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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.

青岛农业大学：发挥人才优势，服务乡村振兴******

　　近日，在青岛绿沃川农业科技有限公司种植大棚内，一排排整齐的草莓长势旺盛，红彤彤的果实点缀于绿叶之间。“得益于青岛农业大学姜卓俊教授研发的草莓超早熟栽培技术，我们的草莓上市早、品质好，回头客很多，供不应求。”青岛绿沃川农业科技有限公司总经理李坤均说。

　　青岛农业大学姜卓俊教授研发的草莓超早熟栽培技术获得青岛农业企业的一致好评。作为一所“农字号”大学，青岛农业大学充分发挥智力和人才优势，坚持人才下沉、科技下乡，将创新成果送到田间地头，以科技服务助推现代农业发展。

　　科技小院加速农业科技落地

　　近日，在位于青岛莱西市店埠镇的胡萝卜科技小院的试验田里，科技小院“院长”赵颖和同学们忙得热火朝天：运肥、称重、撒肥……试验田里呈现出一片繁忙景象。

　　赵颖是青岛农业大学资源与环境学院一名研二学生。去年研究生一入学，她就跟着导师在胡萝卜科技小院里开展研究，致力于胡萝卜产量和品质的提升。“在科技小院里作研究，让我对课题的理解更深入了。在这里，我们一边学习，一边指导农户科学种田，帮助乡亲们解决农业生产中的难题，每天都过得很充实。”赵颖说。

　　赵颖的导师陈延玲是中国农业大学张福锁院士以科技小院模式培养出来的第一批研究生。博士毕业后，陈延玲回到本科母校青岛农业大学任职，也将科技小院模式带了回来。2019年7月，在陈延玲的推动下，胡萝卜科技小院在青岛莱西市店埠镇建成，入住小院的青岛农业大学师生针对胡萝卜生产开展科学研究，探索技术服务模式。

　　除了日常科研和实验工作，科技小院的另一项重要工作就是针对农户需求进行不同形式的技术普及。“我们通过田间党校、夜间培训等形式，对生产过程中痛点、难点进行技术培训。对于没有时间参加线下培训的农户，我们会通过短视频、科普传单等形式，把技术送到他们手上，提升农民科学素质、把当地的农民培养成‘土专家’。”陈延玲说。

　　近年来，青岛农业大学不断开拓科技小院助农新阵地，派出师生团队驻扎农业生产一线，推广科技服务“小院模式”。青岛农业大学陆续建成了胶州大白菜科技小院、莱西玉米科技小院等，并承担了乐陵小麦玉米科技小院等相关工作。

　　青岛农业大学每个科技小院都有专攻的特色农产品项目，因地制宜开展技术示范和指导，服务农民需求，打通了农业技术推广应用的“最后一公里”。

　　目前，青岛农业大学科技小院引进及创新作物高产高效技术20余项，实现作物平均增产12.8％，增效33.4％，增收20.4％。

　　科技特派员为乡村振兴赋能添智

　　日前，青岛莱西市沽河街道北张家寨子村农户张许山告诉科技日报记者，由于种植的“阳光玫瑰”葡萄卖出了好价钱，2022年他们一家的收入达到60多万元。“多亏了青岛农业大学的‘葡萄专家’传经送宝，我们的腰包越来越鼓了！”张许山说。

　　张许山提到的“葡萄专家”，正是青岛农业大学的科技特派员。去年底，由青岛农业大学理学与信息科学学院副院长韩仲志担任团长，山东省科技特派员创新创业共同体青岛葡萄产业服务团成立，为葡萄种植提供科技指导服务。

　　“专家们经常到葡萄园来，从选种、育苗到结果、采摘，给予我们手把手的指导。”张许山说，在广大果农的心里，青岛农业大学的专家就是大伙儿种植葡萄的“主心骨”，是致富路上的“贴心人”。

　　这是青岛农业大学科技特派员队伍助力乡村振兴的一个缩影。自国家推行科技特派员制度以来，青岛农业大学建立起具有较高专业知识背景和丰富实践经验的科技特派员队伍。科技特派员们把促进农业增效、农民增收作为工作重点，深入田间地头，为农户送去科技指导和服务。

　　“学校科技特派员总人数已超过600名，服务区域覆盖山东省全域，辐射至广西、贵州、云南、四川、青海、重庆、内蒙古和甘肃等地。”青岛农业大学校长刘新民介绍，2022年，青岛农业大学实施了科技特派员大会战行动计划，组建了20支科技特派员团队，由“单兵作战”向高水平的“团队作战”转变，由“服务农户技术”向“服务产业需求”转变。

　　“学校将继续发挥人才、科研优势，以科技小院、科技特派员工作为抓手，进一步打通实验室到田间地头的创新链条，促进成果转化，服务地方产业发展。”刘新民说。(记者王健高 实习记者 宋迎迎 通讯员 刘 琨)

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）