点击化学与生物正交化学斩获诺奖，是实用科学的胜利。不是鼠标“点击”，更像安全带搭扣，“咔哒化学”如何让化学反应更简单高效？

撰文/记者   王雪莹

科学的目的是什么？2022年诺贝尔化学奖给出了它们的理解——化繁为简，让本来困难的事情可以变得简单。出于这个原因，在点击化学（click chemistry）领域取得了杰出成就的巴里·夏普利斯（Barry Sharpless）、莫腾·梅尔达（Morten Meldal），以及开拓了生物正交化学新领域的卡罗琳·贝尔托西（Carolyn R. Bertozzi），共同分享了本届诺贝尔化学奖桂冠。其中，巴里·夏普利斯是第二次获得诺贝尔化学奖——他曾于2001因在手性催化氧化反应领域所取得的杰出成就而获得诺贝尔化学奖，21年后的今天，他再次书写了历史，成为诺贝尔化学奖历史上第二个“梅开二度”的获奖者。

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为什么是点击化学？

大千世界纷繁多变，但本质上都离不开生物体内的蛋白质和核酸，它们是生命之所以能够正常运转与延续的关键。对于这两种大分子而言，虽然组成其结构的基本单元非常简单——不过是氨基酸和核苷酸，但它们就好比一块块最基本的乐高积木，只要通过不同的排列组合顺序，就能“拼搭”出成千上万种造型——有着不同功能的大分子，进而形成变化无穷的不同的生命体。

然而，不同于乐高积木通过凹槽就可以简单地拼接在一起，微小的分子模块想要如此简单、快速地被链接在一起并不容易，而点击化学的出现恰恰解决了这个难题。

点击化学，强调以碳-杂原子键键合的方式进行分子组合。简单来讲，它旨在通过分子小单元的拼接，快速可靠地实现各种分子的化学合成。对于科学家而言，点击化学让他们能够只通过几个“绝佳”的化学反应，就能够将不同的分子模块快速、可靠地链接起来，从而构建出具有不同功能、结构复杂的完整分子。而这一类“绝佳”的化学反应不仅要瞬时、高效，且发生的条件不能太苛刻，最好是在温和的条件下——比如室温和水溶液中就可以进行。与此同时，它反应产生的分子立体构象也要非常单一，只有这样，在链接分子模块时，小分子模块才能精准地两两拼接，像汽车安全带的搭扣一样，“咔哒（click）”一声，左右紧紧地卡在一起，没有一丝错位——并非人们出于文化差异而理解的“用鼠标点击（click）一下，化学反应就发生了”。

△当铜离子加入，叠氮化物和炔烃的反应会变得更为高效

对于点击化学来说，它是一种更重视功能性和实用性的化学。它的优点非常多，如反应产率高、适用性广、副产物无害、模块式合成简单、反应速度快且选择性高等等。可以说，它的出现使化学家能够精准地按照自己的预测进行分子合成，更加轻松且系统地构造出人们想要的庞大且复杂的化学空间。

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点击化学发展史：在艰难中成长

纵观点击化学的发展之路，绝非一片坦途。这一概念最早由德国化学家罗浮·惠思根（Rolf Huisgen）教授提出，他在偶然中发现，炔烃与叠氮化物混合时会发生[3+2]环化反应，并得到五元杂环化合物。彼时，罗浮·惠思根的这一发现反应温度有着非常苛刻的要求，且所得的产物也多为混合物，需要人们后续进一步分离提取，效率非常低。

尽管尚不完美，但为了纪念这个有着缺陷却又十分经典的点击化学反应，人们决定将之称为Huisgen环化反应，即1,3-偶极加成。

到了二十一世纪初，巴里·夏普利斯教授和莫腾·梅尔达教授分别独立报告了一价铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应（CuAAC 反应），后者不仅遵循了点击反应的选择性原则，产率高，应用范围广，而且是对Huisgen环化反应的一次重要改良——不仅反应条件不再如此苛刻，即在室温条件下就可以进行，而且所得的产物也是更为单一的环化产物。换而言之，一个真正高效、可靠、快速的点击化学反应终于诞生了。

然而，故事到这里并未结束——很少有人相信，点击化学在诞生之初，险些被扼杀于襁褓之中：2001年，还未获得自己第一块诺贝尔奖牌的巴里·夏普利斯，正在焦灼地等待国际顶级期刊《德国应用化学》对自己投稿的回信。在他题为“点击化学：从几个最佳化学反应而来的多样化化学功能”论文中，他突破性地指出，“相比于碳-碳键，自然界更喜欢碳-杂原子键……如果人类能将这套法则学到手，就能快速并可靠地合成大量有用的分子”。

在此之前，点击化学在学术界为许多人所不能接受，巴里·夏普利斯的论文也因此屡屡碰壁——曾惨遭业内三位重量级审稿人的“全票否决”。然而，命运女神这一次给巴里·夏普利斯投来了橄榄枝——《德国应用化学》主编格里兹（Peter Gölitz）在深思熟虑后力排众议，同意发表他这篇“不走寻常路”的论文。尽管开始得有些艰难，但经此一遭，点击化学终于获得了自己学院派的“敲门砖”，让越来越多的人开始了解它。

在发现CuAAC是一类重要的点击化学反应后，巴里·夏普利斯并没有停下脚步，他又与中国学者董佳家共同合作，进一步发现了第二个接近完美的点击化学反应——六价硫氟交换反应（SuFEx），而这一次的成功也见证了他与中国的奇妙缘分。

原来，早在上世纪八十年代末期，巴里·夏普利斯就曾来到中科院上海有机化学研究所（以下简称上海有机所）进行学术交流，自此，他的实验室里总会出现中国学者的身影。点击化学的发展离不开含氟化合物，而氟化学研究一直是上海有机所的强项。为此，2015年已是诺奖获得者的巴里·夏普利斯主动给中国科学院院士、上海有机所研究员戴立信致信，表示希望与上海有机所合作建立实验室，他在信中表示，“我需要真正‘有机所式’的化学家们管理此类合作……我喜欢有机所的化学风格几十年了。”

△夏普利斯与中国学生探讨学术问题。来源：文汇报

如今，巴里·夏普利斯每年至少有一个月都会来到上海工作，他与中国学术界的合作也日益深化，在拓展诸如与上海交通大学、上海中医药大学、上海科技大学等高校科研院所的合作外，他还时常推荐优秀的中国学生前往美国斯克里普斯研究所开展课题合作研究……在点击化学发展的道路上，中国力量正在崛起。

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生物正交化学：神不知鬼不觉的“跟踪”

时至今日，点击反应早已不是“异端分子”，而被广泛应用于药物研发、功能材料、超分子自组装、化学生物学等诸多领域，它的出现既改变了合成复杂结构分子的命运，更为人类推开了一个化繁为简、改难为易的新世界大门。与此同时，随着点击化学的发展，人们又将它带到了一个全新的层面——生物正交化学反应。

作为点击反应的一个子集，生物正交反应是发生在生物体中的一种有用化学反应。人们不禁要问，研究生物正交化学反应的意义又是什么呢？这就不得不从生命系统说起。

众所周知，生命体由无数相互影响的生物大分子、代谢产物和各种离子组成。对于生命系统来说，具体的某种物质到底发挥着怎样的作用？它是如何跟其他物质“合作”的？不同于我们可以隔着透明的鱼缸观察鱼类那么简单，科学家想要在生命系统中观察这些生物分子的化学反应是很难的。因此，科学家需要一种特殊的方法，能使他们既不干扰生物系统的正常工作，又能清楚地观察生物体内的生物化学反应。

为此，科学家们最初想到了打标记的办法——基因编辑蛋白质，使其通过与绿色荧光蛋白质结合而被打上标记，从而方便科学家跟踪被标记物的结构、功能、相互作用和运动轨迹。但这个方法有着明显的缺陷：标记物蛋白往往很笨重，很容易影响被标记的生物分子，导致实验结果不准确。此外，还有很多生物分子以及分子各种各样的修饰，很难用基因编码的报告分子来示踪……简而言之，简单的荧光蛋白标记法已经无法满足人类的科研需要了。在这种情况下，生物正交化学反应应运而生。

△卡罗琳·贝尔托西在论文中对生物正交化学反应的解释

一个典型的生物正交化学反应，是指一个很小的、简单的功能基团（如磷酸基团），利用活体生命系统（如细胞等）自身的生物合成方式，整合到目标生物分子上。具体来说，科学家让两个特定的小分子在活体细胞环境中相互作用，先形成反应类型单一却又彼此相连的“桥梁”，再让其中一个小分子与目标生物大分子整合，完成对“跟踪目标”的标记，另一个小分子则与荧光或者显色等化学标记物结合，通过两个小分子的“桥梁”，间接却又直观地报告体内被标记了的“跟踪目标”的实时状态。

在这个过程中，小分子和目标生物大分子的整合是借助生物体内已有的生化反应，因而不会影响到反应本身。换而言之，生物正交化学反应要求的，就是在研究活体生物系统内给定的化学反应时，不会干扰其中固有的生物化学过程，不产生细胞毒性，所谓的“正交”，指的就是互不干涉、互不影响。

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跨学科成才，无心插柳柳成荫

谈到生物正交化学反应，一定离不开一个人——卡罗琳·贝尔托西。

2002年，巴里·夏普利斯和莫腾·梅尔达分别报告了CuAAC反应，尽管对Huisgen环化反应进行了大改良，但它却有一个隐患：铜催化剂在细胞反应中会产生有毒物质。有没有什么方法可以不用铜来催化？怀揣着这样一个问题，卡罗琳·贝尔托西和团队翻阅大量的资料，在不断的试验中终于发现了一种名为环辛炔的有机化合物，其和叠氮化合物可以在生理条件下实现应变促进的[3+2]环加成反应，且无需催化剂。随后，他们先后在蛋白质、细胞上进行了实验，发现结果相当理想。在这样的大背景下，2003年，卡罗琳·贝尔托西和团队正式创立并提出了“生物正交化学反应”这一术语，并在此后的岁月中一直引领着该领域的发展。

对于卡罗琳·贝尔托西而言，她更喜欢把自己称为“糖生物学家”而非“化学家”或“生物学家”，而她之所以能取得如今开拓性的成果，或许恰是与她“跨学科”的经历密不可分。

本科时，卡罗琳·贝尔托西在哈佛大学学习化学，尔后又来到加州大学伯克利分校就读化学博士，专注于低聚糖类似物的化学合成。作为彼时新型的研究领域，低聚糖其实是由多个单糖聚合而成的寡糖或多糖，通常位于蛋白质和细胞的表面。它们在许多生物过程中发挥着重要作用，例如在病毒感染细胞或激活免疫系统时。由于有了这样的研究背景，卡罗琳·贝尔托西在博士后期间顺理成章地选择了免疫学，并此期间积累了大量细胞生物学知识——谁也没有想到，正是博后的这段“不一样”的经历，却为她日后在生物正交化学领域取得开拓性成就提供了可能。

原来，在读博士后期间，卡罗琳·贝尔托西想要绘制一种能够将免疫细胞吸引到淋巴结的聚糖的图谱，然而在实验中她却发现，想在生物系统里研究好糖科学非常难——工具不称手！那些老旧甚至“原始”的设备，根本没法用来测量细胞和生物体。她急需一件更加先进的工具来加快糖生物学的研究。

带着这样的决心，回到伯克利后卡罗琳·贝尔托西开始专门研发新的工具，使其能对人为引入到糖分子上的“探针”进行成像。这项探索促成了代谢标记法的诞生，在它的基础上，卡罗琳·贝尔托西最终开拓性地提出了生物正交化学反应这一新概念。

2004年，她和团队在知名期刊《美国化学学会期刊》上发表论文，证明了无铜点击反应的应用潜力，并在不久后证明其可用于追踪多聚糖，这些都为提高改善癌症药物的靶向性提供了重要的理论。在此后的时间里，卡罗琳·贝尔托西一直在不断升级改善她的点击反应理论，以使其在细胞环境中也能发挥很好的效果，并以此帮助人们更好地理解和探究疾病发生的过程。

在卡罗琳·贝尔托西团队研究成果的激励下，生物正交化学领域在全球范围内进入了快速发展阶段，在众多硕果之中，更不乏中国学者的身影。2014年，北京大学化学与分子工程学院陈鹏团队首次提出了“生物正交剪切反应”这一概念。五年后，该团队又再次在《美国化学学会期刊》发表论文，提出了另一种生物正交剪切反应并以此制备新药，成功实现了对癌细胞的选择性杀伤。

从点击化学到生物正交化学，新的技术在源源不断地出现——即便它们还存在着或多或少的瑕疵。然而，一切正如巴里·沙普利斯在2001年首次获奖时所说的，在过去，“优雅、精巧”是化学的最高荣誉，如今，“新颖”又被人们提到了前所未有的高度去赞扬，而在他看来，“有用”或许才是最重要的——是时候重新拾起科学研究的实用性和功用性了。