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诺奖解读|一文看懂点击化学和生物正交反应,以及其间联系

澎湃新闻记者 邵文
2022-10-06 07:31
来源:澎湃新闻

·点击化学和生物正交反应充分展现了化学的艺术和本质。

·对于复杂多样的化学合成,相当于建造一个复杂的大楼,怎样能从简单的模块构建,需要找到这些好的模块,能够简单容易的完成复杂的化学反应和分子。

2022年诺贝尔化学奖获得者:美国化学家卡罗琳·贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi)、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔(Morten Meldal)和美国化学家卡尔·巴里·夏普利斯(K. Barry Sharpless)(从左到右)。

北京时间10月5日,瑞典皇家科学院宣布,将2022年诺贝尔化学奖授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi)、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔(Morten Meldal)和美国化学家卡尔·巴里·夏普利斯(K. Barry Sharpless),以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。

澎湃科技连线多位化学领域科学家,解读三位诺奖获得者的学术突破性贡献、研究意义及该领域的目前发展。

澎湃科技:能不能先请您做一个简单的科普,什么是点击化学,什么是生物正交化学?为什么点击化学和生物正交化学方面的研究进展如此重要?

张增辉(上海纽约大学教授):简单地说,点击化学就是用简单、通用的小分子化学反应来与生物分子进行合成。这些反应都是环境友好、稳定、高效的反应,而且不产生什么副作用产品。生物正交反应指活体如细胞里的反应,这些化学反应不会干扰活体里面正常的自然生物化学过程。简单地说,这些化学反应和活体细胞的正常生物过程是互不干扰的,所以叫生物正交,就是与生物过程相互不干扰。

点击化学主要应用在生物正交反应,最主要的应用是活体和生物体内的影像检测等,因为他们不会干扰活体内的正常生物过程。

2022年诺贝尔化学奖相关研究成果让困难的化学反应过程变得更容易。

施章杰(复旦大学化学系教授):点击化学是Sharpless教授首次提出的合成化学概念,通过小单元简单高效拼接来实现功能分子的化学合成,就像扣汽车安全带按钮一样“click”,简单直接。生物正交反应是指能够在活体内进行且不干扰生命体内其他反应的一类化学反应。点击化学高效性和生物正交反应选择性和特异性使此类有机化学反应在化学、材料,特别是在生命科学领域广泛应用。

澎湃科技:你怎么评价这三位科学家的突破性贡献?

张增辉:这些工作的主要突破更多的是发现新的重要化学反应,能够很好应用到生物体系。有机化学有很多重要的化学反应,很多都是用发现这些反应的人名来命名的。其中Sharpless的贡献是最重要的,点击化学的主要贡献是怎样把复杂多样性的化学反应,用几种模块化的简单的化学反应来完成。就是用一些简单通用的模块反应来组合复杂多样的化学反应。

2001年领取诺奖证书时的美国化学家卡尔·巴里·夏普利斯(左)。2022年,他再次荣获诺贝尔化学奖。

施章杰:三位科学家在概念的提出、新Click反应的设计和发展以及在生命体系中的应用方面做出了重要的贡献。此次获奖也是连续两年诺贝尔化学奖重新回归化学,充分展现化学从概念、基础科学到应用的多维度。除此之外,本次诺贝尔奖也表明了跨学科交叉的重要性。

澎湃科技:具体而言,能不能谈谈三位科学家中您比较了解的一位有哪些标志性的工作成果?

张增辉:Sharpless最出名的论文“Click chemistry: Diverse chemical function from a few good reactions”,2001年发表在德国应用化学,目前引用1万多次。还有2002年发表的德国应用化学的“A stepwise Huisgen cycloaddition process: Copper(I)-catalyzed regioselective "ligation" of azides and terminal alkynes”,目前引用9千多次。

澎湃科技:对于卡尔·巴里·夏普利斯第二次获得诺贝尔化学奖,化学界有什么反应,是否在预期之外?

张增辉:Barry Sharpless教授二次获奖,我是有一点意外,他在2001年获得的诺奖是关于“不对称化学合成”,这次是点击化学和生物正交合成,都是关于化学合成的,二方面的工作具有一定的关联。但我的主要研究领域是理论化学,不是有机化学领域的专家,某种程度上也是从外行的角度来看。

施章杰:在意料之中。Barry Sharpless教授在此领域提出了新概念,对方法学的建立也做出了卓越的贡献,实至名归。

澎湃科技:点击化学及生物正交化学之间有什么样的联系吗?这两个领域目前分别最关注的核心问题是什么?

施章杰:化学的本质在于旧的化学键的断裂和新的化学键的生成,从而实现新物质的构建。点击化学和生物正交反应都充分展现了化学的艺术,点击化学是化学反应效率和选择性的完美体现,而生物正交反应在生命体系中具有特异性,二者的完美结合可以实现功能分子与生命分子的高效连接,为生命活动化学本质的研究提供了最有力的工具。

Carolyn R. Bertozzi、Morten Meldal和K. Barry Sharpless被授予2022年诺贝尔化学奖,以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。

张增辉:点击化学主要是提出了一个很好的概念,对于复杂多样的化学合成,相当于建造一个复杂的大楼,怎样能从简单的模块构建,需要找到这些好的模块,能够简单容易的完成复杂的化学反应和分子。目前点击化学主要应用在生物领域,也就是生物正交反应,主要用于活体的分子探测。

生物正交反应在生物体内的应用具有很好的前景,对化学生物学的发展具有非常重要的意义,过去很多只能在体外进行的化学反应,可以应用到生物体内进行,对生物工程等具有很重要的应用。比如,是否可以应用生物正交反应直接在体内合成药物?

目前,核心的问题是发现更多的生物正交反应,特别是快速和稳定的反应,以及具有一些特殊性质的反应物。简单解释,点击化学的重要应用领域之一是药物分子合成,生物正交反应是把点击化学应用到生物体内。

    责任编辑:吴跃伟
    校对:丁晓