“咔嗒”一下,像乐高一样拼在一起,这就是今年的诺奖成果

10月5日,新一年的诺贝尔化学奖颁给了三位在“点击化学和生物正交化学”领域做出贡献的科学家。

“点击化学”是个啥?“生物正交化学”又是在说什么?不必被陌生的词汇吓到,其实它们都是巧妙又实用的技术——并且,就像拼乐高那样简单

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点击化学:用分子拼乐高 

把“click chemistry”翻译成点击化学有点不好理解,Click其实描述的是那种把塑积木或者插扣插到一起的感觉。或许说它是“咔哒化学”会更生动一点。

简单说,点击化学就像是用分子来拼乐高:利用这种技术,可以像拼插积木那样简单高效地把小分子模块组合到一起,合成出人们所需要的化学分子。为了让普通的分子变成“可拼插积木”,研究者需要事先改造其化学结构,加入容易发生反应的“拼接插头”。

点击化学:用模块积木来合成分子 | pixabay

如果用传统方法来合成复杂的分子,通常要经历很多繁琐的步骤,对反应过程的控制也没有那么精准。因此合成复杂分子会很花时间,并且每个步骤都可能产生不必要的副产物,让最终收获的目标产物变得很少。这种麻烦会限制新分子的应用,使它们很长时间都无法大规模生产。

而点击化学解决了这一问题,通过巧妙的思路让有机合成化繁为简、效率大幅提高。由于连接处使用了特制的“插头”,这种方法合成的分子和传统方法略有不同,但它依然拥有与原版相似的结构与功能。

高效合成,随心改造 

这种拼积木式的合成方法在基础研究和工业生产中都非常有用。比如说,实验室里的化学家可以用这种方法更快速地合成各式各样的新分子,并从中筛选有潜力成为药物的部分。合成速度加快了,筛选也能变得更高效,这样一来,就加快了新药研发的速度。

除了让合成变得更容易,在分子中留下“可拼接插头”还可以用来改造材,为它赋予全新的性质。比如说,可以在塑或纤维中拼入导电、抗菌、防护紫外线等有特殊功能的“积木块”。

“插头”是怎么工作的?

点击化学需要精心挑选的“插头”与化学反应来拼接分子。这样的反应有很多种,其中代表性的一个是铜催化的叠氮-炔烃环加成,获奖者摩顿·梅尔达尔(Morten Meldal)与巴里·夏普莱斯(Barry Sharpless)各自独立发现了这种潜力巨大的连接反应。

把分子连接在一起的叠氮-炔烃环加成反应 | nobelprize

在这里,两边分子上的“插头”别离是叠氮基团和炔基。只要有亚铜离子催化,它们很容易连接起来,形成不变的三唑结构。这就像是插扣很容易插到一起,同时又不容易被拉开。

细胞中间拼积木 

发生在反应瓶中的点击化学已经非常有用了,而另一位获奖者卡洛琳·贝尔托齐(Carolyn Bertozzi)则在一个更加厉害的地方进行了实践:她把反应搬进细胞环境,让它成为了一种研究细胞生理的有力手段

确切地说,她利用点击化学的思路给想要研究的细胞分子“拼接”上了一块人工标识表记标帜。经过这样的化学改造,可以让原本难以追踪的分子变得很容易成像,或者也可以对它进行其他性质的改造。

贝尔托齐为细胞上的聚糖分子加入荧光标识表记标帜  | nobelprize

照片中,被标识表记标帜的聚糖是绿色的,蓝色的部分则是细胞核|Proc Natl Acad Sci USA (2007) 104:16793–16797

这项技术的厉害之处在于,贝尔托齐不仅完成了本身需要的化学反应,并且完全没有干扰细胞内原本发生的生理反应——这种不干扰生物的特性也就是获奖理由中提到的“生物正交化学”。

为了做到这一点,她对原有的连接反应与“插头”基团进行了改进。改进之后,反应不再需要使用有毒的铜催化剂。

贝尔托齐本人利用这种方法研究细胞表面的聚糖分子,而许多其他研究者也正在使用这种创新技术。他们以此探索生物分子在细胞中的彼此作用,并研究这些作用与人类疾病的关联。

参考文献

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2022/popular-information/

“果壳”(ID:Guokr42),作者:窗敲雨,编纂:Luna,封面图来源:站酷海洛,经。

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