“咔噠化學”斬獲諾獎，讓化學反應如此簡單高效！這是實用科學的勝利
點擊化學與生物正交化學斬獲諾獎，是實用科學的勝利。不是鼠標“點擊”，更像安全帶搭扣，“咔噠化學”如何讓化學反應更簡單高效？
撰文/記者 王雪瑩
科學的目的是什么？2022年諾貝爾化學獎給出了它們的理解——化繁為簡，讓本來困難的事情可以變得簡單。出于這個原因，在點擊化學（click chemistry）領域取得了杰出成就的巴里·夏普利斯（Barry Sharpless）、莫騰·梅爾達（Morten Meldal），以及開拓了生物正交化學新領域的卡羅琳·貝爾托西（Carolyn R. Bertozzi），共同分享了本屆諾貝爾化學獎桂冠。其中，巴里·夏普利斯是第二次獲得諾貝爾化學獎——他曾于2001因在手性催化氧化反應領域所取得的杰出成就而獲得諾貝爾化學獎，21年后的今天，他再次書寫了歷史，成為諾貝爾化學獎歷史上第二個“梅開二度”的獲獎者。
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為什么是點擊化學？
大千世界紛繁多變，但本質上都離不開生物體內的蛋白質和核酸，它們是生命之所以能夠正常運轉與延續(xù)的關鍵。對于這兩種大分子而言，雖然組成其結構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，而點擊化學的出現(xiàn)恰恰解決了這個難題。
點擊化學，強調以碳-雜原子鍵鍵合的方式進行分子組合。簡單來講，它旨在通過分子小單元的拼接，快速可靠地實現(xiàn)各種分子的化學合成。對于科學家而言，點擊化學讓他們能夠只通過幾個“絕佳”的化學反應，就能夠將不同的分子模塊快速、可靠地鏈接起來，從而構建出具有不同功能、結構復雜的完整分子。而這一類“絕佳”的化學反應不僅要瞬時、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行。與此同時，它反應產(chǎn)生的分子立體構象也要非常單一，只有這樣，在鏈接分子模塊時，小分子模塊才能精準地兩兩拼接，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，沒有一絲錯位——并非人們出于文化差異而理解的“用鼠標點擊（click）一下，化學反應就發(fā)生了”。
△當銅離子加入，疊氮化物和炔烴的反應會變得更為高效
對于點擊化學來說，它是一種更重視功能性和實用性的化學。它的優(yōu)點非常多，如反應產(chǎn)率高、適用性廣、副產(chǎn)物無害、模塊式合成簡單、反應速度快且選擇性高等等?？梢哉f，它的出現(xiàn)使化學家能夠精準地按照自己的預測進行分子合成，更加輕松且系統(tǒng)地構造出人們想要的龐大且復雜的化學空間。
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點擊化學發(fā)展史：在艱難中成長
縱觀點擊化學的發(fā)展之路，絕非一片坦途。這一概念最早由德國化學家羅浮·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會發(fā)生[3+2]環(huán)化反應，并得到五元雜環(huán)化合物。彼時，羅浮·惠思根的這一發(fā)現(xiàn)反應溫度有著非常苛刻的要求，且所得的產(chǎn)物也多為混合物，需要人們后續(xù)進一步分離提取，效率非常低。
盡管尚不完美，但為了紀念這個有著缺陷卻又十分經(jīng)典的點擊化學反應，人們決定將之稱為Huisgen環(huán)化反應，即1,3-偶極加成。
到了二十一世紀初，巴里·夏普利斯教授和莫騰·梅爾達教授分別獨立報告了一價銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應（CuAAC 反應），后者不僅遵循了點擊反應的選擇性原則，產(chǎn)率高，應用范圍廣，而且是對Huisgen環(huán)化反應的一次重要改良——不僅反應條件不再如此苛刻，即在室溫條件下就可以進行，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，一個真正高效、可靠、快速的點擊化學反應終于誕生了。
然而，故事到這里并未結束——很少有人相信，點擊化學在誕生之初，險些被扼殺于襁褓之中：2001年，還未獲得自己第一塊諾貝爾獎牌的巴里·夏普利斯，正在焦灼地等待國際頂級期刊《德國應用化學》對自己投稿的回信。在他題為“點擊化學：從幾個最佳化學反應而來的多樣化化學功能”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到手，就能快速并可靠地合成大量有用的分子”。
在此之前，點擊化學在學術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)內三位重量級審稿人的“全票否決”。然而，命運女神這一次給巴里·夏普利斯投來了橄欖枝——《德國應用化學》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，點擊化學終于獲得了自己學院派的“敲門磚”，讓越來越多的人開始了解它。
在發(fā)現(xiàn)CuAAC是一類重要的點擊化學反應后，巴里·夏普利斯并沒有停下腳步，他又與中國學者董佳家共同合作，進一步發(fā)現(xiàn)了第二個接近完美的點擊化學反應——六價硫氟交換反應（SuFEx），而這一次的成功也見證了他與中國的奇妙緣分。
原來，早在上世紀八十年代末期，巴里·夏普利斯就曾來到中科院上海有機化學研究所（以下簡稱上海有機所）進行學術交流，自此，他的實驗室里總會出現(xiàn)中國學者的身影。點擊化學的發(fā)展離不開含氟化合物，而氟化學研究一直是上海有機所的強項。為此，2015年已是諾獎獲得者的巴里·夏普利斯主動給中國科學院院士、上海有機所研究員戴立信致信，表示希望與上海有機所合作建立實驗室，他在信中表示，“我需要真正‘有機所式’的化學家們管理此類合作……我喜歡有機所的化學風格幾十年了。”
△夏普利斯與中國學生探討學術問題。來源：文匯報
如今，巴里·夏普利斯每年至少有一個月都會來到上海工作，他與中國學術界的合作也日益深化，在拓展諸如與上海交通大學、上海中醫(yī)藥大學、上?？萍即髮W等高?？蒲性核暮献魍?，他還時常推薦優(yōu)秀的中國學生前往美國斯克里普斯研究所開展課題合作研究……在點擊化學發(fā)展的道路上，中國力量正在崛起。
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生物正交化學：神不知鬼不覺的“跟蹤”
時至今日，點擊反應早已不是“異端分子”，而被廣泛應用于藥物研發(fā)、功能材料、超分子自組裝、化學生物學等諸多領域，它的出現(xiàn)既改變了合成復雜結構分子的命運，更為人類推開了一個化繁為簡、改難為易的新世界大門。與此同時，隨著點擊化學的發(fā)展，人們又將它帶到了一個全新的層面——生物正交化學反應。
作為點擊反應的一個子集，生物正交反應是發(fā)生在生物體中的一種有用化學反應。人們不禁要問，研究生物正交化學反應的意義又是什么呢？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，具體的某種物質到底發(fā)揮著怎樣的作用？它是如何跟其他物質“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，科學家想要在生命系統(tǒng)中觀察這些生物分子的化學反應是很難的。因此，科學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的生物化學反應。
為此，科學家們最初想到了打標記的辦法——基因編輯蛋白質，使其通過與綠色熒光蛋白質結合而被打上標記，從而方便科學家跟蹤被標記物的結構、功能、相互作用和運動軌跡。但這個方法有著明顯的缺陷：標記物蛋白往往很笨重，很容易影響被標記的生物分子，導致實驗結果不準確。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告分子來示蹤……簡而言之，簡單的熒光蛋白標記法已經(jīng)無法滿足人類的科研需要了。在這種情況下，生物正交化學反應應運而生。
△卡羅琳·貝爾托西在論文中對生物正交化學反應的解釋
一個典型的生物正交化學反應，是指一個很小的、簡單的功能基團（如磷酸基團），利用活體生命系統(tǒng)（如細胞等）自身的生物合成方式，整合到目標生物分子上。具體來說，科學家讓兩個特定的小分子在活體細胞環(huán)境中相互作用，先形成反應類型單一卻又彼此相連的“橋梁”，再讓其中一個小分子與目標生物大分子整合，完成對“跟蹤目標”的標記，另一個小分子則與熒光或者顯色等化學標記物結合，通過兩個小分子的“橋梁”，間接卻又直觀地報告體內被標記了的“跟蹤目標”的實時狀態(tài)。
在這個過程中，小分子和目標生物大分子的整合是借助生物體內已有的生化反應，因而不會影響到反應本身。換而言之，生物正交化學反應要求的，就是在研究活體生物系統(tǒng)內給定的化學反應時，不會干擾其中固有的生物化學過程，不產(chǎn)生細胞毒性，所謂的“正交”，指的就是互不干涉、互不影響。
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跨學科成才，無心插柳柳成蔭
談到生物正交化學反應，一定離不開一個人——卡羅琳·貝爾托西。
2002年，巴里·夏普利斯和莫騰·梅爾達分別報告了CuAAC反應，盡管對Huisgen環(huán)化反應進行了大改良，但它卻有一個隱患：銅催化劑在細胞反應中會產(chǎn)生有毒物質。有沒有什么方法可以不用銅來催化？懷揣著這樣一個問題，卡羅琳·貝爾托西和團隊翻閱大量的資料，在不斷的試驗中終于發(fā)現(xiàn)了一種名為環(huán)辛炔的有機化合物，其和疊氮化合物可以在生理條件下實現(xiàn)應變促進的[3+2]環(huán)加成反應，且無需催化劑。隨后，他們先后在蛋白質、細胞上進行了實驗，發(fā)現(xiàn)結果相當理想。在這樣的大背景下，2003年，卡羅琳·貝爾托西和團隊正式創(chuàng)立并提出了“生物正交化學反應”這一術語，并在此后的歲月中一直引領著該領域的發(fā)展。
對于卡羅琳·貝爾托西而言，她更喜歡把自己稱為“糖生物學家”而非“化學家”或“生物學家”，而她之所以能取得如今開拓性的成果，或許恰是與她“跨學科”的經(jīng)歷密不可分。
本科時，卡羅琳·貝爾托西在哈佛大學學習化學，爾后又來到加州大學伯克利分校就讀化學博士，專注于低聚糖類似物的化學合成。作為彼時新型的研究領域，低聚糖其實是由多個單糖聚合而成的寡糖或多糖，通常位于蛋白質和細胞的表面。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。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，并此期間積累了大量細胞生物學知識——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領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將免疫細胞吸引到淋巴結的聚糖的圖譜，然而在實驗中她卻發(fā)現(xiàn)，想在生物系統(tǒng)里研究好糖科學非常難——工具不稱手！那些老舊甚至“原始”的設備，根本沒法用來測量細胞和生物體。她急需一件更加先進的工具來加快糖生物學的研究。
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”進行成像。這項探索促成了代謝標記法的誕生，在它的基礎上，卡羅琳·貝爾托西最終開拓性地提出了生物正交化學反應這一新概念。
2004年，她和團隊在知名期刊《美國化學學會期刊》上發(fā)表論文，證明了無銅點擊反應的應用潛力，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。在此后的時間里，卡羅琳·貝爾托西一直在不斷升級改善她的點擊反應理論，以使其在細胞環(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·貝爾托西團隊研究成果的激勵下，生物正交化學領域在全球范圍內進入了快速發(fā)展階段，在眾多碩果之中，更不乏中國學者的身影。2014年，北京大學化學與分子工程學院陳鵬團隊首次提出了“生物正交剪切反應”這一概念。五年后，該團隊又再次在《美國化學學會期刊》發(fā)表論文，提出了另一種生物正交剪切反應并以此制備新藥，成功實現(xiàn)了對癌細胞的選擇性殺傷。
從點擊化學到生物正交化學，新的技術在源源不斷地出現(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年首次獲獎時所說的，在過去，“優(yōu)雅、精巧”是化學的最高榮譽，如今，“新穎”又被人們提到了前所未有的高度去贊揚，而在他看來，“有用”或許才是最重要的——是時候重新拾起科學研究的實用性和功用性了。
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