作者：科普作家吳京平（平哥）

專業(yè)人士也感生僻的領(lǐng)域

2022年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)揭曉了，這一次的化學(xué)獎(jiǎng)由三位科學(xué)家分享，因?yàn)椤赴l(fā)展出點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)」而授予美國(guó)化學(xué)家卡羅琳·貝爾托西、丹麥化學(xué)家莫滕·梅爾達(dá)和美國(guó)化學(xué)家巴里·夏普萊斯。

我看到網(wǎng)上很多化學(xué)專業(yè)的人都在熱議，這一次化學(xué)獎(jiǎng)終于成了名副其實(shí)的化學(xué)獎(jiǎng)。過(guò)去好多次都頒發(fā)給了和化學(xué)沾邊的其他學(xué)科，結(jié)果這個(gè)化學(xué)獎(jiǎng)就變成理綜獎(jiǎng)了，這次可算是回歸本源了。

作為普通人，首先關(guān)注的還是八卦段子。夏普萊斯老爺子已經(jīng)81歲了，人家2001年已經(jīng)因?yàn)椤安粚?duì)稱氧化催化”獲得過(guò)一次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)了，沒(méi)想到今年是梅開(kāi)二度，拿到了第二個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這在諾貝爾獎(jiǎng)的歷史上也不多見(jiàn)。

我把老爺子的照片翻出來(lái)一看，哎呀，這位怎么長(zhǎng)得那么像《絕命毒師》里的那個(gè)老白啊，這可真是巧了。難道導(dǎo)演是照著老爺子挑的演員，這也挨不上啊。你別說(shuō)，老爺子真是一個(gè)非常熱心的人，經(jīng)常到中國(guó)來(lái)搞學(xué)術(shù)交流，和咱們這邊關(guān)系好著呢。

再看看他們?nèi)齻€(gè)這次獲獎(jiǎng)的原因——“點(diǎn)擊化學(xué)”和“正交化學(xué)”。我當(dāng)時(shí)就有點(diǎn)蒙圈，對(duì)這些詞實(shí)在是不熟。我在一個(gè)群里，看他們正在為昨天物理學(xué)獎(jiǎng)的事兒吵來(lái)吵去。我就問(wèn)他們，你們對(duì)今天揭曉的化學(xué)獎(jiǎng)有啥解讀嗎？他們一個(gè)個(gè)表示都不懂。有人甚至表示，他去問(wèn)了4個(gè)化學(xué)家，人家也表示不懂。

也難怪，化學(xué)是一門非常貼近實(shí)際的學(xué)科，學(xué)科已經(jīng)非常細(xì)化了。真是隔行如隔山。沒(méi)辦法，我只能自己找材料，自己綜合網(wǎng)上各種信息，為大家做個(gè)解讀了。

點(diǎn)擊化學(xué)

第一個(gè)問(wèn)題是什么叫“點(diǎn)擊化學(xué)”。其實(shí)這是一個(gè)翻譯的問(wèn)題。這個(gè)詞是夏普萊斯的夫人起的，click就是汽車安全帶卡扣插進(jìn)去的那一聲咔嚓聲。所以有人認(rèn)為應(yīng)該翻譯成咔嚓化學(xué)才對(duì)。

現(xiàn)在人類面臨一個(gè)問(wèn)題，那就是分子結(jié)構(gòu)的多樣性幾乎是無(wú)限的。僅僅是氫、碳、氮、氧、磷、硫、氟、氯和溴這9種元素組成的不超過(guò)30個(gè)原子的分子，也可能產(chǎn)生10的63次方種可能的分子結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)異常龐大的天文數(shù)字，大約是太陽(yáng)原子總數(shù)的100萬(wàn)倍。

所以，你要從這么龐大的可能性之中找到我們所需要的分子結(jié)構(gòu)，那就太難了。而且還有一個(gè)難題，有些分子，我們不是想構(gòu)建就能構(gòu)建出來(lái)的，這又不是搭積木。

在150多年的歷史中，化學(xué)家們就是在想辦法倒騰來(lái)倒騰去，要么就是用小分子拼成大分子，要么就是把大分子拆開(kāi)。說(shuō)白了就是在想盡辦法拼湊出自己想要的那種分子結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程其實(shí)很麻煩，也很難。有時(shí)候還需要處理易燃易爆的高活性化學(xué)物質(zhì)，這是非常危險(xiǎn)的事兒。

夏普萊斯自己在1970年就出過(guò)一次嚴(yán)重事故，因?yàn)樗麤](méi)戴護(hù)目鏡，玻璃瓶子爆炸的時(shí)候，傷到了一只眼睛。所以，他老先生只有一只眼是真的。

危險(xiǎn)不說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)往往非常復(fù)雜，副反應(yīng)往往會(huì)產(chǎn)生很多用不著的廢物，真正需要的那些分子，只有百分之幾的生產(chǎn)率，這生產(chǎn)效率太低了。

夏普萊斯老爺子在2001年拿完第一個(gè)諾獎(jiǎng)以后，已經(jīng)是59歲的人了。也就是在這一年，他提出了“點(diǎn)擊化學(xué)”這個(gè)概念。他注意到了一些現(xiàn)象，蛋白質(zhì)以及核酸都是簡(jiǎn)單的單體，是通過(guò)某種化學(xué)反應(yīng)拼接在一起湊出來(lái)的。這就像是樂(lè)高積木一樣，可以插來(lái)插去。一般的化學(xué)物質(zhì)行不行呢？能不能也構(gòu)造成像是卡扣這種結(jié)構(gòu)，一公一母碰在一起，自動(dòng)咔嚓一下鎖??？氮原子和氧原子完全有可能起到橋梁的作用，如果真的能實(shí)現(xiàn)，是不是就可以用搭積木的方式來(lái)方便快捷地把小分子拼起來(lái)呢？

這個(gè)想法就是所謂的“點(diǎn)擊化學(xué)”，這也是夏普萊斯和梅爾達(dá)的主要貢獻(xiàn)。他倆是不約而同地想到了這個(gè)方法。

但是，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法，你總得找到合適的插頭和卡扣吧。他們找到的卡扣就是疊氮化物，尾巴上有三個(gè)氮原子排成一串，插頭就是炔烴，中間是兩個(gè)碳原子。

但是，你要讓插頭聽(tīng)你的話，老老實(shí)實(shí)插進(jìn)卡扣，這事兒沒(méi)那么簡(jiǎn)單。過(guò)去這個(gè)反應(yīng)必須是在高溫高壓下才行，現(xiàn)在用銅離子作為催化劑，這個(gè)反應(yīng)在常溫下也能進(jìn)行，這一下就大大擴(kuò)展了適用范圍。所以這個(gè)化學(xué)反應(yīng)也叫“一價(jià)銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)”。

最后生成的物質(zhì)叫三唑，三個(gè)氮原子和兩個(gè)碳原子搭成了一個(gè)五邊形。

2002年，夏普萊斯和梅爾達(dá)的團(tuán)隊(duì)分別完成了這項(xiàng)工作。梅爾達(dá)認(rèn)為，這個(gè)反應(yīng)可以把很多不同的分子給連到一起。夏普萊斯老爺子認(rèn)為認(rèn)為這個(gè)反應(yīng)是“完美的點(diǎn)擊化學(xué)”。如今這個(gè)反應(yīng)被譽(yù)為點(diǎn)擊化學(xué)“王冠上的明珠”。

總之，符合點(diǎn)擊化學(xué)的反應(yīng)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

1. 具有很高的產(chǎn)率；

2. 作為起始原料的小分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

3. 幾乎不發(fā)生副反應(yīng)；

4. 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，無(wú)需層析一類的精制流程；

5. 能夠在水中進(jìn)行反應(yīng)。

有了這樣的好技術(shù)，大家就可以在實(shí)驗(yàn)室里方便快捷地制造很多種分子結(jié)構(gòu)了。這樣一來(lái)，大家發(fā)論文的速度就快了很多。當(dāng)然，這種技術(shù)的實(shí)用前景也很廣闊，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)也有很大的幫助。比如是不是可以給塑料或者是紡織材料增加一點(diǎn)導(dǎo)電的性能？可不可以增加一點(diǎn)抗菌和防紫外線的特性？這都是可以設(shè)計(jì)出來(lái)的。

正因?yàn)殚_(kāi)創(chuàng)了點(diǎn)擊化學(xué)，夏普萊斯和梅爾達(dá)才贏得了2022年的諾貝爾獎(jiǎng)。夏普萊斯的一篇論文，在20年間被引用了上萬(wàn)次，可見(jiàn)其影響力，這比他當(dāng)年第一次獲得諾獎(jiǎng)的論文還要熱門。你以為得了諾獎(jiǎng)就功成名就了，就可以退休了？不是的。對(duì)夏普萊斯來(lái)講，這只是個(gè)小目標(biāo)，這只是人家的新起點(diǎn)。所以，夏普萊斯老爺子在業(yè)內(nèi)聲譽(yù)極高。

正交化學(xué)

當(dāng)然啦，最早一批惦記著點(diǎn)擊化學(xué)的就是這次一同獲得諾獎(jiǎng)的貝爾托西。這位女士最大的貢獻(xiàn)就是開(kāi)創(chuàng)了正交化學(xué)。

什么是正交化學(xué)？這是第二個(gè)問(wèn)題。說(shuō)白了，正交化學(xué)就是發(fā)生在生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，但是和正常的生物化學(xué)反應(yīng)井水不犯河水，基本上沒(méi)什么影響。這種你走你的陽(yáng)關(guān)道，我走我的獨(dú)木橋的模式，套用數(shù)學(xué)上的術(shù)語(yǔ)就是“正交”。這個(gè)數(shù)學(xué)名詞往化學(xué)里一摻和，我們普通人就暈了唄。

過(guò)去貝爾托西一直在研究糖類，要知道，糖類也可以構(gòu)成非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。她在研究一種聚糖如何引起免疫細(xì)胞吸引到淋巴結(jié)的時(shí)候遇到了困難，她缺乏對(duì)糖類示蹤和定位的工具。

過(guò)去，我們用同位素標(biāo)記，可以追蹤蛋白質(zhì)和核酸的位置。就是把蛋白質(zhì)或者是核酸里的某些原子替換成帶放射性的同位素原子。這樣只要測(cè)一次放射性，就知道這些原子在哪里，就可以追蹤定位了。

但是，這種實(shí)驗(yàn)是有風(fēng)險(xiǎn)的，畢竟放射性可不是鬧著玩兒的，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)室也有很高的要求，所以實(shí)用性不好。如果要追蹤某個(gè)具體的蛋白，對(duì)不起那更是做不到，同位素標(biāo)記是滾掃一大片。

第二代跟蹤技術(shù)就是利用熒光蛋白，這就是2008年諾獎(jiǎng)的研究?jī)?nèi)容了。這種方法的好處是可以精確到某種蛋白質(zhì)，所以就成了主流的辦法了。蛋白質(zhì)都是有自己的功能的，你倒好，把這個(gè)蛋白改成熒光蛋白了，改動(dòng)太大，會(huì)影響到生物體內(nèi)原本的正常功能，這就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。

那好啊，是不是可以把示蹤的目標(biāo)再選小一點(diǎn)，也就是縮小到分子級(jí)別，這種技術(shù)就是所謂的“單分子熒光成像技術(shù)”。這個(gè)技術(shù)已經(jīng)拿過(guò)諾獎(jiǎng)了。

貝爾托西選了一大圈，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有一個(gè)適合她所研究的糖類。最后她想到了點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)。她要在聚糖分子上裝一個(gè)卡扣，也就是一個(gè)疊氮基團(tuán)。這個(gè)基團(tuán)非常小，也不影響原來(lái)分子的功能，也不會(huì)與細(xì)胞里的其他東西反生反應(yīng)，井水不犯河水。這就是所謂的“生物正交”。

那如何做到示蹤呢？比如說(shuō)在A物質(zhì)上掛了一個(gè)卡扣，也就是一個(gè)疊氮基團(tuán)，然后把A物質(zhì)注射到小鼠的體內(nèi)，隨著新陳代謝開(kāi)始在小鼠體內(nèi)到處溜達(dá)。

幾天以后，再注射帶有插頭的熒光標(biāo)記物B。B進(jìn)去以后，自己去找A物質(zhì)的插座，“咔嚓”一聲插好了。插好了就可以發(fā)熒光了，這不就把A的分布情況給標(biāo)記出來(lái)了嘛。

貝爾托西遇到的麻煩是不能使用銅離子作為催化劑，因?yàn)殂~離子對(duì)生物體是有毒性的。所以她研究出一種不依賴銅催化的化學(xué)反應(yīng)，學(xué)名叫“應(yīng)變促進(jìn)的炔烴-疊氮化物環(huán)加成”。

這個(gè)過(guò)程并沒(méi)有干擾生物的正常生物化學(xué)反應(yīng)，所以是標(biāo)準(zhǔn)的“正交化學(xué)”。你看，點(diǎn)擊化學(xué)和正交化學(xué)是聯(lián)合起來(lái)應(yīng)用的。所以，諾獎(jiǎng)也是一起拿，貝爾托西也是實(shí)至名歸。

結(jié)語(yǔ)

有關(guān)這這次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)到底是怎么回事兒，我也就講這么多了。國(guó)慶假期快要結(jié)束了，就讓我們結(jié)束這次諾貝爾獎(jiǎng)的解讀之旅吧。后邊的文學(xué)獎(jiǎng)與和平獎(jiǎng)，我是實(shí)在不懂啊。

好，就說(shuō)這么多了。