有時，簡單的就是最好的！點擊化學也這樣證明

1 0月5日 下 午，2022年諾貝爾化學獎授予美國化學家CarolynR·Bertozzi，丹麥化學家MortenMeldal和美國化學家K·BarrySharpless，以表彰他們?yōu)辄c擊化學和生物正交化學的發(fā)展做出的貢獻。其中，Sharpless是第二次獲得諾獎。

BarrySharpless和MortenMeldal將化學帶入了功能主義時代，并奠定了點擊化學的基礎(chǔ)。CarolynBertozzi則將點擊化學帶入了一個新的維度，并開始使用它來繪制細胞圖。她的生物正交反應(yīng)已實現(xiàn)了包括促進更有針對性的癌癥療法開發(fā)的多種應(yīng)用。而點擊化學的出現(xiàn)也闡明：有時簡單的答案是最好的。

2022年諾貝爾化學獎得主。圖源：諾貝爾獎委員會官網(wǎng)

何為點擊化學

自18世紀現(xiàn)代化學誕生以來，許多化學家都將大自然作為模仿對象。在植物、微生物和動物中發(fā)現(xiàn)的驚人分子結(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部分，因為許多藥物的開發(fā)靈感就來自天然物質(zhì)。

數(shù)個世紀以來積累的化學知識證明了這一價值。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，而每個步驟都會或多或少產(chǎn)生一些不需要的副產(chǎn)品。為了得到目標化合物，在后續(xù)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，以致反應(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。今年的諾貝爾化學獎就關(guān)乎于尋找新的理想的化學，讓簡單性和功能性優(yōu)先。

作為滾動雪球的第一人，BarrySharpless在2001年提出了點擊化學的概念，在點擊化學中，分子模塊能夠快速有效地結(jié)合在一起。當MortenMeldal和BarrySharpless分別獨立地發(fā)現(xiàn)了點擊化學的精髓——銅催化疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)時，雪球變成了雪崩。

具體來說，2001年，就在Sharpless教授第一次榮獲諾貝爾化學獎的幾個月前，他在一知名期刊上發(fā)文主張在化學中采用一種新的極簡主義方法。他認為化學家們是時候停止模仿天然分子了，因為這往往使他們遭遇難以駕馭的分子合成，并且在新藥研發(fā)中也構(gòu)成了障礙。其中，絆腳石之一是碳原子間形成的化學鍵。原則上，所有生物分子都具有連接碳原子框架，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非常困難。因為，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，需要通過人工來激活它們，這種活化通常會導致許多不必要的副反應(yīng)和原料損失。

Sharpless沒有勉強碳原子相互發(fā)生反應(yīng)，而是從已經(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）就能避免許多副反應(yīng)，同時讓原料損失降至最小。

這種構(gòu)建分子的穩(wěn)健方法即為“點擊化學”。Sharpless認為，即使點擊化學不能提供天然分子的精確副本，但也有可能找到具有相同功能的分子。此外，結(jié)合簡單的化學“堆樂高”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年的文章中， Sharpless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，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“完美”反應(yīng)——銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成，這將在一個丹麥實驗室中被發(fā)現(xiàn)。

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，Meldal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)建了可能包含數(shù)十萬種不同物質(zhì)的巨大分子庫，然后通過篩選，看它們中的任何一種是否可以阻斷致病過程。

在此過程中，他和同事在某一天進行了一種極為常規(guī)的反應(yīng)：讓炔烴與酰鹵反應(yīng)。如果添加一些銅離子，或許還有一小撮鈀作為催化劑，反應(yīng)通常會很順利。但當Meldal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。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的化學基團，疊氮化物與炔烴一起形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，即三唑（下圖）。

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。Meldal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)。在Meldal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。

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)用以簡單的方式將分子連接在一起。圖源：諾貝爾獎委員會官網(wǎng)

2001年6月，Meldal在圣迭哥的一次研討會上首次展示了他的發(fā)現(xiàn)。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。同一年，Sharpless也獨立于Meldal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Sharpless認為它的潛力十分巨大，建議化學家使用該反應(yīng)來連接不同的分子。

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，那么后期更新材料就變得很簡單了：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，Sharpless沒有預料到的是，它會被用于生物領(lǐng)域。

圖源：諾貝爾獎委員會官網(wǎng)

生物正交化學

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。

然而，有一組分子幾乎沒有受到任何關(guān)注，那就是聚糖。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這座高峰，CarolynBertozzi便是其中之一。

在20世紀90年代初，Bertozzi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。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，Bertozzi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。Bertozzi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”的。

簡單來說，在1997年，Bertozzi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)——Staudinger反應(yīng)，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?，她已經(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Staudinger反應(yīng)可以通過多種方式來繪制細胞圖譜，但Bertozzi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。

當時，Meldal和Sharpless發(fā)現(xiàn)的點擊化學反應(yīng)在化學家中流傳開來，Bertozzi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，然后證明了它可以用來追蹤多聚糖（下圖）。

圖源：諾貝爾獎委員會官網(wǎng)

這項里程碑發(fā)現(xiàn)也是一些更偉大發(fā)現(xiàn)的起點。Bertozzi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。

Bertozzi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，Bertozzi和同事們創(chuàng)造了一類新型的生物藥物。他們將聚糖特異性抗體加入到分解腫瘤細胞表面聚糖的酶中。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。

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，即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Sharpless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深受貴格會信徒簡單的價值觀影響。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’?！边@4個贊美的詞都是必要的，都能公正地贊美Sharpless、Bertozzi和Meldal所奠定的化學反應(yīng)基礎(chǔ)。除了優(yōu)雅、精巧、新穎和有用，他們的發(fā)現(xiàn)也給人類帶來了極大的益處。