科普:点击化学,如乐高玩具般结合分子构建模块——解读2022年诺贝尔化学奖

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科普:点击化学,如乐高玩具般结合分子构建模块——解读2022年诺贝尔化学奖

2022年10月06日 08:23 来源:新华网
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  新华社北京10月5日电(记者张莹)用人工方法合成天然分子是药学领域的重要组成部分,然而复杂分子的构建往往需要经过多个步骤,不仅生成不必要的副产物,还增加提纯难度,使得药物分子的生产过程既耗时又昂贵。获得2022年诺贝尔化学奖的三位科学家开创了一种全新的化学理念,能够让分子的构建模块快速、高效地结合在一起,如同乐高玩具一样,利用基础模块搭建出变化无穷的造型。

  瑞典皇家科学院5日宣布,将2022年诺贝尔化学奖授予美国科学家卡罗琳·贝尔托齐、卡尔·巴里·沙普利斯和丹麦科学家莫滕·梅尔达尔,以表彰他们在发展点击化学和生物正交化学方面的贡献。

  点击化学的概念来自沙普利斯在21世纪初发表的一篇文章。沙普利斯认为,让碳原子之间形成化学键是化学合成的一大障碍,来自不同分子的碳原子往往缺乏成键的化学动力,而人工激活反应的过程会导致许多不必要的副产物。他提出一种更容易掌控的路径,即利用氮原子或氧原子作为“桥梁”,将具有完整碳骨架的小型分子拼接起来。

  这种方法被称为点击化学。沙普利斯认为,组合简单化学模块的方法可以创造出几乎无穷无尽的分子种类,该方法可以生成与天然分子药物有类似功能的新药,并可以实现工业规模生产。

  此后不久,梅尔达尔和沙普利斯分别独立报告了“铜催化的叠氮化物-炔烃环加成”反应,它被称为点击化学“王冠上的明珠”。梅尔达尔在用铜离子催化炔烃与酰卤的反应时,发现炔烃与中间产物叠氮化物反应生成环状结构的三唑。梅尔达尔看到了叠氮化物和炔烃发生反应的价值,他于2002年在一篇学术文章中表示,该反应可用于将许多不同分子结合在一起。同一年,沙普利斯也发表了用铜催化使叠氮化物和炔烃发生反应的论文,并将其描述为“完美的”点击反应。

  点击反应的简单性和功能性让它在实验室合成和工业生产中流行起来,该反应还有助于生产满足特定需求的新材料。例如,在塑料或纺织品中添加可发生点击反应的叠氮化物,可以使这些原料与导电、抗菌、防紫外线辐射或具有其他特性的物质结合。该反应还可用于生产和优化可用作药物的化学物质。

  贝尔托齐的贡献是将点击化学应用扩展到生物领域。20世纪90年代,由于缺乏有效的工具,她在解析一种聚糖如何将免疫细胞吸引到淋巴结时遇到困难,最终从一份有关如何让细胞产生唾液酸的报告中找到灵感。

  唾液酸是构成聚糖的糖类之一。贝尔托齐想到,能否让细胞生成经过化学修饰的唾液酸。经过化学修饰的唾液酸能够参与构成不同的聚糖,因此可以用这种化学修饰定位聚糖。例如,可以将荧光分子连接到经过化学修饰的部分,荧光就能显示唾液酸参与构成的聚糖在细胞中所处位置。

  这不是一项容易的任务,除了需要连接的分子,用作化学修饰的物质不能与细胞中任何其他物质发生反应。贝尔托齐专门创造一个术语来表达这个要求:用作化学修饰的物质和荧光分子之间的反应必须是“生物正交”的。突破发生在2000年前后,贝尔托齐找到一种可用作化学修饰的最佳物质,即叠氮化物。她以巧妙的方式修改了施陶丁格反应,成功将荧光分子与引入聚糖中的叠氮化物连接起来。

  当时,“铜催化的叠氮化物-炔烃环加成”反应已开始为人所知。贝尔托齐认识到,有铜离子存在情况下,她用作化学修饰的叠氮化物能快速连接到炔烃上。但铜对生物机体是有毒的,贝尔托齐进一步发现,如果将炔烃连接到环状化学结构上,在没有铜的情况下,炔烃仍可以一种“近乎爆炸的方式”与叠氮化物反应。2004年,她发表了非铜催化的点击反应论文,将该反应命名为“应变促进的炔烃-叠氮化物环加成”反应,并证明它可以用于追踪聚糖。

  贝尔托齐及其他科研人员开始利用这类反应探索细胞中的生物分子如何相互作用,并以此研究疾病过程。她关注的一个方向是肿瘤细胞表面聚糖。肿瘤表面的某些聚糖可以保护肿瘤免受人体免疫系统攻击。贝尔托齐和同事对此开发出一类新型生物药物。他们给一些酶添加了聚糖特异性抗体,这类酶可以分解肿瘤细胞表面的聚糖。这种药物目前正在晚期癌症患者身上进行临床试验。

【编辑:张乃月】
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