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.
走不走亲戚喝不喝酒? 重塑春节文化的年轻人******
走不走亲戚喝不喝酒?
重塑春节文化的年轻人
“谁喝得多谁机会就多,这完全没道理。”19岁的李园洁与父亲因喝酒发生分歧后,将自己的经历发在网上,得到众多网友支持。
每年过年前,24岁的张一嘉都要为“走亲戚”感到压力巨大。“妥协吧,我难受;不妥协吧,每年都吵架。”
“这是第一次不在自己家里过年,想到爸妈在家里冷冷清清,心里非常不好受。”春节刚过,李悦颖打算跟丈夫沟通,争取明年各自回家过年。
酒桌文化会被90后、00后转变画风吗?遭遇亲戚“经典三连问”怎么办?独生子女夫妻回谁家过年?在人们为久违的团聚欢欣雀跃时,新思维、新观念与传统习俗文化的碰撞,也在假期浮出水面。
不喜欢酒桌文化,希望喝酒点到为止
“如果有聚会,我只是喝一些低度数的鸡尾酒。”平日里,张铭可以说是滴酒不沾。
今年春节,张铭和家人聚餐时喝了半瓶白酒,“长辈和同辈的兄弟们都在喝,不好意思拒绝。”按照老家规矩,他需要先给长辈们挨个敬酒,再和几位堂兄弟喝,一圈下来就感觉脑袋晕乎乎的。
这顿饭局从中午12点持续到下午2点多。“社恐”的他时不时回答着亲戚朋友的询问:“在北京工作怎么样啊”“有没有谈对象”“打算什么时候结婚”……结束后,张铭足足睡了3个小时。
张铭不太喜欢春节酒桌“礼仪”,但是又想着“一年见面次数不多”“饭局里都是自己人,就算喝多了也不会怎么样”,还是选择遵循。“我和朋友喝酒就没有这么多礼数和规矩,想喝就喝,不想喝就不喝。”张铭说。
一次与亲戚聚会时,李园洁的父亲说:“长大了要懂一些人情世故,不喝酒就是不给别人面子,连朋友都交不到。”李园洁则认为:“我知道中国有流传已久的酒文化,但这并不等于酒桌文化这种‘糟粕’。”
春节期间,李园洁也会与朋友“小酌一杯”,但是大家都点到为止,绝不会强迫对方。她说:“我把自己的想法发在网上,有很多人支持,所以我更有勇气坚持自己。”
2018年,李翔到北京上大学,爷爷和他约定,等他留在北京工作,会带上奶奶一起来京旅游,还要一起喝一口地道的二锅头。
大年二十九,李翔从北京回到了老家湖南长沙。一下飞机,他就和父母一起,把准备好的年夜饭,附上一瓶从北京带来的二锅头,一并送到爷爷奶奶家门口。他们在给年夜饭外包装做消杀之后,没等老人开门便转身离开。
前不久,奶奶主动提出,今年全家不再一起吃年夜饭了。2022年7月,李翔的爷爷体检查出了癌症,他选择保守治疗,遵医嘱不再抽烟喝酒。在新冠病毒感染高峰中,两位老人严格在家自我隔离,并没有感染。但风险还在,春节并不是相聚的好时机。
自称“还算争气”的李翔,毕业后进入北京的一家国企。因为疫情,2022年,爷爷奶奶没能来北京旅游;如今回家了,他也没能和爷爷奶奶见面。
“我知道,就算我给爷爷带了二锅头,他也不会喝的。但带来这瓶酒,意味着我完成了与他的约定,意味着我们能够团聚。”和爷爷的约定,李翔始终记得。
经历了疫情煎熬,才明白亲情是多么重要
大年初二,汉宇在社交网络账号上分享了一条名为《不走亲戚的90后春节vlog》的短视频,记录宅家过年的日常:打扫卫生、喝咖啡、吃甜甜圈、追剧、安装烤箱……
可是,没有走亲访友的热闹场面。“聚在一起就是互相比较谁家孩子工作好、收入高,我只能默默听着或者放空自己。年轻人还可能各自玩手机。”
近两年,“断亲”这个词逐渐被年轻人所熟悉。南京大学社会学系副教授胡小武曾对此下定义:“断亲”主要表现为懒于、疏于、不屑同二代以内亲戚互动和交往的现象。
张一嘉也因为“走亲戚”和爸妈发生矛盾。张一嘉一直认为姥姥重男轻女:“小时候过年去姥姥家,姥姥都会挑刺,这个做得不好,那个说得不对,结论都是我没有表哥好。后来长大点了,我就找各种理由不去姥姥家。”
“但是,每次提到‘去不去姥姥家’,我妈都会当着我的面哭,骂我不孝顺,甚至好几天都不理我。”张一嘉说。
上大学那年冬天,张一嘉的姥爷去世了,但她有很重要的考试,没有赶回去参加葬礼。那年除夕,为了让妈妈开心,也为了弥补自己的愧疚,她在饭桌上主动提出去姥姥家。张一嘉的妈妈激动地在饭桌上流下了眼泪。
张一嘉说自己并不是完全不走亲戚,自己平时与堂哥堂姐接触比较多,关系也很好。但是,她拒绝用血缘和亲情来“绑架”人。
大年三十,受到冷空气影响,内蒙古呼伦贝尔最低气温降至-43℃。上午11点,23岁的王浩在寒风中寻找出租车。父母已经先行赶到老人家中,就剩他成了十几斤重年货的搬运工。
“家里的老人走了一趟‘鬼门关’,必须好好陪陪他们。”王浩96岁高龄的姥姥刚刚经历了一场生死考验。在北京学习医学专业的王浩,听说姥姥“阳了”,已做好了最坏的打算。幸运的是,由于入院及时,家人照顾周到,老人逐渐恢复了健康。
等待了半个小时,王浩终于坐上了出租车。尽管身上穿着加厚羽绒服,抗风牛仔裤外面还套着一件大棉裤,帽子、手套、围巾全副武装,他还是抵挡不住寒冷,刘海和睫毛因结冰而变得花白。不过,“只要团聚,路上的一切都是值得的”。
“在父母的时间表里,一切都已经算好”
除夕,邓斯尹与一位叔伯产生剧烈争执。这位长辈说:“现在男生都喜欢独生女或者家里两个女儿的,你这种有弟弟的最不好,还不快点结婚,免得男朋友跑了。”
邓斯尹急忙反驳,但最终她没有说服任何人,反而被批评不尊重长辈。
王晶晶是独生女,今年26岁,研究生毕业后留在北京工作。春节期间,父母为她安排了线下相亲。相亲过程中,两个人面面相觑,被王晶晶形容为“脚趾抠地般的尴尬”。
长假期间,王晶晶在家庭群里转载了一则视频,内容是一位专家告诫父母应该多多理解子女,时代不同了,女性不结婚也完全可以自己独立生活。王晶晶的妈妈回复:“这些专家简直误人子弟。”
在王晶晶眼里,老一辈结婚是因为要互相扶持帮衬家里,如果自己将来决定结婚,那一定是因为两个人在一起比一个人要快乐。
李悦颖新婚不到半年,丈夫是自己的县城老乡。春节前半个月,李悦颖提前请假回家,老公则留在西安上班。小年夜,李悦颖收到了公婆发来的消息,希望她能过去住。那天,李悦颖在公婆家吃完晚饭,还是回到自己家中。她认为,无论结婚与否,自己家永远是自己家,老公的家是老公的家。
除夕,当地有“嫁出去的女儿不能待在父母家”的习俗,她不得不在公婆家吃团圆饭。“来来往往的亲戚都不认识,还被一个劲地催着生娃,感觉很不受尊重。”
家在东北的杨天,今年选择和丈夫各自回家过年。这个决定并不符合当地传统习俗。但是,杨天与丈夫常年在外工作,只有春节假期才能见到家人,比起遵循旧习,她更想好好陪陪父母。
起初,丈夫也觉得结婚第一年没把媳妇领回家“有点没面子”,但杨天反问:“为什么是我跟你去你家过年,不是你跟我去我家过年?”丈夫便不再多言。面对亲友的疑问,杨天统一回应:“我们走在时尚前端。”
“你看你姥姥生病了,我和你舅舅还可以去照顾。所以你不能不要孩子,以后生病了就没人管你……”春节期间,读大三的范子菁几乎每天都会听到这样的话。按照父母的理想规划:先考上研究生,读研时就要谈恋爱,争取毕业后把工作和对象都稳定下来,到时候父母即将退休,还有时间帮忙照顾孩子。
“在我父母的时间表里,一切都已经算好。”范子菁的妈妈经常在手机里刷相亲群的消息。“一看到我同学有对象了,她准在第一时间告诉我。”
前几年的春节餐桌上,梁晓叶是最风光的人,因为她是全苗寨第一个女大学生。“扶贫先扶智”,这些年村里人重视子女教育。2017年,她顺利考入省城长沙的大学。
“当年有多风光,现在就有多‘落魄’。”毕业后,梁晓叶成为长沙一家公立幼儿园的教师。然而,亲戚们的话题从学业转向了婚恋:“同龄姐妹孩子都上幼儿园了,稍差一点的婚礼档期也排到后年了,你怎么还是找不到男朋友?”
“没结婚,人生就不圆满!”梁晓叶有一个30多岁还没结婚的堂姐,被全家人当成反面教材。她却不这么想:“堂姐是大学老师,有房有车,很圆满啊!”
梁晓叶并非“独身主义”,她想等到30岁再结婚。她发现,稍年长的、拥有一定资源积累的家长,能够给孩子提供更好的成长环境,“而我现在自己都养不活”。
“这个报道千万不能让老家亲戚看到,不然他们会说我带‘坏’其他人!”梁晓叶最担心的,还是亲戚们对她这个未婚青年的审视。
(应受访者要求,李园洁、张一嘉、王晶晶、李悦颖、张铭系化名)
中青报·中青网见习记者 刘胤衡 裴思童 王军利 谭思静 来源:中国青年报
(文图:赵筱尘 巫邓炎)