諾貝爾化學(xué)獎授予三位科學(xué)家，美國科學(xué)家巴里·沙普利斯系二度獲獎
2022年諾貝爾化學(xué)獎揭曉！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。
北京時間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。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，Bertozzi教授則因開拓生物正交化學(xué)（bioorthogonal chemistry）領(lǐng)域而獲獎。
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，此次是第二次獲得化學(xué)獎。
此前，在諾貝爾獎百年歷史上，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。桑格爾是1958年和1980年諾貝爾化學(xué)獎得主，這是42年后，諾獎再次“梅開二度”。
解讀>>
劃時代的“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模塊的凹槽與另一個模塊的凸起契合完成兩個組件的拼接。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。
時間回到2001年。就在Sharpless教授第一次榮膺諾貝爾化學(xué)獎的四個月前，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。”無論是核酸、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，經(jīng)常會出現(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)會最高榮譽(yù)普里斯特利獎?wù)拢≒riestley Medal）時，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，是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，時刻發(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（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、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。
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，不會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。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歷史上最年輕的獲獎?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，目標(biāo)生物分子在生物體內(nèi)濃度通常較低，化學(xué)報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的其中一個芳香基團(tuán)鄰位修飾一個酯基，同時標(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。
Tips：
兩次獲得諾貝爾科學(xué)獎的科學(xué)家
居里夫人(Marie Curie)：1903年諾貝爾物理學(xué)獎；1911年諾貝爾化學(xué)獎。
約翰·巴丁(John Bardeen)：1956年諾貝爾物理學(xué)獎；1972年諾貝爾物理學(xué)獎。
弗雷德里克·桑格爾(Frederick Sanger)：1958年諾貝爾化學(xué)獎；1980年諾貝爾化學(xué)獎。
巴里·沙普利斯（K. Barry Sharpless）:2001年諾貝爾化學(xué)獎；2022年諾貝爾化學(xué)獎。
（內(nèi)容來自諾貝爾獎官網(wǎng)、“藥明康德”微信公眾號）
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