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.
波音中国总裁:中国民用飞机市场未来更具潜力******
【跨国企业在中国】
编者按:
走进在华跨国企业,听外企老总谈“中国式现代化机遇”、释“经济全球化之道”。
中新网10月27日电 题:波音中国总裁:中国民用飞机市场未来更具潜力
中新财经记者 吴涛
“随着中国经济的大发展,现在中国已经成为波音最大的海外民用飞机市场,而且在未来更具潜力。”近日,波音中国总裁谢利嘉(Sherry Carbary)接受中新财经专访时称,非常看好中国民用飞机市场前景。
谢利嘉称,民用航空业是经济发展的主要表征之一,也是支持经济发展的重要力量。至今,波音已经向中国的航空公司和租赁公司用户交付了超过2000架飞机。波音预测未来20年中国民航业将需要引进近8500架新的民用飞机。
访谈实录摘要如下:
中新财经:2022年,波音公司进入中国刚好50周年,波音是如何服务中国高速发展的航空市场的?未来将如何匹配中国高质量发展的步伐?
谢利嘉:波音与中国的长期合作伙伴关系已经有半个世纪之久。1972年,中国民航订购了首批10架波音707飞机来更新机队并开拓国际航线网络,此举标志着波音飞机进入中国市场。
自从1972年以来,我们非常自豪见证并参与了中国经济的快速发展。中国对于波音而言,不仅是一个巨大的市场,也是非常重要的合作伙伴。如今,中国航空制造业参与了所有波音在产民用飞机机型的制造,包括737、747、767、777和787梦想飞机。目前,飞行在世界各地的超过10000架波音飞机上都采用了中国制造的零部件和组件,这是中国航空制造业取得的一个非常了不起的成就。
我们一直在与中国持续拓展坚实而创新的合作伙伴关系,迄今已经涵盖了飞机制造与运营的全生命周期,包括零部件与组件的生产、飞机完工和交付、飞机改装与维修,以及航空服务等各个领域。
着眼未来,波音积极投资启迪未来的航空业人才。波音在2009年启动了“放飞梦想”航空科普教育项目,旨在激发中国青少年对航空的兴趣,从而可以在未来投身航空产业。十多年来,已经有来自中国14个省市区的超过14万名学生和数千名教师参与其中。2017年开始,这个项目又通过在线课程和线下活动并举的方式惠及了更多偏远地区的师生。
中新财经:中国坚持推进高水平对外开放,建设中国式现代化,作为全球知名的跨国企业,从全球视野来看,中国新发展将为波音等跨国企业带来哪些新机遇?
谢利嘉:民用航空业是经济发展的主要表征之一,也是支持经济发展的重要力量。50年来,波音公司一直致力于向中国交付业界领先的高效节能的飞机。
我们于1973年向中国交付了第一架707飞机,与中国经济快速增长的步伐相匹配,50年以来,我们已经向中国的航空公司和租赁公司用户交付了超过2000架民用飞机,第一批1000架飞机的交付耗时40年,而第二批1000架飞机的交付仅仅用了5年多时间。随着中国经济的发展,现在中国已经成为波音最大的海外民用飞机市场,而且在未来更具潜力。
中新财经:目前,中国成为美国以外的波音最大的民用飞机市场。波音对中国民用航空市场有哪些展望,会有哪些投入?
谢利嘉:根据我们最新发布的2022年《民用航空市场展望》,未来20年中国民航业将需要引进近8500架新的民用飞机,同时,中国将需要价值超过5450亿美元的民用航空服务用来支持民航机队的这一巨大发展。波音希望可以用自己的世界级水平的产品和服务来帮助满足中国民航业的未来需求。
中国蓬勃发展的电商业和快递业是一个新的重要经济增长点。在此背景下,波音于2016年在合资企业上海波音航空改装维修有限公司启动了737-800波音改装货机(BCF)项目,将退役客机改装成为货机,一方面延长飞机的使用寿命,另一方面助力民航业的可持续发展。现在,这个项目在中国已经设立了十多条改装线并交付了超过100架飞机,取得了显著的成功。
中新财经:您提到,目前超过10000架飞行在世界各地的波音飞机上使用了中国制造的零部件和组件。在产业链协同、高质量航空复合材料生产方面,波音如何在中国市场实现进一步的共赢?
谢利嘉:波音与中国航空工业集团旗下多家成员单位和中国商飞旗下上海飞机制造公司都建立了飞机零部件生产合作关系。可以说,波音飞机的成功,也是中国航空制造业的成功。
天津波音复合材料公司是波音首个在华合资企业,也是我们与中国航空工业集团开展合作的一个典范。该企业主要开展高质量航空复合材料零部件的制造及装配业务,其中包括主结构件、次受力结构件与内饰件,迄今已经交付了超过160万件产品。目前,天津波音正在进行三期扩建,以期进一步提升产能。
波音还与航空工业集团合作成立了制造创新中心,迄今已经向超过10000名波音在中国的供应商员工提供了培训,以帮助供应商实现首批质量过关,并确保生产体系的稳健和高安全水平。(完)
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