點擊化學與生物正交化學：微觀世界的模塊化構建
——2022年諾貝爾化學獎

姜秉寅 張霽頤 張筱宜 王玉記 趙 明

(首都醫科大學藥學院藥物化學系 內源式預防藥物教育部工程研究中心 多肽及小分子藥物北京市重點實驗室 北京生物醫用材料實驗室和天然高分子生物醫用材料重點實驗室，北京 100069)

2022年10月5日，瑞典皇家科學院秘書長Hans Ellegren教授在發布會上宣布，本年度諾貝爾化學獎授予3位科學家：美國化學家卡羅琳·貝爾托西(Carolyn R. Bertozzi)、丹麥化學家摩頓·梅爾達爾(Morten Meldal)和美國化學家卡爾·巴里·夏普利斯(K. Barry Sharpless)，以表彰他們為發明和發展點擊化學和生物正交化學所做出的貢獻。3人將均分1 000萬瑞典克朗的獎金。值得一提的是，Sharpless教授是第2次獲得諾貝爾化學獎，2001年，因在手性催化氧化反應領域所取得的成就和另兩位科學家(William S. Knowles和野依良治)分享當年諾貝爾獎，其中Sharpless占有一半獎金。

長久以來，化學家們一直在尋找高轉化率、高特異性、廣泛適用、操作相對簡便且后處理較為簡便的分子砌塊鏈接方法，以便實現對任意形態的目標分子“模塊化”的準確建造。以羰基化合物的羥醛縮合為代表的碳-碳鍵形成反應，是自然界中最主要的有機分子搭建方式，也是傳統有機合成課程中需要學生們掌握的最重要、運用場景最復雜的知識點。羥醛反應能提供的官能團較為單一，且副產物較多，不能滿足新世紀分子科學的研究需求?；瘜W家們借助合成手段的飛速發展，于21世紀初開發了一大類以“點擊化學”為名的模塊化分子鏈接技術[1](圖 1)。其中，最著名且應用最廣泛的反應即為一價銅催化的炔烴-疊氮偶聯反應[Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition，CuAAC]。2002年Morten Meldal和Sharpless兩個課題組獨立報道該反應[2-3]。而Carolyn R. Bertozzi克服了CuAAC反應中銅離子細胞毒性的限制，她獨立帶領研究小組研發出了環張力驅動的3+2炔烴-疊氮環加成反應，賦予該類點擊化學反應良好的生物相容性，被稱作“生物正交化學”[4]。Bertozzi改進的點擊反應可以在活細胞甚至是活動物體內實施，極大地促進了近十幾年來化學、生物學、乃至于藥學的發展[5]。

圖1 “點擊”化學示意圖

1 獲獎者簡介

1.1 卡羅琳·貝爾托西(Carolyn R. Bertozzi)

Carolyn R. Bertozzi(圖2)，美國化學家，斯坦福大學教授，1966年出生于美國，1993年于加州大學伯克利分校獲得化學博士學位，后在加州大學舊金山分校任免疫學和解剖學系博士后研究員，2000年任霍華德休斯醫學研究所研究員。2015年6月成為斯坦福大學教授并任職至今。

圖2 Carolyn R. Bertozzi[7]

Bertozzi教授是生物正交化學領域的開創者，目前的研究重心在于病變細胞表面的糖基化，包括在發炎、感染和癌癥時產生的不同糖基化反應，以通過這些研究輔助疾病的診斷、預防和治療。她開發了很多工具來闡明糖結構在細胞中的重要作用，對化學領域做出了突出貢獻，并培養了新一代精通化學和生物學的科學家。2003年，Bertozzi當選為美國藝術與科學院(the American Academy of Arts and Sciences)院士，2005年成為美國國家科學院(the National Academy of Science)院士。2008年至今，她成立了7家從事疾病治療和診斷研發的生物技術公司。Bertozzi獲得的主要榮譽還有Arthur C. Cope Scholar Award(1999)、McArthur Foundation Award(1999)、Lemelson-MIT Prize(2010)、Chemistry of the Future Solvay Prize(2020)、Wolf Prize(2022)等[8]。

1.2 摩頓·梅爾達爾(Morten Meldal)

Morten Meldal(圖 3)，哥本哈根大學教授，1954年出生于丹麥。1986年于丹麥技術大學獲得博士學位，1983年至1985年于哥本哈根大學進行博士后研究，1986年于劍橋大學進行博士后研究。1988至2011年，為嘉士伯研究所研究負責人，2011年至今任丹麥哥本哈根大學納米科學中心教授，目前，Meldal教授在中國科學院大學中丹學院作為丹麥方導師任職。

圖3 Morten Meldal[9]

Meldal教授主要研究組合化學和多肽化學，因與Sharpless教授共同開發了銅催化的CuAAC反應而聞名，該反應被定義為點擊化學中的主要反應，以化學生物學領域為中心被廣泛利用。獲得的主要榮譽有Kirstine Meyers Award(1988)、Leonidas Zerwas Award(1996)、Ralph F.Hirschmann Award(2009)、 Vincentdu Vigneaud Award(2011)等。

1.3 卡爾·巴里·夏普利斯(K.Barry Sharpless)

K. Barry Sharpless(圖 4)，美國有機化學家，1941年出生于美國。1968年于美國斯坦福大學獲得有機化學博士學位。1987年成為斯坦福大學教授，現任美國斯克里普斯研究所W. M. Keck講座教授，中科院上海有機化學研究所特聘教授。

圖4 K.Barry Sharpless[10]

Sharpless的實驗室尋求有用的新反應性和選擇性控制化學反應的一般方法，Sharpless教授是不對稱催化氧化反應以及點擊化學領域的開創者之一，1998年提出點擊化學概念，在2001年，因開發了用于氧化反應的手性催化劑，達到將消旋體藥物進行拆分的目的，與另兩位科學家共同獲得當年的諾貝爾化學獎。1984年，Sharpless教授當選為美國藝術與科學院院士，第二年成為國家科學院院士，2017年，他被授予“中國化學會榮譽會士”稱號，2019年當選為中國科學院外籍院士。Sharpless教授所獲其他獎項及榮譽眾多，其中在2013年獲得了具有“諾貝爾獎風向標”之稱的Thomson Reuters Citation Laureates，2019年獲得了有“諾貝爾獎風向標”之稱的湯森路透引文桂冠獎。

2 該成果對化學、納米科學、生命科學和藥物研發等領域的廣泛影響

“點擊化學”的概念在2001年初由Sharpless教授提出，指代一大類反應前體易得、反應條件溫和、轉化率接近100%、官能團廣泛耐受、后處理方便快捷、能形成穩定化學鍵鏈接的立體專一性化學反應。當前科學家們廣泛使用的符合點擊化學條件的反應包括CuAAC[11]、巰基-烯/巰基-炔點擊反應[12]、光引發Diels-Alder反應[13]等。而由Bertozzi最初發明的可在活體內進行的生物正交反應，最初是由具有較大張力的環炔烴-疊氮加成實現[4]。在此基礎上，后續這十幾年來生物正交反應也得到了極大發展，一批新型正交反應例如：施陶丁格連接反應(Staudinger ligation)[14]、逆電子需求的Diels-Alder反應(inverse electron demand Diels-Alder，IEDDA)、1,3-偶極環加成反應[15]等被相繼發明出來，并廣泛應用于生物化學標記和藥物研發。下面介紹3種最具代表性的點擊/正交化學反應以及它們對多個學科領域的廣泛影響。

2.1 一價銅催化的CuAAC

Meldal教授課題組和Sharpless教授課題組在2002年分別獨立報道該反應[2-3]。Meldal教授的文章投稿日期是2001年12月14日，而Sharpless教授雖然投稿日期稍晚(2002年4月29日)，卻在更早的時候發表了一篇綜述正式提出了“點擊化學”的概念[1]。因此二人共同獲獎并無不妥。CuAAC反應的通式如圖5所示，先將一個反應物通過化學修飾方法帶上疊氮基團(通常可用疊氮化鈉對鹵代烴基團進行親核取代反應得到有機疊氮化物)，繼而在一價銅絡合物的催化下，與另一反應物上預先留置的炔烴官能團反應(炔烴官能團可由Suzuki偶聯反應制備)，將兩個分子砌塊高效地偶聯起來。值得一提的是，這兩個被鏈接上的砌塊，不僅可以是有機物小分子，也可以是高分子聚合物、納米顆粒，甚至是酶或核酸[16-19]。化學基團相對于納米顆粒/高分子聚合物的極小尺寸比例，也從側面反映出CuAAC點擊反應的高效性。

圖5 一價銅催化的炔烴-疊氮環加成反應示意圖

2.2 自由基引發的巰基-烯點擊反應

在藥物研發過程中，經常需要將小分子藥物與載體鏈接起來，同時又不損害藥物的結構。以明星抗癌藥紫杉醇為例，其化學結構中含有多個羥基、酯、酰胺和雙鍵，還有一個高張力的氧雜四元環(圖 6A)。

如此豐富的官能基團，也導致了紫杉醇在化學反應中的脆弱性。在將其與藥物遞送載體偶聯的時候，很難保證不損壞其上的其他基團。Wooley 等利用紫杉醇分子上的C2'位羥基，與巰基丙酸連接(圖 6B)，再進行自由基引發的巰基-烯點擊反應，成功將紫杉醇連接到聚乙烯氧化物-嵌段-聚己酸內酯[poly(ethylene oxide)-block-polyphosphoester，PEO-b-PPE)]高分子側鏈上(圖6C)，所得到的載藥高分子材料展現出了pH敏感的特性，可在腫瘤弱酸性環境中將紫杉醇釋放出來，實現了對腫瘤細胞良好的選擇性殺滅作用[20]。

圖6 巰基修飾后的紫杉醇通過巰基-烯點擊反應鏈接到高分子藥物載體上[20]

巰基-烯點擊化學的另一優勢在于，巰基天然存在于構成蛋白質的基本氨基酸之一——半胱氨酸的結構中。在制備蛋白質-納米材料復合物中有著廣泛應用[21]。Mathieu Etienne等利用山梨糖醇脫氫酶表面的巰基，將其鏈接至碳電極表面。在此過程中酶的活性可依舊得到保持，用此方法制備的生物復合電極可以實現將D-果糖氧化為D-山梨糖醇的立體選擇性催化[22]。盡管活體細胞內的巰基-烯點擊化學因巰基的還原性較強，導致不良反應較多、效率較低等困難，但近期報道中采用光化學等手段，可以在生物相容的反應環境下大大提高偶聯效率[23]。

2.3 活體內的無銅點擊反應

2004年，Bertozzi為了克服CuAAC反應中銅離子對細胞的毒害作用，創造性地采用了張力較高且具有吸電子基團的環辛炔與疊氮化物進行環加成反應，極大提高了反應速率，可以無需金屬的催化(圖 7)[4]。此項工作也開拓了一個全新的領域：生物正交化學(即生物體內的點擊化學)。自此之后，科學家們獲得了一種強有力的工具對細胞內部的化學反應，以及藥物在活體動物體內的追蹤。

圖7 CuAAC反應(a)與無需銅催化的環辛烯-疊氮加成反應(b)

Bertozzi開發生物正交反應的最初目的是追蹤細胞內聚糖的活動。由兩種熒光染料Alexa Fluor 488和Alexa Fluor 568修飾的2.2-二氟環辛炔(difluorocyclooctane)可在1 min內完全偶聯至倉鼠卵巢細胞表面的聚糖上(圖8)。繼而研究者可在熒光顯微鏡下清楚地觀察到聚糖的運動、內吞和在高爾基體、溶酶體等細胞器內代謝的過程[24]。

圖8 倉鼠卵巢細胞表面修飾

活體動物體內的生命活動亦可借由生物正交化學來輔助觀測。2008年Bertozzi課題組在Science上發表了1篇關于利用生物正交反應偶聯熒光探針，高精度監測斑馬魚胚胎發育過程的文章[25]。自那之后，環辛炔方法偶聯的熒光探針被廣泛用于示蹤、抗病毒、抗腫瘤藥物研發等領域[5,26-27]。

特別值得關注的一點是，生物正交化學中所使用的大部分試劑，均可以在活體內降解。例如炔烴官能團可以在肝臟內被細胞色素P450酶降解，這也進一步支持了生物正交反應的安全性[5]。

3 結語

進入21世紀以來，諾獎得主趨于高齡化。某種程度上是因為評委們更青睞那些能夠得到可靠實驗結果和學術界廣泛認可、經歷過多年時間淬煉、已確認可以對世界科學發展和改善人類生活起到重大促進作用的科學成就。點擊化學/生物正交化學恰在此列，用相對簡單直觀的化學手段，在人類探究生化過程本質、與疾病斗爭的過程中，提供了生產“制導彈藥”的高效方法，也成為廣泛的多學科領域都不可或缺的極為好用的分子水平構建工具。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明姜秉寅、張霽懿:撰寫論文；張筱宜:撰寫論文，總體把關，審定論文；王玉記、趙明：總體把關，審定論文。