·夏普利斯也沒(méi)料到點(diǎn)擊化學(xué)會(huì)用于生物。

·當(dāng)時(shí)的分子生物學(xué)新工具并不能研究聚糖，但卡羅琳·貝爾托西嘗試攀登這座大山，研究難以捉摸的聚糖。貝爾托西開(kāi)發(fā)了可以用在生物體內(nèi)的點(diǎn)擊化學(xué)。這一里程碑式的成果也是更大成就的開(kāi)始。

2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者：美國(guó)化學(xué)家卡羅琳·貝爾托西（Carolyn R. Bertozzi）、丹麥化學(xué)家摩頓·梅爾達(dá)爾（Morten Meldal）和美國(guó)化學(xué)家卡爾·巴里·夏普利斯（K. Barry Sharpless）（從左到右）。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)再次頒給了化學(xué)。

10月5日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)化學(xué)家卡羅琳·貝爾托西（Carolyn R. Bertozzi）、丹麥化學(xué)家摩頓·梅爾達(dá)爾（Morten Meldal）和美國(guó)化學(xué)家卡爾·巴里·夏普利斯（K. Barry Sharpless），以表彰他們?cè)邳c(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)研究方面的貢獻(xiàn)。

點(diǎn)擊化學(xué)是由夏普利斯在1998年初步提出并在其后逐步完善的一個(gè)合成概念。它的核心理念是：合成化學(xué)要以分子功能為導(dǎo)向，通過(guò)小單元的簡(jiǎn)便拼接，快速可靠地完成各種各樣分子的化學(xué)合成。

梅爾達(dá)爾和夏普利斯分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)擊化學(xué)“皇冠上的明珠”：銅催化的疊氮化物-端炔烴環(huán)加成反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)已成為點(diǎn)擊化學(xué)的代名詞。而貝爾托西開(kāi)發(fā)了可以用在生物體內(nèi)的點(diǎn)擊化學(xué)，這種生物正交反應(yīng)在不干擾細(xì)胞正?；瘜W(xué)反應(yīng)的情況下發(fā)生，被廣泛用于繪制細(xì)胞圖譜，研究人員也在研究如何利用這些反應(yīng)診斷和治療癌癥。

夏普利斯是第二次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。21年前，由于其在不對(duì)稱(chēng)催化氧化領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，他與美國(guó)科學(xué)家威廉·諾爾斯、日本科學(xué)家野依良治分享了2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

貝爾托西成為化學(xué)諾獎(jiǎng)史上第8位女性化學(xué)獎(jiǎng)獲得者。

化學(xué)進(jìn)入功能主義時(shí)代：兩位科學(xué)家獨(dú)立發(fā)現(xiàn)點(diǎn)擊化學(xué)“皇冠上的明珠”

夏普利斯曾說(shuō)，化學(xué)家的一個(gè)絆腳石是碳原子之間的化學(xué)鍵。來(lái)自不同分子的碳原子往往缺乏相互成鍵的化學(xué)動(dòng)力，因此需要人工激活，但這通常會(huì)導(dǎo)致很多不必要的副反應(yīng)和代價(jià)高昂的物質(zhì)損失。

于是夏普利斯鼓勵(lì)同事們從已有完整碳骨架的小分子開(kāi)始，這些簡(jiǎn)單分子可以用更容易控制的氮原子或氧原子連接在一起。如果化學(xué)家選擇簡(jiǎn)單的反應(yīng)，即分子有很強(qiáng)的內(nèi)在動(dòng)力結(jié)合在一起，他們就能避免許多副反應(yīng)，物質(zhì)損失也小。

他將這種構(gòu)建分子的方法稱(chēng)為“點(diǎn)擊化學(xué)”。

夏普利斯認(rèn)為，即使點(diǎn)擊化學(xué)不能提供天然分子的精確副本，也有可能找到具有相同功能的分子。以分子功能為導(dǎo)向，通過(guò)小單元的簡(jiǎn)便拼接，就有可能創(chuàng)造出幾乎無(wú)窮無(wú)盡的分子種類(lèi)。他確信，點(diǎn)擊化學(xué)可以生產(chǎn)出與自然界中發(fā)現(xiàn)的藥物一樣可以適用的藥物，并進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。在2001年發(fā)表的論文中，夏普利斯列出了點(diǎn)擊化學(xué)應(yīng)滿足的幾個(gè)條件，其中之一是在氧氣和水的存在下發(fā)生。

2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予卡羅琳·貝爾托西、摩頓·梅爾達(dá)爾和卡爾·巴里·夏普利斯，以表彰他們?cè)邳c(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)研究方面的貢獻(xiàn)。

另一頭，在丹麥一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，梅爾達(dá)爾的反應(yīng)容器里出現(xiàn)了一種意外物質(zhì)。

21世紀(jì)初，他一直在開(kāi)發(fā)尋找潛在藥物的方法：構(gòu)建巨大的分子庫(kù)進(jìn)行篩選，看哪種物質(zhì)可以阻止致病過(guò)程。一天，他和同事做了一個(gè)常規(guī)化學(xué)反應(yīng)，目的是讓炔烴和酰基鹵化物發(fā)生反應(yīng)。只要化學(xué)家加入一些銅離子，或許再加入一點(diǎn)鈀作為催化劑，反應(yīng)通常都很順利。

但梅爾達(dá)爾發(fā)現(xiàn)，炔烴與酰基鹵化物分子的錯(cuò)誤一端發(fā)生了反應(yīng)，這個(gè)錯(cuò)誤一端是一個(gè)叫做疊氮化物的化學(xué)基團(tuán)。疊氮化物和炔烴一起形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)，也就是三唑。

三唑是理想的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，它通常在一些藥品、染料和農(nóng)業(yè)化學(xué)品中存在。研究人員此前曾嘗試用炔烴和疊氮化物制造三唑，但會(huì)產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)品。梅爾達(dá)爾意識(shí)到是銅離子控制了反應(yīng)，因此原則上只形成了一種物質(zhì)。即使是原本應(yīng)該和炔烴結(jié)合的?；u化物，在容器中也或多或少?zèng)]有受到影響。

2001年6月，他在圣地亞哥的一個(gè)研討會(huì)上首次展示了自己的發(fā)現(xiàn)。第二年，他在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文稱(chēng)，這種反應(yīng)可以用來(lái)連接許多不同的分子。同年，夏普利斯也發(fā)表了一篇關(guān)于銅催化疊氮化物和炔烴之間反應(yīng)的論文，表明該反應(yīng)在水中有效，而且可靠。

當(dāng)加入銅離子，疊氮化物和炔烴的反應(yīng)非常高效。這種反應(yīng)現(xiàn)在被廣泛用于以一種簡(jiǎn)單方式將分子連接在一起。

疊氮化物就像一個(gè)負(fù)載的彈簧，銅離子釋放了彈力。夏普利斯提出，化學(xué)家可以利用這個(gè)反應(yīng)很容易連接不同分子，而且潛力巨大。

現(xiàn)在看來(lái)也確實(shí)如此。如果化學(xué)家想連接兩個(gè)不同分子，如今他們可以相對(duì)容易地在一個(gè)分子中引入疊氮化物，在另一個(gè)分子中引入炔烴，然后在銅離子的幫助下，分子迅速而高效地結(jié)合。

這種簡(jiǎn)單性也使得點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中受歡迎，還能用來(lái)創(chuàng)造新材料。在藥物研究中，點(diǎn)擊化學(xué)被用來(lái)生產(chǎn)和優(yōu)化可能成為藥物的物質(zhì)。但夏普利斯也沒(méi)料到點(diǎn)擊化學(xué)會(huì)用于生物。

讓隱藏的聚糖暴露：利用生物正交反應(yīng)，研究腫瘤細(xì)胞表面的聚糖

上世紀(jì)90年代，生物化學(xué)和分子生物學(xué)正經(jīng)歷爆炸式發(fā)展。利用分子生物學(xué)的新方法，世界各地的研究人員在繪制基因和蛋白質(zhì)圖譜，試圖了解細(xì)胞是如何工作的。但聚糖幾乎沒(méi)有受到關(guān)注。

這是一種由各種糖組成的復(fù)雜碳水化合物，通常位于蛋白質(zhì)和細(xì)胞表面。它們?cè)诓《靖腥炯?xì)胞或免疫系統(tǒng)被激活等許多生物過(guò)程中發(fā)揮重要作用。當(dāng)時(shí)的分子生物學(xué)新工具并不能研究聚糖，但卡羅琳·貝爾托西嘗試攀登這座大山，研究難以捉摸的聚糖。

在一次研討會(huì)上，她聽(tīng)了一位德國(guó)科學(xué)家解釋自己成功讓細(xì)胞產(chǎn)生唾液酸的非自然變體，唾液酸也是生成聚糖的一種分子。貝爾托西開(kāi)始思考，是否可以用類(lèi)似的方法讓細(xì)胞產(chǎn)生一種帶有化學(xué)手柄的唾液酸。如果這些細(xì)胞能將帶有化學(xué)手柄的唾液酸結(jié)合到不同聚糖中，她就能用化學(xué)手柄來(lái)繪制圖譜，比如在化學(xué)手柄上標(biāo)記熒光分子，發(fā)出的光會(huì)揭示聚糖在細(xì)胞中的隱藏位置。

貝爾托西在文獻(xiàn)中尋找她可以使用的化學(xué)手柄和化學(xué)反應(yīng)，但這并不是一件容易的事，因?yàn)槭直荒芘c細(xì)胞中的任何其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，除了要連接到手柄上的分子，它必須對(duì)所有分子都不敏感。為此，貝爾托西建立了一個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表達(dá)這個(gè)要求：手柄和熒光分子之間的反應(yīng)必須“生物正交”。

1997年，貝爾托西證明自己的想法確實(shí)有效。新突破發(fā)生在2000年，她找到了最佳化學(xué)手柄：疊氮化物。她用一個(gè)巧妙方法修改了施陶丁格反應(yīng)（Staudinger reaction），并用這個(gè)反應(yīng)將一個(gè)熒光分子與她引入細(xì)胞聚糖的疊氮化物連起來(lái)。因?yàn)榀B氮化物不影響細(xì)胞，它甚至可以被引入生物體內(nèi)。

貝爾托西改進(jìn)的施陶丁格反應(yīng)可以用多種方式繪制細(xì)胞圖譜，但她仍然不滿意。貝爾托西意識(shí)到，自己使用的化學(xué)手柄疊氮化物有更多用途。

這一時(shí)期，梅爾達(dá)爾和夏普利斯的點(diǎn)擊化學(xué)消息在化學(xué)界傳播。貝爾托西覺(jué)得，只要有可用的銅離子，疊氮化物可以迅速結(jié)合炔烴，問(wèn)題是銅對(duì)生物是有毒的。

貝爾托西又一頭扎入文獻(xiàn)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)早在1961年就有研究表明，如果一個(gè)環(huán)狀的化學(xué)結(jié)構(gòu)中存在炔基，即使沒(méi)有銅的幫助，疊氮化物和炔烴仍然可以一種幾乎爆炸式的方式反應(yīng)。于是貝爾托西在細(xì)胞中測(cè)試這種反應(yīng)，效果也不錯(cuò)。2004年，她發(fā)表了不含銅的點(diǎn)擊反應(yīng)，被稱(chēng)為應(yīng)變促進(jìn)炔疊氮化物環(huán)加成反應(yīng)，然后證明它可以用來(lái)跟蹤聚糖，讓隱藏的聚糖暴露自己。

貝爾托西通過(guò)應(yīng)變促進(jìn)炔疊氮化物環(huán)加成反應(yīng)跟蹤聚糖。圖中，聚糖發(fā)出綠色的光，細(xì)胞核是藍(lán)色的。

這一里程碑式的成果也是更大成就的開(kāi)始。貝爾托西一直在改進(jìn)她的點(diǎn)擊反應(yīng)，使得它在細(xì)胞環(huán)境中工作得更好。與此同時(shí)，她和許多其他研究人員也利用這些反應(yīng)來(lái)探索生物分子在細(xì)胞中的相互作用，研究疾病過(guò)程。

貝爾托西關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是腫瘤細(xì)胞表面的聚糖。她的研究顯示，某些聚糖可令腫瘤免受人體免疫系統(tǒng)的傷害，因?yàn)樗鼈兪姑庖呒?xì)胞關(guān)閉。為了阻止這種保護(hù)機(jī)制，貝爾托西和同事們創(chuàng)造了一種新型生物藥。他們將一種聚糖特異性抗體與酶結(jié)合，分解腫瘤細(xì)胞表面的聚糖。這種藥物目前正在癌癥晚期患者身上進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

研究人員也開(kāi)始開(kāi)發(fā)針對(duì)一系列腫瘤的點(diǎn)擊性抗體。一旦該抗體附著在腫瘤上，就注射第二個(gè)能通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)附著在抗體上的分子，例如，可以添加一種放射性同位素，這樣可以用PET掃描儀來(lái)追蹤腫瘤，或者給予癌細(xì)胞致命劑量的輻射。