诺贝尔化学奖授予了三位简化实验室反应的科学家

今年的化学奖授予了有助于绘制细胞图谱和创造靶向癌症疗法的实用且简单的科学技术。
2022 Nobel Prize in Chemistry winners Carolyn Bertozzi, Morten Meldal, and K. Barry Sharpless in a gold and black illustration
(从左起)2022年诺贝尔化学奖得主卡罗琳·贝尔托西、莫滕·梅尔达尔和K·巴里·夏普莱斯。图:Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

据评委称,2022年诺贝尔化学奖的宗旨是“让困难的过程变得更容易”。今天早些时候,2022年的这项殊荣被授予了三位化学家:卡罗琳·R·贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi)因其在生物正交化学方面的贡献,以及K·巴里·夏普莱斯(K. Barry Sharpless)和莫滕·梅尔达尔(Morten Meldal)为点击化学奠定基础。

诺贝尔化学奖委员会主席约翰·阿奎斯特(Johan Åqvist)在新闻稿中表示:“今年的化学奖关注的是不使事情复杂化,而是致力于简单实用的工作。即使采用一条直接的路线,也可以构建出功能性分子。”

这是夏普莱斯第二次获得化学诺贝尔奖。他曾是加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的教授。他因在氧化反应中使用不会被消耗的催化剂(在这种反应中电子丢失)而获得了2001年的奖项。这有助于生产各种药物。

大约22年前,他被认为是“点击化学”的提出者。点击化学是一种可靠且简单的化学形式,反应速度快且避免了不必要的副产物。他提倡一种新的、极简化的化学方法,并呼吁化学家停止模仿难以掌握且生产成本高昂的天然分子。

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据夏普莱斯称,化学家在开发这些更简单的反应时遇到的一个障碍是碳原子之间的键。这些键对生命化学至关重要,因为碳存在于所有生物中。一般来说,所有生物分子都包含一个由生物体进化出产生方法的碳原子组成的连接框架。然而,在实验室中制造它们一直很困难,因为不同分子的碳原子通常缺乏相互形成键的化学驱动力,必须人工激活。在改造过程中,激活往往会导致许多不必要的副反应和昂贵的材料损失。

正当夏普莱斯在21世纪初研究点击化学时,哥本哈根大学的莫滕·梅尔达尔和夏普莱斯分别提出了被认为是点击化学的“皇冠明珠”——铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应。诺贝尔委员会在新闻稿中称,这种化学反应“优雅而高效”,目前已用于药物开发、DNA绘制等领域。

梅尔达尔最初在实验室开发用于发现新药物和疗法的方法。他构建了巨大的分子库,然后筛选所有这些库,以查看是否有任何能够阻断病原体。通过这些实验,他发现铜离子能够控制反应只生成一种产物,从而发现了铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应。他展示了他的发现,作为该反应如何能够连接许多不同分子的例子;他的研究成果现在被用于绘制DNA图谱和开发新药物。

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在接下来的几十年里,斯坦福大学的贝尔托西将点击化学的概念提升到了一个新的水平。她开发了可以在生物体内进行反应的点击反应,以便更好地绘制那些存在于细胞表面上的、重要但难以捉摸的生物分子(称为聚糖)的图谱。这些生物正交反应的发生不会干扰身体正常的化学过程。她开发的反应现在被广泛用于探索细胞和追踪生物过程。这有助于开发目前正在进行临床试验的更具靶向性的癌症疗法。

贝尔托西在20世纪90年代初开始绘制一种吸引免疫细胞进入淋巴结的聚糖,但花了四年时间才理解这些生物分子是如何发挥作用的,因为当时没有有效的方法来识别和理解它们。听了一场讲座后,她想知道是否可以使用一种类似的方法,让细胞产生唾液酸的一种非天然变体(唾液酸是构成聚糖的糖之一),并附带一个连接有荧光分子的化学“手柄”。她推测这个化学“手柄”可以帮助她绘制聚糖的图谱。经过几十年的努力,贝尔托西解释说,手柄和荧光分子之间的反应不会改变细胞的天然生化过程。她正式创造了生物正交这个术语,指的是任何可以在生物体内发生而不干扰原生过程的化学反应。此后,她利用这个过程以及梅尔达尔和夏普莱斯开发的点击化学过程来研究疾病以及细胞中的生物分子如何相互作用。

委员会在新闻稿中表示:“点击化学和生物正交反应已将化学带入了功能主义时代。这为人类带来了最大的福祉。”

 

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Laura Baisas

新闻编辑

Laura 是 Popular Science 的新闻编辑,负责报道各种主题。Laura 对所有水下事物、古生物学、纳米技术特别着迷,并探索科学如何影响日常生活。


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