10月5日，新一年的諾貝爾化學(xué)獎頒給了三位在“點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)”領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。

“點(diǎn)擊化學(xué)”是個啥？“生物正交化學(xué)”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(shù)——而且，就像拼樂高那樣簡單。

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點(diǎn)擊化學(xué)：用分子拼樂高

把“click chemistry”翻譯成點(diǎn)擊化學(xué)有點(diǎn)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?；蛟S說它是“咔噠化學(xué)”會更生動一點(diǎn)。

簡單說，點(diǎn)擊化學(xué)就像是用分子來拼樂高：利用這種技術(shù)，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(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)，加入容易發(fā)生反應(yīng)的“拼接插頭”。

點(diǎn)擊化學(xué)：用模塊積木來合成分子 | pixabay

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

而點(diǎn)擊化學(xué)解決了這一問題，通過巧妙的思路讓有機(jī)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(tǒng)方法略有不同，但它依然擁有與原版相似的結(jié)構(gòu)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(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)中都非常有用。比如說，實驗室里的化學(xué)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(fā)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(zhì)。比如說，可以在塑料或纖維中拼入導(dǎo)電、抗菌、防護(hù)紫外線等有特殊功能的“積木塊”。

“插頭”是怎么工作的？

點(diǎn)擊化學(xué)需要精心挑選的“插頭”與化學(xué)反應(yīng)來拼接分子。這樣的反應(yīng)有很多種，其中代表性的一個是銅催化的疊氮-炔烴環(huán)加成，獲獎?wù)吣︻D·梅爾達(dá)爾（Morten Meldal）與巴里·夏普萊斯（Barry Sharpless）各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這種潛力巨大的連接反應(yīng)。

把分子連接在一起的疊氮-炔烴環(huán)加成反應(yīng) |nobelprize

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

細(xì)胞中間拼積木

發(fā)生在反應(yīng)瓶中的點(diǎn)擊化學(xué)已經(jīng)非常有用了，而另一位獲獎?wù)呖辶铡へ悹柾旋R（Carolyn Bertozzi）則在一個更加厲害的地方進(jìn)行了實踐：她把反應(yīng)搬進(jìn)細(xì)胞環(huán)境，讓它成為了一種研究細(xì)胞生理的有力手段。

確切地說，她利用點(diǎn)擊化學(xué)的思路給想要研究的細(xì)胞分子“拼接”上了一塊人工標(biāo)記。經(jīng)過這樣的化學(xué)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(jìn)行其他性質(zhì)的改造。

貝爾托齊為細(xì)胞上的聚糖分子加入熒光標(biāo)記|nobelprize

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

這項技術(shù)的厲害之處在于，貝爾托齊不僅完成了自己需要的化學(xué)反應(yīng)，而且完全沒有干擾細(xì)胞內(nèi)原本發(fā)生的生理反應(yīng)——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(xué)”。

為了做到這一點(diǎn)，她對原有的連接反應(yīng)與“插頭”基團(tuán)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)之后，反應(yīng)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(xì)胞表面的聚糖分子，而許多其他研究者也正在使用這種創(chuàng)新技術(shù)。他們以此探索生物分子在細(xì)胞中的相互作用，并研究這些作用與人類疾病的關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)

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

關(guān)鍵詞： 化學(xué)反應(yīng) 大規(guī)模生產(chǎn) 其他性質(zhì)