诺奖问答| 2022 年诺贝尔化学奖授予点击化学和生物正交化学 ,有哪些信息值得关注 ?******
相比起今年诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖的高冷 ,今年诺贝尔化学奖其实 是相当接地气了 。
你或身边人正在用 的某些药物 ,很有可能就来自他们 的贡献 。
2022 年诺贝尔化学奖因「点击化学和生物正交化学」而共同授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西 、丹麦化学家莫滕·梅尔达 、美国化学家巴里·夏普莱斯(第5位两次获得诺贝尔奖的科学家)。
一 、夏普莱斯 :两次获得诺贝尔化学奖
2001年,巴里·夏普莱斯因为「手性催化氧化反应[1] [2] [3]」获得诺贝尔化学奖 ,对药物合成(以及香料等领域)做出了巨大贡献 。
今年,他第二次获奖的「点击化学」,同样与药物合成有关 。
1998年,已经 是手性催化领军人物的夏普莱斯,发现了传统生物药物合成的一个弊端。
过去200年 ,人们主要在自然界植物、动物,以及微生物中能寻找能发挥药物作用 的成分,然后尽可能地人工构建相同分子,以用作药物 。
虽然相关药物的工业化 ,让现代医学取得了巨大的成功 。然而随着所需分子越来越复杂,人工构建 的难度也在指数级地上升 。
虽然有的化学家, 的确能够在实验室构造出令人惊叹的分子,但要实现工业化几乎不可能 。
有机催化 是一个复杂 的过程,涉及到诸多 的步骤。
任何一个步骤都可能产生或多或少的副产品 。在实验过程中,必须不断耗费成本去去除这些副产品。
不仅成本高 ,这还 是一个极其费时 的过程 ,甚至最后可能还得不到理想的产物。
为了解决这些问题,夏普莱斯凭借过人智慧,提出了「点击化学(Click chemistry)」的概念[4] 。
点击化学 的确定也并非一蹴而就的 ,经过三年 的沉淀,到了2001年,获得诺奖的这一年,夏普莱斯团队才完善了「点击化学」。
点击化学又被称为“链接化学” ,实质上是通过链接各种小分子 ,来合成复杂 的大分子 。
夏普莱斯之所以有这样的构想 ,其实也是来自大自然的启发。
大自然就像一个有着神奇能力 的化学家,它通过少数 的单体小构件,合成丰富多样的复杂化合物。
大自然创造分子的多样性是远远超过人类 的,她总 是会用一些精巧的催化剂,利用复杂 的反应完成合成过程 ,人类的技术比起来 ,实在 是太粗糙简单了。
大自然的一些催化过程 ,人类几乎 是不可能完成的。
一些药物研发,到了最后却破产了 ,恰恰是卡在了大自然设下的巨大陷阱中 。
夏普莱斯不禁在想,既然大自然创造 的难度,人类无法逾越 ,为什么不还给大自然 ,我们跳过这个步骤呢?
大自然有 的是不需要从头构建C-C键,以及不需要重组起始材料和中间体 。
在对大型化合物做加法时 ,这些C-C键的构建可能十分困难。但直接用大自然现有的,找到一个办法把它们拼接起来 ,同样可以构建复杂 的化合物 。
其实这种方法 ,就像搭积木或搭乐高一样 ,先组装好固定的模块(甚至点击化学可能不需要自己组装模块 ,直接用大自然现成的) ,然后再想一个方法把模块拼接起来。
诺贝尔平台给三位化学家 的配图,可谓 是形象生动[5] [6] :
夏普莱斯从碳-杂原子键上获得启发 ,构想出了碳-杂原子键(C-X-C)为基础 的合成方法 。
他的最终目标 ,是开发一套能不断扩展的模块,这些模块具有高选择性 ,在小型和大型应用中都能稳定可靠地工作。
「点击化学」的工作,建立在严格的实验标准上 :
反应必须 是模块化,应用范围广泛
具有非常高的产量
仅生成无害的副产品
反应有很强的立体选择性
反应条件简单(理想情况下,应该对氧气和水不敏感)
原料和试剂易于获得
不使用溶剂或在良性溶剂中进行(最好是水) ,且容易移除
可简单分离 ,或者使用结晶或蒸馏等非色谱方法,且产物在生理条件下稳定
反应需高热力学驱动力(>84kJ/mol)
符合原子经济
夏尔普莱斯总结归纳了大量碳-杂原子 ,并在2002年的一篇论文[7]中指出,叠氮化物和炔烃之间 的铜催化反应 是能在水中进行 的可靠反应 ,化学家可以利用这个反应,轻松地连接不同的分子。
他认为这个反应的潜力 是巨大的,可在医药领域发挥巨大作用。
二、梅尔达尔 :筛选可用药物
夏尔普莱斯的直觉是多么地敏锐,在他发表这篇论文的这一年,另外一位化学家在这方面有了关键性的发现 。
他就是莫滕·梅尔达尔。
梅尔达尔在叠氮化物和炔烃反应 的研究发现之前 ,其实与“点击化学”并没有直接的联系。他反而 是一个在“传统”药物研发上,走得很深的一位科学家 。
为了寻找潜在药物及相关方法 ,他构建了巨大 的分子库,囊括了数十万种不同 的化合物 。
他日积月累地不断筛选,意图筛选出可用 的药物。
在一次利用铜离子催化炔与酰基卤化物反应时 ,发生了意外,炔与酰基卤化物分子 的错误端(叠氮)发生了反应 ,成了一个环状结构——三唑。
三唑是各类药品、染料,以及农业化学品关键成分 的化学构件 。过去的研发 ,生产三唑 的过程中 ,总是会产生大量 的副产品 。而这个意外过程 ,在铜离子 的控制下 ,竟然没有副产品产生 。
2002年 ,梅尔达尔发表了相关论文。
夏尔普莱斯和梅尔达尔也正式在“点击化学”领域交汇 ,并促使铜催化的叠氮-炔基Husigen环加成反应(Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition) ,成为了医药生物领域应用最为广泛的点击化学反应 。
三、贝尔托齐西:把点击化学运用在人体内
不过,把点击化学进一步升华 的却是美国科学家——卡罗琳·贝尔托西。
虽然诺奖三人平分 ,但不难发现,卡罗琳·贝尔托西排在首位,在“点击化学”构图中,她也在C位 。
诺贝尔化学奖颁奖时,也提到,她把点击化学带到了一个新 的维度 。
她解决了一个十分关键 的问题 ,把“点击化学”运用到人体之内,这个运用也完全超出创始人夏尔普莱斯意料之外的 。
这便是所谓 的生物正交反应,即活细胞化学修饰,在生物体内不干扰自身生化反应而进行的化学反应。
卡罗琳·贝尔托西打开生物正交反应这扇大门 ,其实最开始也和“点击化学”无关 。
20世纪90年代,随着分子生物学 的爆发式发展 ,基因和蛋白质地图 的绘制正在全球范围内如火如荼地进行 。
然而位于蛋白质和细胞表面,发挥着重要作用的聚糖,在当时却没有工具用来分析 。
当时 ,卡罗琳·贝尔托西意图绘制一种能将免疫细胞吸引到淋巴结 的聚糖图谱 ,但仅仅为了掌握多聚糖的功能就用了整整四年 的时间。
后来 ,受到一位德国科学家 的启发,她打算在聚糖上面添加可识别的化学手柄来识别它们 的结构 。
由于要在人体中反应且不影响人体 ,所以这种手柄必须对所有 的东西都不敏感,不与细胞内的任何其他物质发生反应。
经过翻阅大量文献 ,卡罗琳·贝尔托西最终找到了最佳的化学手柄。
巧合是,这个最佳化学手柄,正 是一种叠氮化物,点击化学 的灵魂 。通过叠氮化物把荧光物质与细胞聚糖结合起来 ,便可以很好地分析聚糖 的结构 。
虽然贝尔托西的研究成果已经是划时代的,但她依旧不满意,因为叠氮化物 的反应速度很不够理想 。
就在这时 ,她注意到了巴里·夏普莱斯和莫滕·梅尔达尔 的点击化学反应。
她发现铜离子可以加快荧光物质 的结合速度 ,但铜离子对生物体却有很大毒性 ,她必须想到一个没有铜离子参与 ,还能加快反应速度 的方式。
大量翻阅文献后,贝尔托西惊讶地发现 ,早在1961年 ,就有研究发现当炔被强迫形成一个环状化学结构后,与叠氮化物便会以爆炸式地进行反应 。
2004年 ,她正式确立无铜点击化学反应(又被称为应变促进叠氮-炔化物环加成) ,由此成为点击化学的重大里程碑事件。
贝尔托西不仅绘制了相应 的细胞聚糖图谱,更 是运用到了肿瘤领域 。
在肿瘤的表面会形成聚糖,从而可以保护肿瘤不受免疫系统的伤害 。贝尔托西团队利用生物正交反应,发明了一种专门针对肿瘤聚糖 的药物 。这种药物进入人体后,会靶向破坏肿瘤聚糖 ,从而激活人体免疫保护。
目前该药物正在晚期癌症病人身上进行临床试验。
不难发现,虽然「点击化学」和「生物正交化学」 的翻译 ,看起来很晦涩难懂 ,但其实背后是很朴素 的原理。一个是如同卡扣般的拼接 ,一个是可以直接在人体内 的运用。
「 点击化学」和「生物正交化学」都还是一个很年轻 的领域 ,或许对人类未来还有更加深远 的影响。(宋云江)
参考
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2001/press-release/
Pfenninger, A. Asymmetric Epoxidation of Allylic Alcohols: The Sharpless Epoxidation[J]. Synthesis, 1986, 1986(02):89-116.
Rao A S . Addition Reactions with Formation of Carbon–Oxygen Bonds: (i) General Methods of Epoxidation - ScienceDirect[J]. Comprehensive Organic Synthesis, 1991, 7:357-387.
Kolb HC, Finn MG, Sharpless KB. Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions. Angew Chem Int Ed Engl. 2001 Jun 1;40(11):2004-2021.
https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-chemistryprize2022.pdf
https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-chemistryprize2022.pdf
Demko ZP, Sharpless KB. A click chemistry approach to tetrazoles by Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition: synthesis of 5-acyltetrazoles from azides and acyl cyanides. Angew Chem Int Ed Engl. 2002 Jun 17;41(12):2113-6. PMID: 19746613.
(文图 :赵筱尘 巫邓炎)