点击化学是科学哲学的核心点

　　▶  董佳家

　　瑞典皇家科学院10月5日宣布，将2022年诺贝尔化学奖授予美国科学家卡罗琳·贝尔托齐（Carolyn Bertozzi ）、卡尔·巴里·沙普利斯（Barry Sharpless）和丹麦科学家莫滕·梅尔达尔（Morten Meldal），以表彰他们在发展点击化学和生物正交化学方面的贡献。

　　简单和高效的化学反应

　　要理解点击化学对于化学家来说并不算难，但是对于其他人来说就需要一些最基本的解释：首先，“点击”（Click）化学的中文翻译并不准确，实际上这有文化差异的问题。下面是今年诺奖得主、美国斯克里普斯研究所的沙普利斯教授2019年获得美国化学会最高奖时的演讲：

　　“在许多候选名称中，Jan和我决定将这种方法称为‘点击化学’。因为在我们看来它能最准确地描述我们的想法，汽车后排座椅的安全带的隐喻能最成功地解释我们的目标：在汽车中，弹簧锁紧的卡扣发出咔哒声，只有预定的搭扣可以连接对应的接口-中间的安全带不能扣到侧安全带。连接的成功得到保证，并且一旦建立便是永久的。”沙普利斯提出，点击化学希望解决的关键问题，其实是人类药物发现过程的高昂成本和极低效率，能不能通过合成化学的突破/改变模式变革性地重塑新药研发全流程，从而为人类带来更多更好更加可负担的新药？破局的关键，就是简单和高效的化学反应。

　　沙普利斯显然指出了Click是扣安全带这个动作，Click一词来自于美国家喻户晓的俗语，“Click it，or ticket it”，指的是“不扣安全带就会吃罚单”。在汉语语境中很难找到替代，可能点击鼠标动作可以暗喻反应的快捷方便，但是缺乏对于关键选择性和不可逆反应性的描述。”

　　点击化学是科学哲学的核心点，生物正交本质上从属于点击化学的科学概念，生物正交化学是点击化学最有显示度的应用方面；点击化学是这次伟大发现的起点，生物正交化学则是进一步将点击化学推高到了更高的维度，这背后最关键的科学问题还是一种并不“全新”的化学反应性质（炔与叠氮的3+2环加成反应，早在上世纪60年代就已经发展成熟的一类化学反应）在新世纪学科交叉（合成化学和生命科学、材料科学）大背景下针对学科发展需要的再发现。在此引用诺奖评委会主席约翰·奥奎斯特的总结：“今年的化学奖不是关于应对过于复杂的问题，而是用容易和简单的方法处理问题。”

　　生命核心物质DNA带来新灵感

　　合成化学首先是一门物质科学。科学家可以利用已有的物质去合成未知的，用便宜的原料去合成昂贵的，但是这一切都基于已有的可得的物质。所以说，物质的可得性，是合成化学的第一个关键问题。

　　打个简单的比方，金子比木头结实很多，但是人们不会使用金子去盖房子，因为可得性和我们的需求不匹配。从可得的砌块出发去合成新的物质（小分子、大分子、超分子等），听上去很像人们所熟知的乐高游戏或者是盖房子：从简单的基元砌块出发，一步一步地搭建出更为复杂的结构，这个过程需要通过化学键的形式把砌块连接起来。通过这样的连接实现新结构和功能的过程，就是合成化学最显著的一个特征——连接性。

　　但是，想要真正实现这些连接并不像乐高积木或者搭建房屋那样简单。由于化学家们只能通过自然界可得的稳定存在的物质进行合成，而这些可得的物质砌块却没有像乐高积木一样稳定的模块化一致的“接口”，如何让它们按照人类需求高效率地互相反应并且连接组合起来？这时化学家就需要研究分子中不同的官能结构在什么条件下能够相互发生作用，什么情况下能实现稳定可用的连接。

　　盖房子时，工人们使用必备原料砖头，还需要锤子、水泥等一系列工具和粘合剂。在合成化学中，化学家们使用的“锤子”和“水泥”就是一系列反应与化学试剂，“工具”是否“好用”也就是合成化学在实际学术研究中最关心的 ——反应性问题。这次诺奖奖励的就是一种极为强大、十分有用的化学反应性的发现。

　　自然是合成化学家最好的老师。生命的核心物质DNA，只使用了非常有限的合成砌块，生命利用4种核苷酸和20种标准氨基酸，却“合成”进化出了人类无法想象的复杂生命。这个合成过程所显示出的“模块化的连接模式”和“极为高效的连接反应”，给合成化学发展带来新灵感。在分子合成中，能否实现这种带有模块化特征和标准接口的简单办法？沙普利斯教授在1999年提出了点击化学概念。

　　这一概念很快得到了科学家们的认可。2002年，沙普利斯小组和丹麦的莫滕·梅尔达尔小组分别独立报道了如今化学家们熟知的CuAAC反应。

　　“第二代点击化学反应”

　　在CuAAC反应启发下，斯坦福大学的卡罗琳·贝尔托齐教授发展的张力诱导的环状炔与叠氮的环加成反应 (Copper -free click reaction)，以及在材料化学领域已经取得广泛应用的巯基-烯加成反应（Thiol-ene click reaction）也为科学家们认可。其中张力诱导的环状炔与叠氮的环加成反应更是促成了生物正交化学领域的重大进展，化学家们甚至可以通过这种模式直接在生命体内进行人工可控的化学反应了：例如，2020年美国生物技术公司（Shasqi）依靠点击化学在人体内进行高效高专一的反应，其抗癌药物靶向肿瘤细胞疗法已进入1期临床试验，这是首次在患者体内进行点击化学反应。同时，国际上一系列应用点击化学技术的试剂、药物、材料也已经成功地走向市场。

　　2014年，沙普利斯小组又报道了与CuAAC不同的被称为“第二代点击化学反应”六价硫氟交换反应（SuFEx）。这种新的反应利用的也是六价硫氟化学键的独特高能，但在动力学上却具极为稳定的性质。

　　“点击化学”和“生物正交化学”的成功，将进一步启发新一代化学家们去寻找有价值的化学反应性，并且在重要问题导向下应用新化学反应性于学科交叉中；同时，这种简单实用、针对重要科学问题的化学方法的成功毫无疑问将会影响合成学科未来发展方向，在合成化学学科发展历史上具有划时代意义。

　　（董佳家：上海交通大学转化医学院，长聘教授。2006年获中科院上海有机化学研究所博士学位。2009年作为研究助理加入美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research  Institute) 卡尔·巴里·沙普利斯教授实验室，与沙普利斯教授一起开创了第二代点击化学。独立工作之后，进一步发现了第三个点击反应，提出了一种 “模块化的点击化合物库”构建方法，可以低成本、高适用性、极高通量地合成成药性的化合物库并直接进行生物活性的筛选。相关工作发表于《自然》，并作为唯一的化学方面的工作入选《自然》2019年度十大杰出论文，被C&EN 杂志评为2019年度合成化学领域的3项重要成果之一。获第二届全国创新争先奖。2020年获药明康德生命化学学者奖。）

　　“化学反应”开辟生命科学研究 与疾病治疗新路径

　　▶   陈鹏

　　2022年诺贝尔化学奖授予美国科学家卡罗琳·贝尔托齐（Carolyn Bertozzi ）、卡尔·巴里·沙普利斯（Barry Sharpless）和丹麦科学家莫滕·梅尔达尔（Morten Meldal）。瑞典皇家科学院在新闻公报中说，卡尔·巴里·沙普利斯和莫滕·梅尔达尔的研究成果为点击化学奠定了基础；卡罗琳·贝尔托齐则将点击化学带到一个全新维度，将其应用在生物体中，她开发的生物正交反应实现了多种应用，包括帮助开发更有靶向性的癌症疗法等。

　　推动生命研究的化学反应

　　2001年，已经是诺贝尔奖得主的斯克里普斯研究所(The Scripps Research  Institute)的沙普利斯教授提出了点击化学（Click Chemistry）概念。经典的点击化学反应，是一种在一价铜离子催化下, 炔基和叠氮这两种官能团之间的环加成反应(Cu-catalyzed Azide Alkyne Cycloaddition reaction, CuAAC)。该反应由沙普利斯教授和丹麦的梅尔达尔教授于同一年分别独立报道，具有极高的特异性且反应条件温和，尤其是能够在与生命体系和环境相兼容条件下进行。一经推出，该反应就受到了科学家们的极大关注，除了下面要讲到的在生命研究中大放异彩之外，其在合成化学、材料科学等领域也获得了广泛应用。

　　受这类反应的启发，当时在加州大学伯克利分校的贝尔托齐教授于2003年正式提出了生物正交反应（Bioorthogonal Reaction）概念。该小组此前就一直关注如何在活细胞上进行特异的化学反应和荧光标记，并已经对经典的Staudinger Ligation反应进行过改造。在上述工作基础之上，他们对铜催化的点击化学加以改进，发展了“无铜点击化学反应（copper-free click reaction）”，通过环张力诱导叠氮与八元环炔之间的环加成反应获得成功。他们将这一反应用于活细胞聚糖的标记, 解决了聚糖无法利用基因编码的荧光蛋白进行标记的难题。

　　活细胞是一个非常脆弱的生命体系，向其中引入的化学反应需要适应常温、常压、水相和中性pH值等特殊环境，并且不对其内部生物分子造成损害或干扰。通过几代化学家的不懈努力，生物正交反应得以提出和发展，人们能够在活细胞内通过化学反应来标记甚至操控生物大分子，为生命科学的研究和疾病治疗的进步都开辟了新路径。

　　直击重要的生命科学问题

　　实际上，化学家尤其是有机化学家，一直在关注生物大分子的化学合成、活性生物分子的功能与作用等重要的生命科学问题，他们的工作，为当时正在萌芽和兴起的化学生物学这一学科交叉领域奠定了基础。长久以来，化学反应的开发与应用都极大地推动了生命科学的研究。例如，生物大分子（天然产物、多肽、糖等）化学合成，包括由我国科学家首次完成的人工牛胰岛素的合成等，都具有里程碑意义。上个世纪末，化学家们开始尝试对复杂生命体系内生物大分子直接进行化学标记。1998年，加州大学圣地亚哥分校的Roger Tsien教授提出的一种名为FlAsH的标记技术，可利用一种名为FlAsH-EDT2的有机砷试剂对含有CCXXCC序列的蛋白质进行特异标记，成为在活细胞环境下进行蛋白质特异标记的开端。Roger Tsien后来以他在荧光蛋白领域的原创贡献而获得2008年诺贝尔化学奖，他所开发的钙离子荧光探针、FlAsH标记技术等同样具有划时代意义。FlAsH-EDT2与蛋白质上半胱胺酸之间的特异反应，被认为是化学家最早发展的与生物大分子或生命环境相适应的化学反应之一，为后续生物正交反应概念的提出和飞速发展奠定了基础。

　　改变生命科学和医学研究进程

　　目前，点击化学和生物正交反应，已经被广泛地应用于从生命科学的基础研究到药物开发、临床检测的实际应用当中，改变了生命科学和医学的研究进程。

　　例如，生物正交反应已经被广泛地用于生物大分子的特异标记，可以有效地在活细胞内实时动态地观察这些生物分子的行为。尤其是与超分辨荧光成像技术的联合使用，使得很多具有优异荧光性质的染料可被用来对生物大分子进行活体、动态、超分辨成像，推动了生物成像技术的进步。

　　随着基于先进质谱技术的蛋白质组学的飞速发展，化学生物学家尤其关注面向活性的蛋白质组学研究，生物正交反应在全蛋白质组中特异富集和鉴定活性蛋白质组分的技术中发挥了关键作用。例如，Scripps研究所的Benjamin Cravatt 教授所发展和建立的基于活性的蛋白质组学分析（Activity-based Protein Profiling ，ABPP)技术，可以利用小分子探针监测细胞内特定酶的活性，也可以用于寻找和鉴定活性天然产物的生物靶点，成为被生物学家和化学生物学家广泛使用的技术。

　　生物正交反应，在疾病的治疗和检测等应用领域也得到广泛的应用，例如，生物正交反应已被用于制备抗体偶联药物（Antibody-Drug Conjugate, ADC），实现了抗体这一类特殊蛋白质与小分子抗癌药物的定点、高效偶联。基于生物正交反应的“前药（Prodrug）”和“抗体偶联前药”(Pro-ADC)也相继开发，这类反应也已被用于癌症早期诊断，推动了癌症标志物的早期筛查。

　　展望未来，随着生物正交反应的类型在不断扩展，除了以点击化学为代表的“成键反应”在偶联、标记、监测等领域的应用外，生物正交剪切反应等“断键反应”的发展，也将实现对生物大分子的功能进行活体、实时、原位的调控，这将极大地推动生命机制的分子解析。同时，基于生物正交反应的“生物正交前药”（Bioorthogonal Prodrug）已于2020年首次进入临床试验，这是生物正交化学领域的又一个标志性事件，相信今后会有更多适用于人体的生物正交反应被开发出来，并更好地为人类健康服务。

　　（陈鹏：北京大学化学与分子工程学院教授、化学生物系主任，北京大学交叉学科学位分会主席。美国化学会ACS Chemical Biology执行主编。长期致力于化学生物学研究，系统发展了适用于活细胞的化学反应，为生命问题的探索提供了创新的工具和研究方式。提出并发展了“生物正交剪切反应”，突破了在活细胞内研究蛋白质功能的技术瓶颈，开拓了生物正交化学新方向。）

　　本版主编  策划  朱广清