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.
中新社70年 | 从47个开始,走向新闻方阵最前排******
2022年是中国新闻社成立70周年。1952年,新中国刚诞生3年,百废待兴,共和国缔造者们在此时创建了中国新闻社。
70年无一日中断发稿
筹备成立中国新闻社,从提出动议到正式成立,历时将近一年。
1951年10月30日,中央人民政府华侨事务委员会副主任委员廖承志最初提出动议;
1952年5月,中央有关部门开会研究这一议题并做出决定;
9月14日,员工队伍初步组建完成;
10月1日,开始对外播发新闻,至今70年无一日中断发稿。
创建中国新闻社是为了开展海外华侨服务,具体地说,是为了向华侨报刊提供新闻服务。当时海外华侨约1200万,散居在五大洲,其中绝大多数旅居东南亚的印尼、马来西亚、新加坡、菲律宾、泰国、缅甸等国家和地区,其次是北美和欧洲。
从1815年《察世俗每月统记传》在马六甲诞生开始,华文报刊生生灭灭。到20世纪末,大约出现过数千种规模不等的华文报刊。
1949年出版的海外华文报纸有97家,其中印度尼西亚28家,缅甸6家,印度2家,泰国7家,越南10家,菲律宾4家,美国12家(日报9家、周报3家),加拿大4家,夏威夷2家,古巴3家,英国2家,非洲2家。
由于旧中国的贫穷落后,广大侨民寄人篱下,自叹是“海外孤儿”。中华人民共和国成立,“海外孤儿有了娘”。
从47个开始
廖承志最初提出设立中国新闻社的动议,并负责中国新闻社的具体筹备工作。作为革命家的廖承志,多才多艺,是党内优秀的宣传家,有丰富的新闻工作实践经验,是延安时期新华社创始人之一,十分熟悉通讯社的组织架构和运作。
1952年9月14日,是中国新闻社历史上值得纪念的一天,也可以认为是中国新闻社诞生的纪念日。这一天,44岁的廖承志风华正茂,他来到北新桥三条一号“海棠院”,出席建立中国新闻社的筹备会议并发表讲话。
▲华侨大学秋中湖畔的廖承志塑像 中新社记者 傅丹丹 摄这次会议被认为是中国新闻社的成立大会,参加会议的共有47人,因此廖承志这篇讲话被命名为《从47个开始》。他说:“现在,你们有47个人,这在开头已经不算太少了。新华社起家的时候,才5个人嘛!”
怎样办好中国新闻社?廖承志在讲话中发出“打破关门主义,反对教条主义”的号召。他特别强调,报道要“群众化一些”,调子要低一些。
最初播发口语记录新闻
中国新闻社是通讯社,服务对象是海外报纸。当时的发稿手段是通过电台广播记录新闻方式向用户提供新闻稿,报纸编辑记录下来选用。1952年9月22日,在中央人民广播电台的帮助下,中国新闻社使用“中国新闻广播电台”呼号,以普通话记录新闻形式向国外试播记录新闻稿。
1952年9月30日,《人民日报》发表了中国新闻社理事会成员33人名单和电台播音时间、频率的消息。
当年10月1日,“中国新闻广播电台”正式播音。这天播发的新闻共有10多篇,约10000字。中国新闻社成立后的第一篇广播新闻稿是:《首都纪念国庆节举行隆重阅兵式》。
当时每天发稿一半用记录新闻播出,一半用文字印发。开始,记录新闻和文字稿单独印制发行,后来合印为《中国新闻》新闻稿发行。记录新闻是时效性强的报道,文字稿属于通讯和特约稿件。
“中国新闻广播电台”播发口语记录新闻,向香港、雅加达、吉隆坡、加尔各答、仰光、西贡、檀香山和墨尔本八个定点地区广播。三天后,即10月4日起,印度尼西亚、缅甸、泰国和香港华文报刊陆续刊登中国新闻社播发的新闻。
调集众多海外华侨报人
1952年12月,中国新闻社正式组成领导班子,确定中新社组织领导人和组织机构:理事会和社务合一制,社长为理事会召集人。首任社长是金仲华。
中国新闻社成立不久,相继调来参加过抗日战争、解放战争的老同志、老新闻工作者;调来一批海外华侨报人,有的做过海外华文报刊的主笔、总主笔,有的做过海外华文报刊的社论撰稿人。一家传媒机构调集如此众多的海外华侨报人,这在新中国传媒发展史上是相当独特的历史现象。
他们熟悉海外华侨的心态,具有丰富的华文报刊工作经验,坚持贯彻“爱国主义”报道方针,在实践中形成中新社独特的报道风格,为“中新风格”的形成做出了历史贡献,值得一代又一代中新社人珍惜与传扬。
▲2019年10月12日上午9时,中国新闻社主办的第十届世界华文传媒论坛开幕。中新社记者 毛建军 摄70年来,中国新闻社和伟大的祖国一起进步成长,期间经过几次再创业,已经成为在海外华人社会、在国际上有着重要影响力的新闻文化机构。
70年来,中新社人始终不忘中央建立中新社的初衷,不忘廖承志对中新社的定位要求,创造出在新闻界独树一帜的“中新风格”,走向了新闻方阵的最前排,并伴随时代进步不断丰富和发展其内涵,在漫长岁月的不同时期,中国新闻社一直发挥着独特的重要作用。
▲中新社人大组记者对十三届全国人大三次会议闭幕会进行报道 中新社记者 魏晞 摄作者:郭招金(中新社原社长)
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