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.

“杨拴明组合字”成功挑战个人第二项吉尼斯世界纪录******

　　天蓝地黄，是秦晋大地对于黄土高原的回应；冰瀑入壶，是黄河母亲对于北方冬日的回应；万幅画框，是“杨拴明组合字”对于文化自信的回应——12月15日10时，随着石占明老师一曲嘹亮的《天下黄河九十九道弯》在壶口瀑布上方回响，“杨拴明组合字”挑战吉尼斯世界纪录现场活动正式拉开帷幕。这是继2019年6月23日，杨拴明成功挑战吉尼斯世界纪录称号“最大的折页书”之后，向其个人第二项世界纪录发起的冲刺。

　　始于经典，组合生趣。据挑战活动组委会介绍，本次参加挑战的“杨拴明组合字”既包含了多年创作的精品，也不乏近年杨拴明潜心研究、与时俱进的新作，是他在这一领域研究的一次集中展示、展览。其内容涉及经典古籍、四大名著、成语俗语、诗词歌赋、古今名联、国防军事民生、中国上市公司名称、中国5A景区名称、大学校训等42个相对独立又延展关联的系列篇章。而且，所有作品均选自于其已获得国家版权局发证保护的2.8万个作品之中，其规模之大、形式之新、影响之广，可谓开创了文化展览与传播的新篇章。

　　跟随吉尼斯世界纪录认证官吴晓红女士的步伐，徜徉在挑战活动现场，融入了母亲河恢弘宽广胸怀的“杨拴明组合字”作品似乎显得很渺小。但从一到十、上百过千，破万后还在继续……一种对于生活的热爱、对于文化的执着、对于生命的崇敬，穿透画框铺面而来，一个个组合字像是有了灵性般逐渐长大而变得生动而形象，如同身后奔腾的黄河水，内敛而厚重，汹涌而磅礴。杨拴明说，他是来自吕梁山的一个普通庄户人，但从小对于文字、文学、文化的痴迷和热爱延续至今，让每一个生命的特定阶段，有了不同的意义。但无论是因热爱而保持了数十年如一日的练字习惯，还是为挑战成功而付出的努力与坚持，只要咬定青山不放松，这些“都将成为我们实现人生目标丰富的阅历和过程，最终让梦想因此而闪亮“。

　　海外华人书法家协会联合主席兼老挝分会主席、中国美术学院公共艺术研究院社会美育研究院副院长叶剑锋，海外华人书法家协会非洲分会联合主席、坦桑尼亚华人书法家协会主席、比利时世界文化艺术交流中心顾问、中国名家联合书画艺术院顾问陈天寿作为特邀嘉宾参加了挑战活动，同时他们也是此次挑战作品篇章序言的创作者。叶剑锋主席表示，虽然为杨拴明先生撰写序言的42个国家的书协主席、总会会长无法亲历现场，但作为他们的代表，在感知了现场的震撼与气度后，倍感荣幸与激动，“尤其是杨拴明先生将许多传统文化的元素，比如诗词歌赋、古籍名著蕴含其中，再根据美学、结构学、文字的特点进行组合创新，就是为传统赋新生，让创新有内涵。”

　　中国象棋国际特级大师、蒙目棋吉尼斯世界纪录保持者蒋川在挑战活动现场，同样激动地分享着“冬日壶口的壮美和杨拴明先生1.5万幅挑战作品”带来的双重震撼。他说，如果杨先生三年前的成功挑战“是对人体生理机能和体能的一次挑战，是将梦想落于现实的一次真实考验，是充盈精神、鼓舞人生最好的注解与完美诠释”，那么此次衷于传承、不断创新、肩负重任的 “杨拴明组合字”，也一定会带着他持之以恒挑战的勇气和为之不懈努力坚守精神，传递给越来越多的人以力量和信心。

　　挑战活动上，吉县县委书记赵松强向杨拴明亲自颁发了由中共吉县县委、吉县人民政府授予的“吉县文旅发展宣传大使”证书，吉县县委副书记、代县长牛永福还与杨拴明互赠了双方极具知名度和美誉度的礼物——红彤彤的吉县苹果以及杨拴明特意创作的“吉县苹果撩人香”组合字作品，更是引来现场的阵阵掌声。

　　15282、15283……15289！在吉尼斯世界纪录认证官及现场工作人员的共同见证下，“杨拴明组合字”挑战吉尼斯世界称号“最大规模的画框展”成功！自此，杨拴明也成为两项吉尼斯世界纪录的创造者，挑战结束后“杨拴明组合字”展览同步进行，据了解，该展览将陆续开启全球巡展的征程，带着传承与创新的文化使命，让组合字走入更广阔的舞台，让传统文化迸发迷人光彩。

　　央视著名山西籍主持人任志宏倾情为挑战活动助力，晋剧表演艺术家、国家一级演员栗桂莲等名家大咖的精彩演绎，更与挑战活动相得益彰、共续华章。