分子构建创新者获得诺贝尔化学奖

2022 年诺贝尔化学奖被联合授予三位研究人员：Carolyn Bertozzi，以表彰她对生物正交化学的发展，以及 Morten Meldal 和 K. Barry Sharpless，以表彰他们对点击化学的独立发展

Carolyn Bertozzi、Morten Meldal 和 K. Barry Sharpless 因点击化学和生物正交化学而获得 2022 年诺贝尔化学奖。点击化学彻底改变了化学家可用于创建所需分子的选项。生物正交化学使监测活细胞内部发生的化学过程而不损害它们成为可能。

诺贝尔化学委员会主席 Johan Åqvist 在宣布时说：“这一切都是为了将分子吸附在一起。” 想象一下，他告诉听众，你可以将小的化学扣环连接到一堆不同类型的分子构件上，然后将这些扣环连接在一起以产生复杂的分子。大约 20 年前，斯克里普斯研究所的Barry Sharpless提出了这个想法，后来当他和哥本哈根大学的Morten Meldal独立找到了第一批完美的人选时，这个想法变成了现实。他们的带扣很容易扣在一起，不会连接到任何不应该连接的东西上。

然后，在 2003 年，Carolyn Bertozzi提出点击化学可以用于生物系统的研究，以便更容易地观察重要的细胞过程而不会干扰它们。Bertozzi 在 她和她的同事当年发表的一篇论文中将这种“生物正交”化学称为“生物正交”化学。此后，该术语已被 该领域广泛采用。

在不干扰自然生物反应的情况下在生命系统中进行复杂反应的能力使得研究细胞和斑马鱼等复杂生物体内的分子和细胞过程成为可能，而不是在实验室培养皿中。它已经帮助科学家了解了一种称为糖基化的重要蛋白质加工反应，帮助开发了可以检测生物体疾病的分子成像分子，并开辟了选择性地将药物输送到体内特定组织的可能性。

Åqvist 说，这些发现“引发了一场关于化学家如何思考将分子连接在一起以及如何在活细胞中进行连接的革命”。

今天的宣布标志着夏普莱斯第二次获得诺贝尔化学奖。2001 年，他与 William Knowles 和 Ryoji Noyori 因催化不对称合成的发展而获奖。

什么是点击化学？

Sharpless 在 1990 年代的大部分时间里都在考虑是否需要找到更简单的方法来合成复杂的分子。他的想法在2001 年的一篇论文中达到顶峰，在该论文中，他和他的合著者提出了“点击化学”一词来指代以有效、具体和快速的方式将分子构建块连接在一起的任何反应。论文发表后不久，Meldal 和 Sharpless 独立发现了第一个点击化学反应：一种非常有用的反应，称为铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应。

反应的一侧是叠氮化物，一种具有三个连续氮原子的分子。另一侧是炔烃，这是一种分子，其中两个碳原子通过三重键键合在一起。就其本身而言，这两个构建块的反应性不是很强：混合在一起，它们反应缓慢并产生混合物。但 Meldal 和 Sharpless 分别意识到，如果他们在混合物中加入一点铜，反应会急剧加速，并主要产生一种称为三唑的稳定产物。

通过在分子中策略性地添加叠氮化物和炔烃“标签”，化学家可以利用这种铜催化反应将它们精确地连接成具有特定结构的更大分子。

诺贝尔委员会的奥洛夫拉姆斯特伦在宣布时说，铜催化的反应立即引起了化学和相关领域的“巨大兴趣”。尽管已经发现了其他点击化学反应，但“这种特殊反应几乎已成为点击化学概念的同义词，通常也被称为点击反应，”Ramström 说。“你可以说它仍然是点击反应的皇冠上的明珠。”

什么是生物正交化学？

2003 年，Bertozzi 创造了“生物正交化学”一词，用于指在生命系统中可能发生的任何类型的化学反应，而不会干扰或伤害它。它是可应用于活生物体的点击化学。

这个想法的种子在 1990 年代萌芽，当时 Bertozzi 开始研究一种特定的聚糖，即在细胞表面发现的复合糖。使用她当时可用的化学技术对这种聚糖进行研究并不容易。但在听到另一位科学家举办关于诱导细胞产生非天然糖分子的研讨会后，Bertozzi 受到启发考虑她是否可以做类似的事情来绘制细胞上的聚糖。那是她开始研究生物正交化学的时候。

生物正交化学如何用于研究生命系统？

Bertozzi 想出了一种简单的方法来追踪细胞上的聚糖。首先，她在与叠氮化物相连的修饰糖附近培养细胞。细胞吸收修饰的糖并将其掺入其表面的聚糖中。然后 Bertozzi 向混合物中添加了一种炔烃，该炔烃上附着了一个荧光分子。炔烃与修饰的糖发生点击反应，并将荧光分子附着在其上。通过这个简单的反应，聚糖发出绿光，这使 Bertozzi 能够在显微镜下跟踪它们在细胞膜上的运动。

今天，斯坦福大学教授 Bertozzi 追踪在肿瘤细胞表面发现的聚糖。这项工作使她发现某些聚糖可以保护肿瘤细胞免受人体免疫系统的影响。她的发现为癌症免疫治疗开辟了道路，许多研究人员致力于寻找针对不同类型肿瘤的“可点击”抗体。Bertozzi 和她的团队也在研究这个问题。他们创造了一种新药，目前正在临床试验中，靶向并破坏肿瘤细胞表面的聚糖

点击化学和生物正交化学还有哪些其他应用？

跟踪分子通过和跨细胞的运动只是点击化学和生物正交化学的众多应用之一。

这些技术的一个主要优点是它们不会将不需要的副产物引入反应混合物中——它们具有清洁效率，使科学家能够为各种目的精心制作复杂的分子。

Ramström 说，点击化学在药物开发、DNA 测序、“智能”材料的合成以及化学家需要简单地连接成对构建块的几乎所有其他应用中取得了长足的进步。研究人员现在可以轻松地为各种材料添加功能，例如通过单击可以导电或捕获阳光的化学扩展。

生物正交反应被广泛用于研究细胞中的重要过程，这些应用对生物学和生物化学领域产生了巨大影响。研究人员可以探测生物分子如何在细胞内相互作用，并且可以在不干扰活细胞的情况下对它们进行成像。在疾病研究中，生物正交反应不仅可以用于研究患者的细胞，还可以用于研究病原体的细胞：细菌中的蛋白质可以被标记以跟踪它们在体内的运动。研究人员还开始开发工程抗体，这些抗体可以点击他们的肿瘤目标，以更精确地提供抗癌治疗。

“我们三位获奖者的这些非常重要的成就和这些非常奇妙的发现确实对化学和整个科学产生了巨大的影响，”拉姆斯特罗姆说。“为此，这确实是对人类最大的利益。”

近几年诺贝尔化学奖得主是谁？

去年，Benjamin List 和 David MacMillan 因开发不对称有机催化而获奖。2020 年，Emmanuelle Charpentier 和Jennifer Doudna因开发 CRISPR/Cas9 基因编辑而获得认可。John Goodenough、M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino 分享了 2019 年锂离子电池开发奖，“移动时代的隐藏主力”。2018 年的奖项授予了 Frances H. Arnold、George P. Smith 和 Gregory P. Winter，以表彰他们利用进化的力量生产用于制药、可再生能源、工业化学和许多其他领域的新型有益酶。2017 年，Jacques Dubochet、Joachim Frank 和 Richard Henderson 分享了改善生物成像状态的奖项。