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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。

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?

  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。

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?

  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]:

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?

  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。

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?

  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。

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?

  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。

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?

  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。

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?

  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。

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?

  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.

【十年中国风】“5G+万物”,中国人闯出数字生活新天地******

  中新网北京10月3日电题:【十年中国风】“5G+万物”,中国人闯出数字生活新天地

  记者 宋宇晟

  “峰顶5G信号特别好。”2020年5月,登山队员在珠峰峰顶通过5G网络拨通电话。登山队登顶测量的高清视频画面,也通过5G网络实现了全世界实时共享。

  这一年,全球海拔最高的5G基站——位于珠穆朗玛峰海拔6500米前进营地的5G基站投入使用。同年,中国5G深入地下534米,全国首个煤矿井下5G网络建成,当时创造了全球最深地下5G网络的纪录。

  在商用一年之内,中国5G就创造了“上山”“入地”的纪录。如今,三年过去了,中国5G的覆盖范围有多广?

  世界上最大的5G网络

  2019年,中国工信部向运营商发放5G牌照,开启了5G商用元年的序幕。同年,三大运营商官宣5G套餐资费,中国5G商用进程全面开启。

  当时就有外媒指出,这标志着中国在成为科技超级大国之路上迈出了关键一步。英国广播公司(BBC)更是直接以“中国推出‘世界上最大的5G网络’”为题报道了中国5G发展情况。

  5G牌照发放后,中国5G网络建设驶入“快车道”,中国加速进入万物互联时代。

  这年7月,摩纳哥成为全球首个全境覆盖5G网络的国家。在此过程中,中国公司成为摩纳哥最可靠的合作伙伴之一。

  而此后新冠肺炎疫情的暴发,让世界看到了中国5G布局的前瞻性。

  2020年,路透社报道指出,“疫情期间网络负荷爆满,中国经受住了这一考验,网络适度超前建设显然功不可没。这也让大家尝到了5G网络的甜头。”

  香港《南华早报》文章认为,疫情暴发后大量用户需要更快的网络连接和低延迟来支持多种应用,比如直播和远程会议,中国5G移动服务行业的长期发展将得到加速。

  宽带发展联盟发布的报告显示,2021年第四季度,中国移动宽带用户使用移动宽带网络访问互联网时的综合平均下载速率已达到59.34Mbit/s。而这一数据在2017年还不足20Mbit/s。

资料图:观众经过2021中国移动全球合作伙伴大会数智化展览上的“5G ”灯组。 中新社记者 陈骥旻 摄 资料图  中新社记者 陈骥旻 摄

  来之不易的5G引领

  这片数字生活的“新天地”,是中国人闯出来的。

  曾几何时,中国移动通信事业在很长一段时间都落于人后。自上世纪80年代以来,移动通信每10年就会出现新一代革命性技术。但起步的1G对于中国来说,几乎是一片空白。

  有报道对5G之前中国的移动通信技术做过这样的梳理:1987年,中国正式进入1G时代,“大哥大”的造型深入人心,但核心技术和标准被外企牢牢掌握;1994年,2G在中国落地,发送短信成为可能,手机也越来越平民化;2009年,工信部发放3G牌照,更高的带宽和更稳定的传输速度让移动互联走入现实,国产手机顺势而起;2013年,4G牌照如期而至,中国自主研发的TD-LTE标准得到了广泛使用,催生了移动支付、短视频等全新业态。

  从“3G突破”“4G同步”到“5G引领”,这十年,中国移动通信技术终于完成了从“追赶”到“引领”的历程。

  数据显示,中国企业声明的5G标准必要专利占比达到38.2%,5G行业应用案例已累计超过2万个。

  在当下的中国,5G正与万物互联:5G+工业互联网、5G+教育、5G+医疗、5G+农业、5G+交通运输、5G+能源、5G+VR、5G+AI……

  国外网友艳羡的5G生活

  5G技术在中国覆盖范围之大,也令国外网友艳羡不已。

  2019年,在YouTube平台,一则视频“云南偏远少数民族脱贫”(Remote ethnic group rises above poverty in Yunnan, China)获得好评如潮。其中记录了中国少数民族独龙族生活的今昔对比。

  独龙族的主要聚居地云南独龙江乡,深处峡谷,自然条件恶劣。新中国成立初期,独龙族“一步跨千年”,从原始社会末期直接过渡到社会主义社会。当世界步入数字时代,独龙族还能跟上时代的脚步吗?

  不少网友在视频中发现,这么偏远的村庄居然有5G,很多人表达了羡慕之情。

  2019年至今,以5G技术填平“数字鸿沟”的努力一直在持续。今年7月,独龙江乡6个行政村实现5G网络全覆盖。电商、直播带货这些数字时代的产物,正逐渐融入当地人的日常生活。

  新加坡《联合早报》注意到,活跃在短视频平台“三农”领域的博主,在中国越来越多。

  这有赖于十年来中国信息基础设施实现跨越发展。

  数据显示,目前中国5G基站开通数、移动电话用户数全球第一。截至7月底,全国建成开通5G基站196.8万个,所有地级市城区、县城城区和96%的乡镇镇区实现5G网络覆盖,5G移动电话用户达到4.75亿户,比2021年末净增1.2亿户。

  在中国国家博物馆“百年巨变——雕塑作品展”中,一件名为《5G时代》的雕塑记录了当代中国乡村数字生活的具体瞬间——两位老人开心地坐在村头的石磙上,高高举起手机,与远在他乡的亲人视频通话。

  当然,被一起定格在雕塑中的,还有这个时代独有的中国5G印记。(完)

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