原创返朴返朴

瑞典当地时间年10月5日11时45分（北京时间10月5日17时45分），诺贝尔奖委员会宣布将年诺贝尔化学奖颁发给美国化学家CarolynR.Bertozzi，丹麦化学家MortenMeldal和美国化学家KarlBarrySharpless，以表彰他们“为点击化学和生物正交化学的发展”做出了突出贡献。

年诺贝尔化学奖奖励的是简化化学反应的过程。BarrySharpless和MortenMeldal为一种分子功能化——点击化学——奠定了基础。“点击”就是指两个东西像积木扣在一起一样，咔嚓（click）一声，分子构建单元快速而有效地结合在一起。CarolynBertozzi将点击化学带到了一个新的维度——在生物体中使用它。

长期以来，化学家们一直渴望构建越来越复杂的分子。药物研究中，通常需要人工制造具有药用特性的天然分子，科学家发现了许多有意义的分子结构，但成本高昂并且非常耗时。诺贝尔化学委员会主席Johanqvist表示：“今年的化学奖获奖工作不是一类复杂的方法，而是把问题变得简单和便捷。功能分子甚至可以通过一条直接的路线来构建。”

大约在年，BarrySharpless创造了“点击化学”的概念，这是一种简单而可靠的化学形式，在这种化学中，反应快速发生，避免了不必要的副产品。不久之后，MortenMeldal和BarrySharpless各自独立提出了现代点击化学王冠上的明珠：铜催化叠氮-炔环加成。这是一种优雅而高效的化学反应，现在在药物开发、DNA定位和创造新材料等方面被广泛使用。

为了绘制细胞表面重要但难以捉摸的生物分子——聚糖，CarolynBertozzi开发了在生物体内起作用的点击反应。她的生物正交反应不会破坏细胞的正常化学反应，其正在被用于探索细胞和追踪生物过程。利用生物正交反应，研究人员改进了癌症药物的靶向性，许多临床试验正在进行中。点击化学和生物正交反应将化学带入了功能主义时代，为人类带来了伟大的效益。

值得一提的是，这是BarrySharpless的第二个诺贝尔奖，他曾于年因手性催化氧化反应方面的贡献获得年诺贝尔化学奖。在诺贝尔奖历史上，此前只有居里夫人（MarieCurie）、约翰巴丁（JohnBardeen）和弗雷德里克桑格尔（FrederickSanger）三人曾经两次获得科学奖。其中只有桑格尔是年和年诺贝尔化学奖得主，如今的Sharpless是继桑格尔后第二位在化学奖上“梅开二度”的。

Sharpless曾说，一开始他想给这类反应取名，然而他有“取名困难症”，便求助于他的妻子。他的妻子是某个期刊的编辑，有点文艺细胞，就引用了一个美国俗语“clickitorticket”（不系安全带就吃罚单），取名为“clickchemistry”。所以“click”其实指的是扣安全带，形容反应像扣安全带一样简单高效。

重庆大学副教授李存璞对《返朴》介绍说：“点击化学或者生物正交化学很多都基于叠氮：三个氮原子连接在一起，一方面可以很方便的与两个碳原子形成五元环，如同奥运五环一般；另一方面也可以脱去氮气分子，留下一个氮原子构建新的功能化体系。氮元素作为最重要的有机物中的杂原子和生命分子的核心元素，未来还有更多的内涵值得科学家继续探索。”

什么是生物正交化学？

一个不简单的学术任务锻造出一把生化“利剑”，轻轻一击，便为生物化学开疆扩土。在生物正交化学出现之前，荧光蛋白标记法是蛋白质层面最热门，最广泛的方法，通过基因编辑蛋白质，与绿色荧光蛋白质或者其变体结合打上标记，从而跟踪被标记物的结构、功能。但这个方法有一明显缺陷：标记物蛋白往往很笨重，容易影响被标记生物分子，改变实验结果。[1]

而Bertozzi开发出的“生物正交化学”方法则轻便得多：让两个小分子在活细胞环境中相互作用，形成反应类型单一但彼此相连的共价键。然后如同“桥梁”一般，其中一个小分子通过代谢标记法与靶点糖分子整合，而另一个则与化学标记物结合。在整个过程中，小分子以及靶点大分子的整合借助生物体内已有的生化反应，却不会影响反应本身。年，Bertozzi团队发表在《自然化学生物》（NatureChemicalBiology）的一篇论文详细阐述了该实验策略。[2]

来源：论文《生命系统中的化学》[2]

也正是Bertozzi团队正式创造出“生物正交化学”（Bioorthogonalchemistry）这一术语，并一直引领着该领域的发展。根据定义，生物正交化学是在生物环境中发生的一组对生物分子影像微小，或对生化过程干扰微小的反应[3]。所谓“正交”，便有相互独立，不加干涉的涵义。

生物正交化学反应的代表性课题组

最初的生物正交化学主要指偶联反应，年Bertozzi团队基于施陶丁格（Staudinger）还原反应开发出施陶丁格偶联反应，即叠氮-膦基酯反应，将其用于细胞表面的化学修饰[4]，也正是这一研究掀起了各种其他生物正交化学反应的研发热情。

年，美国有机化学家卡尔巴里夏普莱斯（Karl.Sharpless）团队和丹麦有机化学家莫滕梅尔达（MortenP.Meldal）团队分别独立报告了一价铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应（CuAAC反应），该反应遵循点击化学（Clickchemistry）的选择性原则，产率高，应用范围广，非常适合生物正交化学。CuAAC反应使用的两种小官能团容易与靶点分子结合，同时不影响自然生化反应[1]。

尽管优势明显，CuAAC反应有一个隐患：铜催化剂在细胞中反应会产生有毒的活性氧自由基。于是，Bertozzi团队翻阅资料，寻找不用铜催化的办法，她们很快就找到了一种名为环辛炔的有机化合物，和叠氮化合物之间可以在生理条件下实现应变促进的[3+2]环加成反应，且无需催化剂。在短短几个月之内，团队构建好反应小分子，先在蛋白质，后在细胞上进行选择性修饰实验，结果相当理想，且没有毒害。年，团队在《美国化学学会期刊》（JACS）上发表论文，证明了无铜点击化学正交反应的应用潜力。[5]随后，团队进一步改良了环辛炔试剂以求更快的反应动力学，成功对发育中的活斑马鱼体内膜相关聚糖进行成像，识别并跟踪聚糖的表达模式。[6]

就在Bertozzi团队在生物正交化学的道路上突飞猛进之时，其他科研团队也积极探索新的反应策略。年，美国德拉瓦大学（UniversityofDelaware）约瑟夫福克斯（JosephFox）团队在《美国化学学会期刊》（JACS）上发表研究，提出了S-四嗪（Tetrazine）和反式环辛烯（TCO）在生理条件下无需催化剂的环加成反应。[7]四嗪的连接反应是目前已知生物正交反应中最快速的一种，福克斯表示：“有了最强反应的反式环辛烯，反应速率超过了3,,M-1S-1。”[1]

从年起，中国科学家迎头赶上，在生物正交反应研究领域积极做出自己的贡献[8]，其中最重大的突破便是年北京大学化学与分子工程学院陈鹏团队在《自然化学》（NatureChemistry）在线发表的论文，首次提出“生物正交剪切反应”（bioorthogonalcleavagereaction）这一概念。在陈鹏团队之前，正交反应的思路往往遵循键合反应，而陈鹏则反其道而行之，希望在生物正交化学反应中打断键化学键，从而激活蛋白，甚至递送药物。

于是，陈鹏团队研发出别具一格的蛋白质，其活性位点上的一个关键残基被保护性官能团“锁在笼中”。随后使用正交剪切反应，可打破“牢笼”，解除保护，将其激活。在这篇论文中，团队在活细胞内实现了蛋白质侧链的原位脱保护反应（Proc-赖氨酸向天然赖氨酸的转化）。[8-9]这一策略的优势在于将非天然氨基酸直接插入了目标蛋白质酶的催化活性位点，使其处于完全“关闭”的状态；而在激活过程中只要产生少量的处于“开启”状态的蛋白质就足以对其功能及相关生物学功能进行研究。[10]年，团队在《美国化学学会期刊》（JACS）上提出了另一种“双取代炔丙基/铜试剂”生物正交剪切反应，从“末端脱笼”拓展至“分子内剪切”。在此基础上，团队设计并制备了基于氨基和酚羟基的可控释放型抗体偶联药物(CleavableADCs)，成功实现了对癌细胞的选择性杀伤。[8,11]

生物正交化学的未来发展

生物正交化学是一个非常年轻的领域，由Bertozzi开创的革命性技术，在近20年时间内科学家们不断拓展其内涵和外延，虽然到目前为止，生物正交反应并非尽善尽美，在效率、速率、底物稳定性、易得性、生物兼容性、相互正交性以及操作便捷性等方面或多或少还存在着各种各样的问题。[8]但从最初作为偶联反应的补充反应，到独立壮大如今成为生物化学的核心领域之一，发展潜力不容小觑。生物正交化学不仅推动着糖生物学的发展，而且在药物靶向方面的应在范围未来很可能会进一步扩大。[3]例如：

药物制剂的原位合成：生物正交化学可能会有助于用较小的前体来组装药物。在需要的时间创造药物，药物就会更有效、毒性更低；药物干预的范围也可以扩大。

聚糖标记：科学家已使用叶酸配体生成了含有叠氮化物标记的半乳糖胺的脂质纳米粒。当肿瘤细胞暴露于人类血清中时，肿瘤膜纳入叠氮修饰的双苯环辛烷，触发免疫反应。

点击释放（ClicktoRelease）：该方法是利用生物正交化学控制药物释放的时机和位置，产生对靶细胞有选择性毒性的药物。

生物正交化学发展的时间线（来源：cas.org）

参考文献

[1]

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