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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.

“这场盛会恰逢其时”——外国嘉宾看世界互联网大会******

　　【乌镇聚焦】 

　　光明日报记者 陈海波 光明网记者 张安迪

　　乌镇的青砖黛瓦和声光电影，正成为2022年世界互联网大会乌镇峰会期间与会外国嘉宾认识中国的窗口。

　　“这场盛会恰逢其时”，联合国教科文组织驻华代表处代表夏泽翰在乌镇峰会上的这句话，是120多个国家和地区的2100多位参会代表的共同心声。

　　这些不同国家和地区的参会代表，无不在表达对数字鸿沟的担忧，对对话交流的渴望。他们从乌镇看到了古老的中国在数字时代的生机，从互联网大会看到了中国在推动构建网络空间命运共同体上的担当和努力。

　　“谢谢你们坚持助力这一全球盛会的召开。”中国美国商会总裁何迈可真诚地说。

　　“过去和未来在这里交融”

　　古朴的江南小镇与新潮的数字技术，会发生什么样的联系？这是英国小伙子卢克这次来乌镇之前，怎么也想不到的。

　　卢克是上海交通大学的留学博士生，研究方向是人工智能在癌症诊断方面的应用。尽管三年前已来过乌镇，但参加世界互联网大会还是头一次。在“互联网之光”博览会上，记者与他偶遇。“这里的东西真让人兴奋。”他告诉记者。

　　让他感到兴奋的，不仅是这些前沿的数字技术，还有悠久的中国文化。这两者，在乌镇交融。

　　“乌镇是一个非常有趣的地方，因为它所有的数字技术都是与它原本的气质相反的。这是一个非常古老的城镇，在这里我看到一种独特的文化融合，就好像是过去和未来在这里交融。”卢克说。

　　第一次来乌镇的中阿卫视记者、主持人方浩明，与卢克有着类似的感觉。“这里的建筑真让人沉醉，让我感觉仿佛融入了这个地方。”他说，“我特别喜欢中国的这种文化风格。”

　　这几天方浩明很忙，参加论坛，撰写报道，“感觉每一个论坛都很有意思”。工作之外还体验了元宇宙和裸眼3D。这些数字技术带来的奇妙体验，让他感觉“特别高级、特别真实”。

　　“这里的氛围很美，很吸引人。”津巴布韦共和国驻华大使馆参赞坎布里亚·迪咋也被中国文化所吸引，他告诉记者，“昨天有机会参观了你们的一个博物馆，那里展示了古老的中国文化，还有现代化的演变。”

　　“这是一个很好的交流机会”

　　“世界互联网大会是一个非常有意义的平台，因为我们看到了国际合作和互动对话。”坎布里亚向记者分享他这两天的参会感受。

　　他刚参加完两个分论坛，与来自各国的嘉宾交流探讨网络空间国际规则和“一带一路”互联网国际合作。“在论坛上，我真实地体会到互联网让每个人的生活都变得更容易，但也面临巨大机遇和挑战，国际社会需要对话合作。”他说。

　　“这是一个很好的面对面交流的机会。”卢克也认为，世界互联网大会是一个极好的对话平台，“因为有各种各样的代表参加，可以接触到各种各样的想法。”

　　可以面对面交流，也可以云端对话。

　　“尽管不能亲自到场参加会议，我仍然很开心能通过视频形式与大家交流。”新加坡网络安全专员、网络安全局首席执行官戴维·科赫说，“能聚集在一起讨论如何进一步加强网络空间中基于规则的多边秩序，非常重要。”

　　是的，世界互联网大会把大家聚在了一起。

　　何迈可说，世界互联网大会已成为中国美国商会的年度大事，“很高兴能有此参会机会，促使我们知新求进”。思科董事长、首席执行官罗卓克说，世界互联网大会是一个汇聚全球政商界领袖，分享创新、技术发展和互联网治理理念的重要平台。埃塞俄比亚驻华使馆公使衔参赞格塔丘说，世界互联网大会在建设更美好的社会方面发挥了巨大作用。

　　“参加世界互联网大会可以帮助大家互相认识、互相了解，取长补短。”方浩明告诉记者，他在互联网大会上也认识了许多同行，学到了很多东西。

　　“中国在国际数字合作中起了很好的领导作用”

　　“如果没有一个好的引导，数字化有可能加剧已有的不平等，扩大数字鸿沟。”夏泽翰认为，此次乌镇峰会恰逢其时，会议内容与联合国教科文组织在世界开展的工作也高度一致。

　　夏泽翰指出，当前的数字革命正为社会和个人的发展提供巨大机遇，但仍然存在因缺乏平等获取信息的机会而加剧边缘化的情况。中国倡导的数字丝绸之路，正在为全球数字化进程注入强劲动能。联合国教科文组织已与中国合作，通过“一带一路”倡议、南南合作等机制，为其他发展中国家提供帮助。

　　世界互联网大会以及中国在构建网络空间命运共同体方面的其他实践探索，本身就是一个很好的引导。“未来，联合国教科文组织还将继续利用中国的知识和经验，将中国优秀实践分享至全球，在全球范围内促进更包容和更平等的发展。”夏泽翰说。

　　坎布里亚的看法与夏泽翰不谋而合。“中国在国际数字合作中起到了很好的领导作用。”他向记者表示。

　　坎布里亚认为，世界互联网大会的主旨与中国此前提出的“全球发展倡议”十分契合。这次参会经历，让他看到了中国在寻求解决人类面临的共同挑战上的一以贯之的努力和贡献。

　　“在数字化转型领域，中国的数字经济充满活力和竞争力。”国际商业机器公司董事长、首席执行官阿尔温德·克里希纳表示，尽管当今世界充满不确定性，但他相信，信任与合作将确保我们能够一起共克时艰、砥砺前行。

　　《光明日报》（ 2022年11月11日 07版）

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　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）