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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.

海南守护生态底线，“两山”转化的路径探索******

　　这是在海南五指山市水满乡拍摄的昌化江（无人机照片）。新华网发

　　1月的海南，处处绿水青山。

　　海南的绿水青山何以“金山银山”？

　　近年来，海南立足得天独厚的自然地理条件，牢固树立“绿水青山就是金山银山”的理念，因地制宜，坚持在开发中保护、在保护中开发，积极推动生态价值转化，让百姓在“两山”转化实践中受益。

　　小小茶叶 变成致富法宝

　　薄雾轻拢山间，民谣萦绕云天，郁郁葱葱的茶树冒出绿芽，黎族阿姐们在茶树间穿行，手指在茶尖跳跃，一片片嫩绿的茶芽落入茶篓，人与自然融为一体，画面清新和谐。

　　这是海南五指山市的毛纳村景色（无人机照片）。新华网发

　　“去年上半年，我家依靠卖茶收入4万元。”五指山市水满乡毛纳村村民王菊茹说，种茶卖茶不光让她能供养4个孩子读书，生意还做到了外地，不少游客线上与其订购茶叶。

　　走进毛纳村，清澈的水流穿村而过，清凉的山风吹拂着水面，水车正悠悠转动，放眼望去一片青绿。优美的景色、新鲜的空气、清香的红茶吸引着各地的游客纷沓而至。

　　“村子里游客多了，一天忙活下来，我能挣到上百元。”水满乡毛纳村村民王叶侦正坐在凉亭里织着黎锦，身旁摆放着手工茶叶和黎锦服饰，吸引着游客驻足购买。

　　水满乡毛纳村小组组长王国刚介绍，毛纳村共33户128人，过去村民选择外出打工，如今村里茶叶产业逐步发展，建成570亩的茶园，吸引了大量村民留村就业，超80%的农户种植茶树。去年“五一”假期，全村共计接待游客近3000人次，获得旅游收入超10万元。

　　围绕茶叶，五指山市将继续做大品牌影响力，用好五指山红茶的国家农产品地理标志，发挥品牌效应，将五指山红茶“走出去”，以茶促旅，以旅兴茶，助农增收促进乡村振兴，让茶叶变成农民的“金叶子”。

　　这是海南五指山市的毛纳村景色（无人机照片）。新华网发

　　菌俏菇靓 一片土地多种收入

　　走进白沙黎族自治县青松乡，一缕缕阳光穿过橡胶叶，洒向林下的菌菇大棚。大棚中，工人正细心地检查、照顾着红托竹荪、虎奶菇等菌菇作物。

　　“多打这样一份零工，家里经济更宽裕了，每天可以多炒一道菜。”女工符丽梅正在挥舞着锄头，刨出一条条半米宽的畦床，并将虎奶菇菌苗整齐地摆成两排。

　　充分利用每一寸土地，让每一片土地发挥更大的价值，青松乡基本建成1000亩菌菇种植园，预计全年能提供临时岗位1万余人次，助农实现稳定增收。

　　“我们以‘企业+村集体’合作的形式，利用流转来的橡胶林地套种猪肚菌、虎奶菇、红托竹荪等菌菇，去年村集体年收入达到69万元。”青松乡负责人说。其中，“橡胶+红托竹荪”产业经济效益最为显著。红托竹荪亩产达1500斤，按照平均价60元/斤，每亩可增加产值9万元。

　　近年来，白沙大力推广林下种植、林下养殖的生产方式，创新天然橡胶“宽行窄株”种植模式，将土地利用率提升150%，探索出橡胶“+红托竹荪”“+凤梨”的林下种植和橡胶“+五脚猪”“+山羊”“+蜜蜂”的林下养殖双模式，从林下蹚出一条致富新路，推动立体经济发展。

　　依托建设国家“两山”实践创新基地的契机，白沙积极打造“两山银行”，通过搭建运营平台，探索建立生态资源的“调查评估—收储流转—提升开发—风险监管”转化机制，实现“存入绿水青山，取出金山银山”，探索“两山”转化实践路径、推动生态价值转换的有效途径。

　　宜居宜业宜游 荒山变金山

　　作为海南典型的资源型市县，被誉为“海南聚宝盆”的昌江黎族自治县以高品位的“亚洲第一露天富铁矿”——石碌铁矿而闻名。经过多年的开采，石碌铁矿的露天铁矿趋于枯竭，裸露的山体就像一块块“伤疤”。

　　在海南省委、省政府的积极推动下，昌江通过探索实施“生态修复＋废弃资源利用＋产业融合”的矿山生态修复新模式，曾经大片裸露的土地和漫天灰尘消失不见，取而代之的是漫山遍野绿意盎然。石碌铁矿被重新赋予了矿山公园和矿山特色小镇的新使命。

　　“以前矿山开采的时候，噪音、炮声、大卡车声较大，灰尘也比较多。现在就不一样了，空气比较新鲜，环境变好了，身体也健康了。” 叉河镇叉河村村民豹爱萍说道。

　　海南石碌铁矿国家矿山公园管理中心负责人表示，通过创新矿山生态治理模式达到三方共赢的局面，未来的30年，这片区域都会有企业来管护，不会出现治理完就荒废的局面，生活在这里的老百姓可以长期享用这片绿水青山的福利。

　　王下乡“黎花里”。新华网发

　　王下乡是昌江向“绿色转型”的典范。王下乡位于海南霸王岭国家森林公园腹地，曾是昌江最偏远落后的贫困地区，有“海南小西藏”之称。如今，绿水青山环抱下淳朴黎乡风情，正吸引着越来越多的游客来到王下乡打卡。

　　初入王下乡，一栋栋修饰一新的船型屋民宿映入眼帘，向外望去，眼前是绿油油的稻田，远处是巍巍群山，看着家家户户的民房外墙上生动的彩绘，仿若身处流动的黎族文化博物馆。

　　“短短几年时间里，村子从破败不堪逐渐蜕变成如今的美景，每天还能看到各地来的游客，这在以前是想都不敢想的。”村民韩小春搬进了政府帮忙修建的新房，在家门口的民宿工作，每月能拿到3300元工资。

　　近年来，王下乡依托得天独厚的生态环境资源和黎族特色文化优势，积极探索“两山”转化的实现路径，推动全乡“拔穷根”“摘穷帽”。全乡已开设农家乐9家、民宿8家。2020年至2022年9月，王下乡累计接待游客23万人次，直接拉动旅游收入破千万元。2022年，脱贫人口人均纯收入近2万元，比2016年同比增长262%。

　　霸王岭深处的王下乡吃上了旅游饭，得益于丰富的热带雨林资源和生态环保的理念。“人不负青山，青山定不负人。”良好的生态环境是海南自贸港着力打造的核心竞争力之一。

　　绿水青山是心之所向，乡村振兴是民之所望。生态兴则文明兴，文明兴则促乡村兴。海南“两山”转化的实践还在路上，这条路也将是人民通往幸福的道路。（李笑涵 张铭琪 董鑫悦）

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）