10月5日，新一年的諾貝爾化學獎頒給了三位在“點擊化學和生物正交化學”領域做出貢獻的科學家。

(資料圖片僅供參考)

“點擊化學”是個啥？“生物正交化學”又是在說什么？不必被陌生的詞匯嚇到，其實它們都是巧妙又實用的技術——而且，就像拼樂高那樣簡單。

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點擊化學：用分子拼樂高

把“click chemistry”翻譯成點擊化學有點不好理解，Click其實描述的是那種把塑料積木或者插扣插到一起的感覺。或許說它是“咔噠化學”會更生動一點。

簡單說，點擊化學就像是用分子來拼樂高：利用這種技術，可以像拼插積木那樣簡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結構，加入容易發生反應的“拼接插頭”。

點擊化學：用模塊積木來合成分子 | pixabay

如果用傳統方法來合成復雜的分子，通常要經歷很多繁瑣的步驟，對反應過程的控制也沒有那么精準。因此合成復雜分子會很花時間，而且每個步驟都可能產生不必要的副產物，讓最終收獲的目標產物變得很少。這種麻煩會限制新分子的應用，使它們很長時間都無法大規模生產。

而點擊化學解決了這一問題，通過巧妙的思路讓有機合成化繁為簡、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方法略有不同，但它依然擁有與原版相似的結構與功能。

高效合成，隨心改造

這種拼積木式的合成方法在基礎研究和工業生產中都非常有用。比如說，實驗室里的化學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，就加快了新藥研發的速度。

除了讓合成變得更容易，在分子中留下“可拼接插頭”還可以用來改造材料，為它賦予全新的性質。比如說，可以在塑料或纖維中拼入導電、抗菌、防護紫外線等有特殊功能的“積木塊”。

“插頭”是怎么工作的？

點擊化學需要精心挑選的“插頭”與化學反應來拼接分子。這樣的反應有很多種，其中代表性的一個是銅催化的疊氮-炔烴環加成，獲獎者摩頓·梅爾達爾（Morten Meldal）與巴里·夏普萊斯（Barry Sharpless）各自獨立發現了這種潛力巨大的連接反應。

把分子連接在一起的疊氮-炔烴環加成反應 |nobelprize

在這里，兩邊分子上的“插頭”分別是疊氮基團和炔基。只要有亞銅離子催化，它們很容易連接起來，形成穩定的三唑結構。這就像是插扣很容易插到一起，同時又不容易被拉開。

細胞中間拼積木

發生在反應瓶中的點擊化學已經非常有用了，而另一位獲獎者卡洛琳·貝爾托齊（Carolyn Bertozzi）則在一個更加厲害的地方進行了實踐：她把反應搬進細胞環境，讓它成為了一種研究細胞生理的有力手段。

確切地說，她利用點擊化學的思路給想要研究的細胞分子“拼接”上了一塊人工標記。經過這樣的化學改造，可以讓原本難以追蹤的分子變得很容易成像，或者也可以對它進行其他性質的改造。

貝爾托齊為細胞上的聚糖分子加入熒光標記|nobelprize

照片中，被標記的聚糖是綠色的，藍色的部分則是細胞核｜Proc Natl Acad Sci USA (2007) 104:16793–16797

這項技術的厲害之處在于，貝爾托齊不僅完成了自己需要的化學反應，而且完全沒有干擾細胞內原本發生的生理反應——這種不干擾生物的特性也就是獲獎理由中提到的“生物正交化學”。

為了做到這一點，她對原有的連接反應與“插頭”基團進行了改進。改進之后，反應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胞表面的聚糖分子，而許多其他研究者也正在使用這種創新技術。他們以此探索生物分子在細胞中的相互作用，并研究這些作用與人類疾病的關聯。

參考文獻

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

本文來自微信公眾號 “果殼”（ID：Guokr42），作者：窗敲雨，編輯：Luna，封面圖來源：站酷海洛，36氪經授權發布。