已在藥物研發(fā)、功能材料、超分子自組裝、化學(xué)生物學(xué)等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。毫不夸張地講,該反應(yīng)就是人們一直尋找的那種“分子接口”,改變了合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)分子的命運(yùn)。
“(2001年)諾貝爾獎(jiǎng)證書上的墨印還沒有干透,他就提出了點(diǎn)擊化學(xué)的概念和實(shí)例。這一概念在化學(xué)和化學(xué)生物的偶聯(lián)反應(yīng)中,已經(jīng)占據(jù)了統(tǒng)治性的地位?!痹赟harpless教授斬獲2019年美國化學(xué)會(huì)最高榮譽(yù)普里斯特利獎(jiǎng)?wù)拢≒riestley Medal)時(shí),科學(xué)家們就已對點(diǎn)擊化學(xué)的重要意義做了很好的總結(jié)。今日點(diǎn)擊化學(xué)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的垂青,可謂實(shí)至名歸。兩位作為該領(lǐng)域代表的杰出科學(xué)家得此殊榮,也是對他們貢獻(xiàn)的最好認(rèn)可。
生物正交化學(xué)
自然界中,生物體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)過程吸引了化學(xué)家和生物學(xué)家的共同興趣。然而,構(gòu)成生命的基本單元——細(xì)胞,是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng),時(shí)刻發(fā)生著無數(shù)反應(yīng),要在活體內(nèi)研究核酸、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等眾多生物分子極具挑戰(zhàn),尤其是,如何在不受任何其他過程干擾的情況下研究目標(biāo)分子。
▲2008年,開發(fā)GFP的三位科學(xué)家同樣獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(圖片來源:The Nobel Prize in Chemistry 2008. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Tue. 8 Oct 2019.)
化學(xué)和生物交叉領(lǐng)域的一些科學(xué)家為此開發(fā)新工具和方法,一個(gè)典型的例子就是我們已熟悉的發(fā)光蛋白(例如綠色熒光蛋白GFP)。以基因編碼的發(fā)光蛋白作為標(biāo)簽,與感興趣的蛋白相連,讓我們看到蛋白的運(yùn)動(dòng)、定位、相互作用等。發(fā)現(xiàn)和發(fā)展GFP的三位科學(xué)家也因此在2008年榮膺諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
不過,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,需要發(fā)展其他的手段實(shí)現(xiàn)多聚糖、脂質(zhì)、核酸等生物分子的標(biāo)記。
生物正交化學(xué)的概念便是在這樣的背景下產(chǎn)生的。這類反應(yīng)要求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,即不產(chǎn)生細(xì)胞毒性。發(fā)展該反應(yīng)的目的不僅在于充分理解生物體內(nèi)已知的反應(yīng),更是為了發(fā)現(xiàn)其中的新反應(yīng)。正如Carolyn Bertozzi教授在2011年Accounts of Chemical Research期刊的一篇文章中總結(jié)回顧:
“生物正交反應(yīng)可以幫助人們更準(zhǔn)確地理解生物化學(xué)反應(yīng)過程中分子層面的細(xì)節(jié),而要在如此復(fù)雜的環(huán)境下研究生物分子,就需要引入相應(yīng)的成像探針、親和性試劑或者具有特定功能的基團(tuán)?!?/p>
▲2011年發(fā)表的綜述文章概述了生物正交化學(xué)十余年發(fā)展的歷程(圖片來源:參考資料[7])
Bertozzi教授在這一交叉領(lǐng)域做出的開拓性貢獻(xiàn)與她的經(jīng)歷分不開。她在哈佛大學(xué)獲得化學(xué)學(xué)士學(xué)位后,在加州大學(xué)伯克利分校完成化學(xué)博士研究,專注于低聚糖類似物的化學(xué)合成。低聚糖是一類結(jié)構(gòu)多樣的分子,在細(xì)胞識(shí)別和細(xì)胞結(jié)合中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞表面的糖鏈分子可以用于免疫系統(tǒng)過程,有助于識(shí)別細(xì)菌和病毒感染。順理成章地,在博士后期間,Bertozzi教授進(jìn)入免疫學(xué)領(lǐng)域,關(guān)注與促炎反應(yīng)有關(guān)的細(xì)胞粘附,積累了大量關(guān)于細(xì)胞生物學(xué)的知識(shí)。因?yàn)樵诩?xì)胞相互作用方面做出的貢獻(xiàn),1999年,33歲的她成為麥克阿瑟天才獎(jiǎng)歷史上最年輕的獲獎(jiǎng)?wù)咧弧?/p>
▲生物正交反應(yīng)的示意圖(圖片來源:public domain)
在此基礎(chǔ)上,Bertozzi教授開始尋找適合不同類型生物分子的標(biāo)記方式。生物正交反應(yīng)的基本策略,是將細(xì)胞或生物體與修飾特定功能基團(tuán)的前體分子(化學(xué)報(bào)告分子)共同孵育。這種前體分子可以是用于標(biāo)記多聚糖的單糖、標(biāo)記核酸的核苷酸、標(biāo)記蛋白質(zhì)的氨基酸以及標(biāo)記脂質(zhì)的脂肪酸等。一旦化學(xué)報(bào)告分子引入目標(biāo)生物分子中,就可以利用探針分子對其進(jìn)一步處理,研究給定的生物化學(xué)過程。由于細(xì)胞內(nèi)主要的介質(zhì)為水,該類反應(yīng)需要能在水作為溶劑的條件下進(jìn)行。同時(shí),目標(biāo)生物分子在生物體內(nèi)濃度通常較低,化學(xué)報(bào)告分子在此情況下仍具備順利結(jié)合靶標(biāo)分子的能力,并滿足一定的反應(yīng)速率。
Bertozzi教授發(fā)展的生物正交反應(yīng)借鑒了Staudinger還原(Staudinger Reduction)反應(yīng),該反應(yīng)最早由德國化學(xué)家Hermann Staudinger先生提出,疊氮化物與有機(jī)膦或亞磷酸酯反應(yīng)得到氮雜葉立德(aza-ylide)中間體,進(jìn)一步水解便可形成相應(yīng)的胺類產(chǎn)物。這兩類物質(zhì)在生物體內(nèi)并不存在,因此不會(huì)與其他生物分子發(fā)生反應(yīng)。此外,疊氮基團(tuán)體積小,可以最小程度地影響被修飾的目標(biāo)生物分子,更真實(shí)地還原生物化學(xué)過程。
▲經(jīng)典的Staudinger還原反應(yīng)的過程(圖片來源:參考資料[8])
于是,他們設(shè)計(jì)了Staudinger連接(Staudinger Ligation)反應(yīng),其反應(yīng)過程如下圖所示:三芳基膦1的其中一個(gè)芳香基團(tuán)鄰位修飾一個(gè)酯基,同時(shí)標(biāo)記了探針基團(tuán)。修飾疊氮基團(tuán)的目標(biāo)生物分子與之反應(yīng)后形成氮雜葉立德中間體2,酯基進(jìn)而捕獲該中間體發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化,形成相應(yīng)的內(nèi)酰胺中間體3,隨后在水性環(huán)境下水解得到最終酰胺基修飾的靶標(biāo)分子4。內(nèi)酰胺中間體3可謂該反應(yīng)的核心,常規(guī)的Staudinger還原反應(yīng)在得到氮雜葉立德中間體2后直接水解得到氨基修飾的靶標(biāo)分子,無法引入探針基團(tuán)。
▲生物正交反應(yīng)Staudinger連接反應(yīng)的過程(圖片來源:參考資料[9])
有了以上工作的啟發(fā),許多研究者紛紛加入到生物正交反應(yīng)的研究中。一系列不同的生物正交反應(yīng)相繼涌現(xiàn),并在蛋白質(zhì)、多聚糖、脂質(zhì)、核酸等生物分子的選擇性標(biāo)記中得到了廣泛的應(yīng)用。毫不夸張地講,生物正交反應(yīng)的提出為生物體內(nèi)原位研究生物化學(xué)過程提供了重要的手段,具有劃時(shí)代的意義。
如今,Carolyn R. Bertozzi教授作為該反應(yīng)的重要開拓者。摘取諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的桂冠,也同樣是對其在化學(xué)生物學(xué)中貢獻(xiàn)的最好褒獎(jiǎng)。
Tips:
兩次獲得諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家
居里夫人(Marie Curie):1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
約翰·巴丁(John Bardeen):1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
弗雷德里克·桑格爾(Frederick Sanger):1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng);1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless):2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng);2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
(內(nèi)容來自諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)、“藥明康德”微信公眾號(hào))