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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.

武铁8列智能复兴号高铁跑春运 商务座一人一舱******

车轮做B超

　　□楚天都市报极目新闻记者 潘锡珩 摄影：楚天都市报极目新闻记者 李辉 通讯员 胡杰

　　2023年的春运大幕7日开启。春运前夜，华中最大的动车组检修基地——武汉动车段内，200余组动车组列车整装待发。极目新闻记者了解到，去年，中国铁路武汉局集团公司首次配属了8组智能复兴号高铁，今年是它们首次加入春运运输，将为旅客带来更加优质的乘车体验。

　　智能复兴号全车多处优化升级

　　2022年6月，随着京广高铁京武段常态化按时速350公里高标运营，中国铁路武汉局集团公司首次开行复兴号智能动车组，截至目前，武铁共有8组智能复兴号高铁，今年是首次加入春运运输任务。

　　6日下午，极目新闻记者在武汉动车段登车，现场感受新升级复兴号高铁的魅力。

　　与一旁的普通复兴号相比，CR400AF-Z型智能复兴号在车身涂装方面明显不同。普通复兴号银白色的车身上，装饰线条为大红色的直线，“复兴号”三个大字的颜色为黑色。而智能复兴号车身，除了大红色直线条，还有一条红橙黄三色的飘带贯穿全车，整体给人飘逸灵动的感觉，“复兴号”三个金色大字更加醒目。

　　进入车厢，不论是商务座、一等座还是二等座，智能复兴号在诸多细节方面都进行了优化升级。商务座采用全新的“鱼骨式”布局，实现了区域分隔，一人一舱，提升了私密性。同时还有无线充电、无线投屏等新功能。一等座席增加电动调节腿托以及USB接口数量，在座椅后背设置了抽拉式小桌板，使用更方便，稳定性更强。二等座席在座椅后方增加了USB充电接口，小桌板上的杯托凹槽也加深了，水杯在时速350公里的列车上也能纹丝不动。

　　记者注意到，车厢里许多部位都增加了盲文标识，无障碍车厢还配备了更宽的通过门，无障碍卫生间、专门的轮椅放置区都可以最大限度满足残疾人等特殊人群的出行需求。

　　如何买到复兴号智能动车组车票？据介绍，在铁路12306APP上购票时，普通复兴号列车在车次左上角有“复兴号”标签，智能复兴号则有“复兴号”和“智能动车”两个标签，非常醒目便于查找。

　　列车回库后全方位保养检修

　　6日是2023年春运大幕开启的前一天，武汉动车段多个岗位的工作人员都在对这趟智能复兴号列车进行全方位的检修、维护和保养，确保它以最完美的状态参加春运运输。

　　“智能复兴号高铁列车设备更先进、功能更强大，所以我们在日常维护的时候也更加细致。”武汉动车段武汉动车运用车间地勤机械师张洋6日告诉记者，他们7人分为三个小组，按照不同侧重对车厢客室进行维护保养。

　　下午3时许，因为同时还在进行另外的检修项目，列车暂时不能送电，因此车厢内一片漆黑。张洋和同事们人手一个手电筒，从车头到车尾，一边走一边看。“没电的时候我们就主要看机械部分，比如座椅转动是否流畅，靠背、小桌板是否完好等等，一会儿列车送电后我们再看电子部分，比如充电插座是否有电、电动座椅调节功能是否正常等等。所有旅客接触到的部分，我们都要确保功能完好。”

　　张洋介绍，每列动车组列车按照不同的等级，维护保养检修的项目也不尽相同。日常整备修全套下来，需要2个多小时，一般都是见缝插针在每天夜里进行，必须保证列车次日正常出库上线运行。更高级别的修程则需要列车停放在库内，一套标准作业流程下来，大约需要一天时间。

　　车轮做“B超”探伤确保安全

　　除了列车车厢内设施设备的检修，另一个更重要的任务也在同时进行——车轮探伤。走出车厢来到车下，记者看到机械师毛柯和同事正在忙碌。

　　毛柯轻点鼠标操作仪器后，列车底部一支黄色的机械臂开始向车轮喷水，同时车轮被微微抬起，两个探头紧贴车轮踏面，然后车轮开始缓缓转动。一旁仪器的屏幕上，一组组数据陆续呈现。

　　“我们这是在为高铁列车的轮辋、轮辐进行探伤，确保列车行驶安全。”毛柯介绍，私家车的轮胎状况非常影响行车安全，高铁也是一样，轮对系统如果出现剥离、压根等缺陷，哪怕这些问题小到用肉眼无法发现，也将对高速行驶的列车造成重大安全隐患。因此，列车达到一定的行驶里程后，必须按相关规范对列车轮对系统进行专业探伤。如果发现有问题，就必须第一时间处理。

　　探伤时为何要向车轮喷水呢？毛柯介绍，这台探伤仪器的工作原理和医院的B超极为相似。“B超是利用超声波反射成像的技术，当B超探头和皮肤之间存在空隙，超声波的反射就会被空气阻碍，导致内脏真实情况无法探知。而在涂抹润滑器起到耦合作用后，探头和皮肤间的空隙会被填充，空气会消失，超声波就不会被空气影响。我们在探伤时使用水的道理也是一样的，根据部位的不同，有时候也会使用油脂。”

　　据了解，在使用探伤仪器前、仪器后，还需要进行两次人工校准，以确认探伤数据的准确无误。记者看到，毛柯将探伤仪器安放在轨道一头的一只黄色车轮上。“这是样板轮，人工预设了多处缺陷，只有探伤仪全部准确无误发现，才能证明刚才对车轮的探伤结果真实有效，否则这组数据就不具备参考价值，需要重新探伤。”

　　“动车医院”内近千人通宵奋战

　　华中地区最大的动车组检修基地——武汉动车段，承担着京广高铁、汉宜铁路、武孝城际、郑渝高铁等线路的动车组检修任务，它被称为“动车医院”。2023年春运，武汉动车段配属的233组动车组将全部投入运用。

　　据介绍，每晚，武汉动车段都有近千名干部职工奋战在一线，全力为春运提供优质动车组。春运期间，每一个检修作业小组每晚都要对数千颗螺栓、上百个关键部件进行外观检查，对全车整个系统进行功能性实验、全部旅客服务设施状态确认。每确认一个部位都要打上一个粉笔标记，一晚上要打上千个标记，每人每夜走3万多步，弯腰低头上万次。

　　为保证检修效率和质量，“动车医生”查看的每一个螺栓和部件都有着明确要求，经过长时间练习，他们每一个跨步、后侧步、蹲下、抬头等动作都非常规律和迅速，节奏非常紧凑，犹如在翩翩起舞。

　　春运期间正值一年中最冷的时候，如果夜间温度低于0℃，就会有专人对动车组进行保温作业。“动车组管线路较多，车体温度过低易导致动车组水路系统结冰使供水管路冻裂。我们要启动列车保温装置，确保次日上线始终处于最佳状态。”

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）