10月5日，新一年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位在“點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)”領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。
“點(diǎn)擊化學(xué)”是個(gè)啥？“生物正交化學(xué)”又是在說(shuō)什么？不必被陌生的詞匯嚇到，其實(shí)它們都是巧妙又實(shí)用的技術(shù)——而且，就像拼樂(lè)高那樣簡(jiǎn)單。
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把“click chemistry”翻譯成點(diǎn)擊化學(xué)有點(diǎn)不好理解，Click其實(shí)描述的是那種把塑料積木或者插扣插到一起的感覺(jué)?；蛟S說(shuō)它是“咔噠化學(xué)”會(huì)更生動(dòng)一點(diǎn)。
簡(jiǎn)單說(shuō)，點(diǎn)擊化學(xué)就像是用分子來(lái)拼樂(lè)高：利用這種技術(shù)，可以像拼插積木那樣簡(jiǎn)單高效地把小分子模塊組合到一起，合成出人們所需要的化學(xué)分子。為了讓普通的分子變成“可拼插積木”，研究者需要事先改造其化學(xué)結(jié)構(gòu)，加入容易發(fā)生反應(yīng)的“拼接插頭”。
點(diǎn)擊化學(xué)：用模塊積木來(lái)合成分子 | pixabay
如果用傳統(tǒng)方法來(lái)合成復(fù)雜的分子，通常要經(jīng)歷很多繁瑣的步驟，對(duì)反應(yīng)過(guò)程的控制也沒(méi)有那么精準(zhǔn)。因此合成復(fù)雜分子會(huì)很花時(shí)間，而且每個(gè)步驟都可能產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)物，讓最終收獲的目標(biāo)產(chǎn)物變得很少。這種麻煩會(huì)限制新分子的應(yīng)用，使它們很長(zhǎng)時(shí)間都無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)。
而點(diǎn)擊化學(xué)解決了這一問(wèn)題，通過(guò)巧妙的思路讓有機(jī)合成化繁為簡(jiǎn)、效率大幅提高。由于連接處使用了特制的“插頭”，這種方法合成的分子和傳統(tǒng)方法略有不同，但它依然擁有與原版相似的結(jié)構(gòu)與功能。
這種拼積木式的合成方法在基礎(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)中都非常有用。比如說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室里的化學(xué)家可以用這種方法更快速地合成各式各樣的新分子，并從中篩選有潛力成為藥物的部分。合成速度加快了，篩選也能變得更高效，這樣一來(lái)，就加快了新藥研發(fā)的速度。
除了讓合成變得更容易，在分子中留下“可拼接插頭”還可以用來(lái)改造材料，為它賦予全新的性質(zhì)。比如說(shuō)，可以在塑料或纖維中拼入導(dǎo)電、抗菌、防護(hù)紫外線等有特殊功能的“積木塊”。
點(diǎn)擊化學(xué)需要精心挑選的“插頭”與化學(xué)反應(yīng)來(lái)拼接分子。這樣的反應(yīng)有很多種，其中代表性的一個(gè)是銅催化的疊氮-炔烴環(huán)加成，獲獎(jiǎng)?wù)吣︻D·梅爾達(dá)爾（Morten Meldal）與巴里·夏普萊斯（Barry Sharpless）各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這種潛力巨大的連接反應(yīng)。
把分子連接在一起的疊氮-炔烴環(huán)加成反應(yīng) |nobelprize
在這里，兩邊分子上的“插頭”分別是疊氮基團(tuán)和炔基。只要有亞銅離子催化，它們很容易連接起來(lái)，形成穩(wěn)定的三唑結(jié)構(gòu)。這就像是插扣很容易插到一起，同時(shí)又不容易被拉開(kāi)。
發(fā)生在反應(yīng)瓶中的點(diǎn)擊化學(xué)已經(jīng)非常有用了，而另一位獲獎(jiǎng)?wù)呖辶铡へ悹柾旋R（Carolyn Bertozzi）則在一個(gè)更加厲害的地方進(jìn)行了實(shí)踐：她把反應(yīng)搬進(jìn)細(xì)胞環(huán)境，讓它成為了一種研究細(xì)胞生理的有力手段。
確切地說(shuō)，她利用點(diǎn)擊化學(xué)的思路給想要研究的細(xì)胞分子“拼接”上了一塊人工標(biāo)記。經(jīng)過(guò)這樣的化學(xué)改造，可以讓原本難以追蹤的分子變得很容易成像，或者也可以對(duì)它進(jìn)行其他性質(zhì)的改造。
貝爾托齊為細(xì)胞上的聚糖分子加入熒光標(biāo)記|nobelprize
照片中，被標(biāo)記的聚糖是綠色的，藍(lán)色的部分則是細(xì)胞核｜Proc Natl Acad Sci USA (2007) 104:16793–16797
這項(xiàng)技術(shù)的厲害之處在于，貝爾托齊不僅完成了自己需要的化學(xué)反應(yīng)，而且完全沒(méi)有干擾細(xì)胞內(nèi)原本發(fā)生的生理反應(yīng)——這種不干擾生物的特性也就是獲獎(jiǎng)理由中提到的“生物正交化學(xué)”。
為了做到這一點(diǎn)，她對(duì)原有的連接反應(yīng)與“插頭”基團(tuán)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)之后，反應(yīng)不再需要使用有毒的銅催化劑。
貝爾托齊本人利用這種方法研究細(xì)胞表面的聚糖分子，而許多其他研究者也正在使用這種創(chuàng)新技術(shù)。他們以此探索生物分子在細(xì)胞中的相互作用，并研究這些作用與人類(lèi)疾病的關(guān)聯(lián)。
參考文獻(xiàn)
[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2022/popular-information/
關(guān)鍵詞： 化學(xué)反應(yīng) 大規(guī)模生產(chǎn) 其他性質(zhì)
