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.
时代意识·视角独特·方法自觉******
时代意识·视角独特·方法自觉
——《青年亚文化的时代表征与引导对策研究》评介
作者:韩庆祥(中央党校一级教授,中央党校(国家行政学院)专家工作室领衔专家)
习近平总书记在庆祝中国共产主义青年团成立100周年大会上的讲话中指出,“青春孕育无限希望,青年创造美好明天。一个民族只有寄望青春、永葆青春,才能兴旺发达”。青年是整个社会力量中最积极、最有生气的力量,国家的希望在青年,民族的未来在青年。卜建华教授的专著《青年亚文化的时代表征与引导对策》的主要内容就是学习和研究习近平总书记关于青年思想教育工作系列论述的一些认识和体会,该书紧扣青年、青年亚文化、有效引领这三个关键词,通过梳理和分析现阶段青年亚文化的时代表征与青年网络社会生活方式,审视青年亚文化在自媒体时代的时代表征与发展态势,提出了青年亚文化引导的具体措施,这对我们加强网络意识形态工作、强化青年思想政治教育、着力培育中国特色社会主义建设者和接班人具有重要的实践意义。
首先,为做好高校意识形态安全工作提供了新的时代意识。马克思指出:“问题就是公开的、无畏的、左右一切个人的时代声音。问题就是时代的口号,是体现自身精神状态的最实际的呼声”。任何时代都有自己的命题,只有科学地、辩证地把握和认识这些困难,才能够把我们的社会推向前进。当前网生代青年正处于人生成长的关键时期,知识体系搭建尚未完成、价值观塑造尚未成型、情感心理尚未成熟。必须要有问题意识,立足于网络信息时代与青年群体的精神需求,面对青年亚文化所体现的时代样态类型,需要科学的教育引导,使其具备与时代发展相适宜的核心素质,才能不负伟大时代赋予的崇高使命与时代重任。青年亚文化是一种集娱乐、批判、建构于一身的复杂意识形态体系,是青年群体中不同于社会主流文化的价值观念和行为模式的集合,是青年群体在生活方式、思维观念、行为方式、精神品格、心理特征、话语体系等不同于社会主流文化的综合体现。把握青年亚文化,既要审视青年自身实际,分析青年网络亚文化特征,又要跳出青年看青年,从时代的高度观照青年网络亚文化发展环境与奋斗精神培育状况,注重从社会大系统中聚焦青年亚文化。中国特色社会主义进入了新时代,新时代标注了青年发展的历史方位,为青年亚文化的引领指明前进方向、注入强劲动力、涂抹上靓丽底色。新时代需要新青年,只有具备与时代发展潮流相匹配的素质,以昂扬向上的姿态踏上新的长征路,才能在中国特色社会主义伟大事业中放飞青春梦,展现新气象。本书介绍了青年亚文化的时代表征与引导对策,分析了其对意识形态功能的两面性和不可预测性,提出了具体的措施与机制。尽管不同类型的青年亚文化之间缺失严密的逻辑性,但从整体上看做到了时代意识导向下的主题明确,各高校可以充分借鉴相关研究内容,着力引导青年亚文化的理性发展,为做好高校意识形态工作提供坚强保证。
其次,为审视网络亚文化背景下的青年政治社会化提供了新的独特视角。一本书的新视角会让读者耳目一新,萌发读下去的冲动;一本书的视角创新能够带给读者思考,增长知识和智慧。视角创新,就是是否凝练反映时代标识的新概念、能否提出符合时代发展趋势又合乎情理的新观点。政治社会化是青年成长过程中的关键性阶段,青年政治社会化要求青年个体树立和培养与社会主流意识形态相近的社会价值观,并逐步促使青年成为社会主义核心价值观的践行者。本书运用马克思主义理论、政治学、社会学、法学等多学科的理论与方法,全面研究了青年亚文化的时代样态呈现、主要内容及现实途径。围绕青年这一青年亚文化的参与主体,强调青年亚文化样态呈现与青年政治社会化历程高度统一。以上概念和观点,思路清晰,逻辑严密,观点鲜明,对我们深入研究、理解思考当前网络文化背景下的青年政治社会化提供了一个新视角,耐人寻味、引人深思,体现了本书的“时代感”“厚重感”。
最后,为增强高校网络思想政治教育的针对性、实效性提供了新的方法自觉。方法论是一种解决实际问题、立足于社会生活为目标的思想体系和系统,问题意识与视角创新都离不开方法自觉。纵观整本著作,处处体现着作者发现问题、认识问题、解决问题的方法。具体包括:大德育观、个人访谈法、系统观点等。落实立德树人根本任务,网络是重要阵地,网络思想政治教育工作是重要途径。对于网络阵地,主流意识形态不占领,非主流意识形态就会去占领。青年网络亚文化作为文化的一种形态,作为自媒体时代青年群体的网络化社会生活方式,必然受全球化和网络化的影响,这种影响是积极与消极、正面与反面、机遇与挑战的统一体。与以往相比,现阶段的青年在国家观、道德观、自我观等方面有着独特的表达方式和行为倾向。碎片化、短暂化、融合化则是青年亚文化在自媒体时代下的样态类型与文化表征。边缘与主流的互动、从抵抗性的消解与娱乐性的增强、从自我表现、自我满足转向自我愉悦,构成新时代青年亚文化发展的态势。本书深入阐述了青年亚文化的时代表征与长效教育资源特性,对于我们借助青年亚文化的发展态势,丰富其教育引导功能、鼓舞激励功能、重塑思想政治教育功能,具有深厚的现实针对性和丰富的实践指导性。
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(文图:赵筱尘 巫邓炎)