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.
试析人类文明新形态之“新”******
作者:张晓婧(安徽财经大学马克思主义学院教授、安徽省中国特色社会主义理论体系研究中心特约研究员)
党的二十大报告将“创造人类文明新形态”作为中国式现代化的本质要求之一,强调“不断丰富和发展人类文明新形态”。人类文明新形态,是中国特色社会主义的伟大创造。人类文明新形态“新”在哪里,是一个值得探讨的重要问题。
“新”在领导力量的先进性。“党领导人民成功走出中国式现代化道路,创造了人类文明新形态”,党的十九届六中全会决议的这一重要论断,科学概括了中国共产党百年奋斗史在人类文明发展史上的重要地位,充分彰显出党在人类文明新形态创造中的坚强领导核心地位。先进性是中国共产党的本质属性,引领着党在百年奋斗历程中,基于自身的初心使命、政治品格和斗争精神不断进行理论创新、实践创新和制度创新,奠定了党带领中国人民成功走出中国式现代化道路,开创人类文明新形态的必然性。党的十八大以来,以习近平同志为主要代表的中国共产党人,坚持把马克思主义基本原理同中国具体实际相结合、同中华优秀传统文化相结合,科学回答了新时代坚持和发展什么样的中国特色社会主义、怎样坚持和发展中国特色社会主义等重大时代课题,创立了习近平新时代中国特色社会主义思想。经过党的十八大以来在理论和实践上的创新突破,中国共产党成功推进和拓展了中国式现代化。
“新”在奋斗目标的人民性。习近平总书记反复强调:“人民对美好生活的向往,就是我们的奋斗目标。”“人民美好生活需要日益广泛,不仅对物质文化生活提出了更高要求,而且在民主、法治、公平、正义、安全、环境等方面的要求日益增长。”人类文明新形态是坚持人民至上,以人的全面发展为宗旨,始终把人民对美好生活的向往作为奋斗目标的崭新文明。这一奋斗目标将中国共产党与世界上代表特殊利益集团、权势团体、特权阶层利益的其他政党严格区分开来,彰显了人类文明新形态价值取向和发展目标的人民性。人类文明新形态在坚定人民立场中孕育而生,在依靠人民主体力量中推动前进,在谋求人民幸福中持续发展,坚持一切为了人民、一切依靠人民,坚持为人民执政、靠人民执政,坚持发展为了人民、发展依靠人民、发展成果由人民共享,坚定不移走全体人民共同富裕道路。以全体人民共同富裕这一社会主义本质要求作为文明的发展目标,清晰刻画出人类文明新形态的根本属性,凸显了与以往各种样态、各种类型的人类文明形态在价值意蕴上的本质区别。
“新”在结构要素的全面性。党的二十大报告再次明确“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局,强调不断丰富和发展人类文明新形态。“五位一体”充分彰显中国共产党人对社会主义建设规律和人类社会发展规律认识的不断深化。正是基于对规律认识的不断深化,才能创造以物质文明、政治文明、精神文明、社会文明和生态文明全面协调发展,系统性、整体性推进的人类文明新形态。“五位一体”是中国共产党领导中国人民在复杂、庞大社会系统中进行实践创造而取得的伟大成果,在注重社会发展的全面性、整体性、协同性的基础上,在整体协调发展中推动和实现着社会文明的全面进步。西方的现代化道路是在资本的主宰下,对内奴役剥削、对外侵略掠夺的历史,由此产生的文明形态,是物质主义膨胀、人与自然相互割裂、社会撕裂、贫富两极分化,破坏了文明要素之间的整体性、系统性的单一型文明。人类社会是一个由经济、政治、文化、社会、生态等多种要素组成的严密有机整体,“五位一体”有机统一、协调发展,才能在构成要素上生成人类文明新形态。
“新”在人与自然的和谐性。人与自然的关系是马克思主义的基本命题。促进人与自然和谐共生,是中国式现代化的本质要求之一,也是人类文明新形态的应有之义。人与自然的关系伴随着人类社会发展的始终,人与自然作为生命共同体,共同构成了人类活动的环境和舞台,与人类文明的发展息息相关。习近平总书记指出:“自然是生命之母,人与自然是生命共同体,人类必须敬畏自然、尊重自然、顺应自然、保护自然。”人类文明新形态创造性地提出了社会主义生态文明的科学理念,站在人与自然和谐共生的高度谋划现代化建设,将生态优先作为建设人与自然和谐共生现代化和实现高质量发展的首要要求。人与自然和谐共生的文明形态,既可以充分发挥人民群众在生态文明建设中的主体地位,尊重人民群众的首创精神,激发人民群众的历史主动精神,调动人民群众的积极性、主动性和创造性;又始终坚持把人民群众的评判作为检验生态文明建设成效的依据,不断增强人民群众的获得感、幸福感和安全感。
“新”在世界愿景的合理性。党的二十大报告指出:“构建人类命运共同体是世界各国人民前途所在。”“中国始终坚持维护世界和平、促进共同发展的外交政策宗旨,致力于推动构建人类命运共同体。”构建人类命运共同体的价值基础和文明基础是弘扬和平、发展、公平、正义、民主、自由的全人类共同价值,而不是西方所谓的“普世价值”。人类生活在同一个“地球村”,不同国家在各自文明历史发展进程中,创造了多姿多彩的文明样态,共同创造了人类文明。习近平总书记指出:“不同文明要取长补短、共同进步,让文明交流互鉴成为推动人类社会进步的动力、维护世界和平的纽带。”人类命运共同体视域下的人类文明交融共存的正确选择,就是承认每个国家文明发展的正当性、合法性、多样性,实现真正的休戚与共、共同进步。人类文明新形态是顺应时代发展要求和各国人民共同向往而提出的新型文明观,主张以文明共同发展和合作共赢超越文明优越,以文明求同存异和交流交融化解文明冲突,从而建立多元文明包容并存、共进共荣的文明新秩序。
中国共产党领导人民创造的人类文明新形态,是继人类历史上诸多文明创造之后,中华民族又一次伟大的文明创造,为人类文明谱系贡献了新样态,为人类文明发展提供了新选择,为构建美好世界提供了中国经验和中国智慧。
(本文系安徽省高校思想政治工作中青年骨干队伍建设项目[sztsjh-2022-7-14]成果)
(文图:赵筱尘 巫邓炎)