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.

智能助老：老人舒心，子女放心******

在浙江省湖州市长兴县画溪街道姚家桥村区域型居家养老服务中心，志愿者指导老人使用远程问诊智能服务终端。

谭云俸摄（人民图片）

　　随着互联网技术不断发展，借助网络平台和创新模式，养老服务也越来越“智能”。聚焦老人高频需求，开发智慧服务平台，守护老人生命安全；建设智慧医养平台，老人在线下单，医护上门服务；跌倒报警设备，第一时间响应老人的求助需求……中国多地积极探索新业态，开发新产品，让科技为养老服务赋能。专家认为，智慧养老产业的兴起和技术的迭代升级，让老人的生活更舒心，子女更放心。

　　一键呼叫，随叫随到

　　一个呼叫终端，一台红外感应设备，一个24小时服务平台，让越来越多老人享受到安心的居家养老服务。

　　在山东省日照市岚山区安东卫街道，小小的“遥控器”成了86岁独居老人陆新皆的好帮手。陆新皆需要助餐、保洁等服务时，就按下这个“遥控器”。另一端，专属护理员黄昌丽接到系统通知，及时赶往老人家中，提供相应服务。“一键呼叫，随叫随到，真方便！”陆新皆把这个呼叫工具当成“宝”。

　　据了解，山东省加快构建居家社区机构相协调、医养康养相结合的养老服务体系，将发展智慧养老摆在重要位置，充分利用互联网、大数据、云计算等信息技术手段，建立起智慧养老管理平台、智慧养老服务平台、养老信息网，依托省级“两台一网”，市、县搭建起智慧养老综合管理服务平台。

　　“岚山区搭建的智慧养老综合管理服务平台，汇聚全区养老数据，实时分配任务订单，为居家老年人提供助餐、助浴、助医、助乐、助洁和助行等‘六助’服务。”岚山区民政局局长胡宾介绍。

　　在天津市河西区“一库一网一平台”智慧养老服务体系中，智慧养老服务平台建立起应急救援机制，为独居老人免费安装了京东“一键通”呼叫设备，开展“7×24小时”应急帮扶，解决辖区内老人居家安全的难题。

　　家住河西区桃园街道广顺园社区的翁奶奶就是社区养老新服务“一键通”的受益者。翁奶奶家里免费安装了“一键通”呼叫设备，当有应急需求时，只要拨通“一键通”，便可以直连智慧养老服务平台，由社区网格员和志愿者组成的“敲门小组”就会上门查看老人情况，提供帮扶。

　　足不出户，居家就医

　　“再巩固一次就差不多了，后续还要注意行动姿势，减少坐立时间……”湖南省长沙市长沙县果园镇卫生院院长王涌江对李剑忠说。这是他第三次到果园镇杨泗庙社区居民李剑忠家上门服务。李剑忠处于腰椎间盘间隙狭窄手术后恢复期，以前从家里去一趟镇卫生院要半小时。“多亏了智慧医养平台，现在我可以足不出户在家就医了！”李剑忠说。

　　2021年5月，果园镇卫生院作为试点医院，上线了由湖南省卫健委、中南大学湘雅医院移动医疗教育部—中国移动联合实验室等机构联合开发的智慧医养平台。居民在APP上下单，便可定制上门医护服务。除了手机端应用外，平台还设有电视客户端，方便不能熟练使用手机的老人操作。

　　“我们以智慧医养平台为依托，帮助65岁以上老年人及空巢老人居家养老、设置家庭病床，针对失能、半失能老年人提供个人照护、保健康复等日间服务以及定期上门查床、治疗、护理等医疗服务。”王涌江说，其实这也是把之前的“家庭医生签约服务”不断推向定制化上门服务。

　　在湖北省武汉市江夏区，数字化居家养老服务项目已经在很多老年人家里成功应用。老人睡在床上，只需按一下按钮，就能启动家庭床位语音交互系统，获得专业医疗人员的诊疗服务。目前，该项目已与全国数百位全科医生签署协议，一对一在线问诊。接线员会根据老人需求，将电话转接给相应科室的医生。该项目还为老人建立健康档案，可以实时查看医生问诊记录及健康数据。

　　京东健康智慧医疗总经理胡少奇对本报记者说，京东健康通过居家适老化改造提高老年人居家安全保障，利用人工智能技术实时监测老年人的异常情况，通过24小时在线医疗团队提供专业服务，协助应对老年人突发健康问题。

　　跌倒提示，就近援助

　　2021年9月，国家发展改革委办公厅印发《关于推介运用智能技术服务老年人示范案例的通知》，公布了第一批14个运用智能技术服务老年人示范案例，山西省大同市“398贴心保”榜上有名。

　　“这个小玩意儿，别看只有巴掌大，作用可不小。”87岁的大同市民龚翠兰指了指系在腰间的智能穿戴设备“398贴心保”。有一次，龚翠兰在自家小区遛弯时，一个趔趄摔倒在地，“398贴心保”立即响应——1秒自动识别跌倒，30秒救助应答，3分钟救援人员到场，11分钟救护车到场，为老人及时送医赢得宝贵的救援时间。

　　中国疾病预防控制中心慢病中心等7家机构联合发布的《老年人防跌倒联合提示》指出，跌倒是65岁以上老人因伤害致死亡的首位原因。国务院办公厅印发的《国家残疾预防行动计划（2021—2025年）》提出，开展老年人跌倒干预和健康指导，提高老年人及其照料者预防跌倒的意识和能力。提高对儿童伤害和老年人跌倒的救援、救治水平。

　　“398贴心保”智能穿戴设备，由大同398智慧养老服务有限公司研发，其主要功能便是防跌倒。“每秒钟可以捕捉100组人体动作数据，跌倒识别率达90%以上。”大同398智慧养老服务有限公司研发主管刘超说，借助人工智能技术、移动通信技术和云计算技术，“398贴心保”实现了跌倒智能判断和自动报警，形成“跌倒提示—后台报警—人工确认—就近救助”的响应流程。

　　2020年8月起，大同市民政局在平城区率先试点，为80岁以上高龄老年人、75岁以上独居及低保家庭老年人、低保家庭60岁以上失能老年人免费配用“398贴心保”。目前，大同市平城区已有1.56万多位老人用上了“398贴心保”。（人民日报记者 杨俊峰）