彩云网注册网 - ios/安卓/手机版app下载

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.

加强生态修复 守护黄河湿地******

　　河南黄河湿地国家级自然保护区三门峡管理处——

　　加强生态修复 守护黄河湿地(新时代新征程新伟业)

　　扑棱棱，两只大天鹅展开白翅，踏水起飞。一名摄影者翻越围栏近拍大天鹅，正在黄河边巡护的李丰波上前阻止。

　　“如今，这里湿地生态环境持续向好，每年来三门峡越冬的大天鹅有上万只。”河南黄河湿地国家级自然保护区三门峡管理处保护科科长李丰波告诉记者。

　　河南黄河湿地国家级自然保护区三门峡段，东西长205公里，总面积2.85万公顷，是我国候鸟基本迁徙地、觅食地、越冬地。保护区三门峡管理处，承担所辖湿地的野生动物巡护救护、湿地生态修复治理、疫源疫病监测和大天鹅研究等工作。

　　“党的二十大报告提出‘推行草原森林河流湖泊湿地休养生息’，我们深感责任重大。”三门峡管理处党支部书记张艺凡说，“我们将以习近平生态文明思想为根本遵循和行动指南，保护野生动物，守护黄河湿地，推进湿地保护事业高质量发展。”

　　巡护救护野生动物，保护生物多样性

　　下午3点，李丰波来到距三门峡市区30公里的后地村黄河滩区“天鹅湾”，成群的大天鹅聚集于此，觅食、休憩、飞翔。

　　拿起望远镜，观察有没有大天鹅落单、受伤；打开手机拍照，上报新发现的野生动物，李丰波的工作很充实。1小时后，他开始统计大天鹅数量。“以20只为1个单位计算，汇总其他巡护员的数据，再通过监控视频截屏核对。”李丰波指着不远处的监控器说。近两年，管理处共设置18个监控点，实现半径3公里24小时监测。

　　“3700只，这是‘天鹅湾’实时的大天鹅数量。”李丰波说，与往年同期相比，数量增加了。

　　返回管理处野生动物救护监测中心，李丰波拉上同事崔源，一同观察救助的大天鹅。2020年底，该中心成立，承担全市野生动物的救护、监测、收容、放生工作。

　　院内的一间屋子是大天鹅收容处，两只大天鹅在水池里悠闲地游来游去。

　　“两天前，我们接到求助电话：一只大天鹅落到陕州区张茅乡的村民院中。”负责野生动物救护的崔源驱车前往，将其带回救护监测中心。

　　崔源对大天鹅进行了检查，发现没有外伤，鼻腔中有黏液。他给大天鹅服用药物，补充了葡萄糖。两小时后，大天鹅逐渐恢复。“观察一周，如果康复就放归自然。”崔源说。

　　被救护的野生动物，不只有大天鹅。救护监测中心成立后，已累计救助雕鸮、红腹锦鸡、长耳鸮、豹猫等野生动物100多只。如今，在黄河湿地保护区三门峡段，分布有野生动物1066种、昆虫582种、鱼类84种、脊椎动物486种、野生植物1121种。鸟类从2003年保护区设立前的175种，增加到目前的315种，其中包括黑鹳、大鸨、中华秋沙鸭等9种国家一级保护动物，大天鹅、疣鼻天鹅、灰鹤等34种国家二级保护动物。

　　“贯彻落实党的二十大精神，我们将秉持人与自然和谐共生理念，健全巡护救护制度，加大野生动物保护力度，保护黄河湿地生物多样性。”崔源表示。

　　加强生态修复治理，建设大美湿地

　　曾经，为叩开高秋建养驴场的大门，杨战锋没少犯难。“今天再敲门，一敲就开。”三门峡管理处副主任杨战锋说着，见高秋建迎了出来。

　　年过60岁的高秋建，住在三门峡市城乡一体化示范区禹王路街道官庄村，从事养殖业10多年。2021年9月，河南省林业局发布沿黄河湿地自然保护区鱼塘畜禽养殖整改意见，要求核心区、缓冲区停止养殖，拆除养殖设施；对实验区畜禽养殖，无法清退的，签订多方共管协议，杜绝畜禽粪便污染。

　　高秋建的养驴场位于实验区。起初，杨战锋与三门峡市城乡一体化示范区农业农村局林业科负责人找上门时，高秋建直犯嘀咕：“怕协议签了，养殖场还要拆除。”经过反复解释，高秋建同意签约：占地3亩，养驴100头，不扩大规模，及时清理养殖场粪便，防止渗漏污染。

　　“今天，我们来看看履约情况。”杨战锋说。

　　高秋建赶忙把杨战锋拉到驴舍，“驴粪干燥，周边村民拉到地里当肥料，没有随意堆放。”

　　“养驴没超100头。”杨战锋转了一圈，没发现违约之处。

　　按照要求，三门峡管理处排查出黄河湿地畜禽养殖场13家，均位于保护区的实验区，全部签订保护协议；排查出黄河湿地内果树面积1.3万余亩，涉及农户1551户，全部完成整改并签订规范种植协议。

　　加强生态修复治理，建设大美湿地，三门峡管理处将责任扛在肩上。

　　杨战锋和工作专班，来到陕州区大营镇桥头村黄河滩区。“千亩莲塘”边一派忙碌景象，车辆吊起一棵棵红枫树放入土坑，施工人员培土、踩实，支起防护架。

　　计划种植红枫树700棵，已种植100多棵……杨战锋走进现场了解进度。这里原是一片鱼塘，违规建有农家乐。管理处督促属地于2019年6月底前完成设施拆除，贯通鱼塘水系。2022年3月，陕州区争取到700多万元资金，开展植树种草，实施提升改造，目前已加固坝堤3000多米，种植荷花20多万株。

　　“过去几年间，我们督促整改保护区内132个问题，促进了黄河湿地保护。”杨战锋说。

　　这些年，三门峡市持续开展黄河湿地保护区生态修复，清理餐饮船、捕捞船463艘，清理违规企业24家，实施生态修复185.5万平方米。

　　监测防控疫源疫病，开展大天鹅迁徙科学研究

　　挎上样本采集盒，三门峡管理处野生动物疫源疫病监测站站长侯长江轻轻走向黄河滩，“每个月取样，最怕惊动大天鹅。”

　　在距离大天鹅100多米处，侯长江找到大天鹅排泄物，取出棉签棒取样，随后放入采样管。

　　三门峡管理处自2005年成立以来，持续开展重点物种监测和生物研究项目，防控大天鹅疫源疫病。

　　回到野生动物救护监测中心，侯长江打开超低温冰箱，放入所采样本，“冷冻后，将送往专业的检测机构，作为大天鹅疫源疫病研究的第一手材料。”

　　2020年冬天，巡护员发现多只大天鹅死亡。管理处第一时间取样送检，启动应急处置机制，规范收容救护，并对大天鹅栖息重点区域周边实施消毒。自2021年3月至今，未再发现异常情况。

　　储存了样本，侯长江来到收容处，为之前救助的大天鹅安装卫星信号追踪器，并给大天鹅戴上环形标志。他拿出手机，屏幕上显示大天鹅飞行轨迹监测系统。

　　“有了这套系统，佩戴有卫星信号追踪器的大天鹅从哪里飞来、经过哪里、飞行高度、活动量、停留点位的经纬度，都一清二楚。”侯长江说，通过研究大天鹅迁徙轨迹，发现到三门峡过冬的大天鹅主要来自蒙古国、我国的内蒙古和新疆；每年第一批飞来过冬的大天鹅，到达三门峡的时间通常在农历九月十五前后。

　　2022年2月，三门峡市有关部门给24只大天鹅安装了卫星信号追踪器。目前，12只已经返回三门峡，另有12只正在返回途中。

　　在黄河滩区，侯长江放飞了装有卫星信号追踪器的大天鹅。5分钟后，飞行轨迹监测系统显示大天鹅飞到湿地旁边的麦地。2020年，三门峡管理处组织实施黄河滩区土地平整，在“天鹅湾”周围种植了600亩小麦，作为大天鹅的食源地，并通过观察饮食研究大天鹅的生活习性。

　　“到三门峡的大天鹅，从几十只增加到1.5万只，说明这里的黄河湿地生态变好。接下来，我们要进一步研究大天鹅对栖息地的要求，更好保护三门峡的黄河湿地。”张艺凡说。(人民日报 本报记者 马跃峰 王 者)

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）