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化學(xué)諾獎(jiǎng):81歲 “不聰明” 橫跨二十一年的兩次獲獎(jiǎng)

 昵稱11898194 2022-10-19 發(fā)布于江西
10.5
知識(shí)分子
The Intellectual

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 導(dǎo)  讀

?2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國化學(xué)家凱羅琳·貝爾托西(Carolyn R. Bertozzi),丹麥化學(xué)家莫滕·梅爾達(dá)(Morten Meldal)和美國化學(xué)家卡爾·巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless),表彰他們對(duì)“發(fā)展點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)”做出的貢獻(xiàn)。其中,沙普利斯是第二次獲得諾獎(jiǎng)。

歷史上獲得兩次諾獎(jiǎng)的科學(xué)家只有4位,居里夫人(物理獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng))、巴?。ㄎ锢愍?jiǎng)、物理獎(jiǎng))、鮑林(化學(xué)獎(jiǎng)、和平獎(jiǎng))、桑戈(化學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng))。今天美國科學(xué)家Sharpless成為第五位獲得兩次諾獎(jiǎng)的科學(xué)家。他上次獲獎(jiǎng)是2001年,今天第二次獲獎(jiǎng)。他的姓Sharpless可以開玩笑曲解為“不聰明”。請(qǐng)?jiān)试S我們小小幽默一下。

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根據(jù)諾獎(jiǎng)官網(wǎng)介紹,Barry Sharpless 和 Morten Meldal 的工作為化學(xué)的功能形式——點(diǎn)擊化學(xué)——奠定了基礎(chǔ),使得分子結(jié)構(gòu)單元快速有效地結(jié)合在一起。而Carolyn Bertozzi 將點(diǎn)擊化學(xué)提升到了一個(gè)新的維度,并開始在生物體中使用它。

Carolyn Bertozzi的學(xué)生、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院院長陳興,告訴《知識(shí)分子》:生物正交和點(diǎn)擊化學(xué)分別從生物標(biāo)記和有機(jī)合成的特異、高效出發(fā),殊途同歸,成為了在化學(xué)、生命和材料科學(xué)個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的化學(xué)反應(yīng)。獲得2022年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),體現(xiàn)了有機(jī)化學(xué)的強(qiáng)大以及學(xué)科交叉的魅力。

陳興昨天給Carolyn(注:今天獲獎(jiǎng)的女科學(xué)家)發(fā)短信,還在開玩笑她今年是否要得獎(jiǎng)。剛剛發(fā)去祝賀短信,她回了個(gè)“意外驚恐”的表情。


迅速崛起的熱點(diǎn):

新型點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)凸顯巨大應(yīng)用前景


撰文 | 李研
責(zé)編 | 陳曉雪

2014年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Karl Barry Sharpless的研究團(tuán)隊(duì)在《德國應(yīng)用化學(xué)》Angew. Chem. Int. Ed. 上報(bào)道了一種基于六價(jià)硫氟交換(SuFEx)的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)[1] (圖1)。這是一篇形式非常獨(dú)特的論文。文章報(bào)道了有關(guān)磺酰氟系列反應(yīng)的原創(chuàng)研究成果,但卻是以綜述(review)的形式發(fā)表,而且是一篇帶有幾百頁補(bǔ)充材料的綜述。這種前無古人的獨(dú)特報(bào)道方式能夠發(fā)表,凸顯了作者和期刊編輯對(duì)這一研究成果的高度重視。

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?圖 1 . 圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.  2014, 53, 9430

六價(jià)硫氟交換反應(yīng)很有趣也很有用,但要充分理解該反應(yīng)的意義,我們還需要先對(duì)“點(diǎn)擊化學(xué)”這個(gè)宏大概念先做一點(diǎn)了解。

點(diǎn)擊化學(xué)概念的提出


點(diǎn)擊化學(xué)(Click Chemistry),有時(shí)也被譯為鏈接化學(xué),是Sharpless 教授最先提出的一種合成理念[2]。

回顧點(diǎn)擊化學(xué)理念提出之前的有機(jī)合成發(fā)展,二戰(zhàn)后美國主導(dǎo)了該領(lǐng)域的前沿,研究工作側(cè)重于通過碳碳鍵(C-C)的構(gòu)建合成復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)(特別是天然產(chǎn)物),涌現(xiàn)出以R. B. Woodward和E. J. Corey 等為代表的全合成大師。他們的工作體現(xiàn)了人們挑戰(zhàn)自然的勇氣,報(bào)道的一些新穎合成方法也讓有機(jī)化學(xué)的內(nèi)容更加豐富和系統(tǒng)化,但這些反應(yīng)常因?yàn)椴僮麟y度高或產(chǎn)率較低,而不易被其他領(lǐng)域的研究者廣泛應(yīng)用。

核酸和蛋白質(zhì)是自然界中常見的生物大分子,復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和豐富的生物功能由小分子單元借助碳-雜原子鍵(磷酸酯鍵和肽鍵)的鏈接而實(shí)現(xiàn)。受此啟發(fā),Sharpless 在2001年提出點(diǎn)擊化學(xué)理念,強(qiáng)調(diào)以碳雜原子鍵(C-X-C)甚至無機(jī)連接的合成為基礎(chǔ),快速可靠地完成形形色色分子的化學(xué)合成。

點(diǎn)擊化學(xué)理念的倡導(dǎo)者認(rèn)為,在化學(xué)和其它學(xué)科(材料,生物)的交叉領(lǐng)域,化學(xué)合成能處于核心地位,其本質(zhì)是作為一門工具,而工具的復(fù)雜程度往往與它的應(yīng)用性成反比,追求過分專業(yè)和高度復(fù)雜的工具是舍本逐末。分子的形式(Form)與分子的功能(Function)直接相關(guān),但更重要的是實(shí)現(xiàn)功能[3]。  

正所謂“良劍期乎斷,不期乎鏌铘;良馬期乎千里,不期乎驥驁”,點(diǎn)擊化學(xué)的核心思想似乎與中國古代樸素實(shí)用的哲學(xué)思想頗有一些相通之處。

點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的第一個(gè)經(jīng)典之作


緊隨點(diǎn)擊化學(xué)概念的提出,一價(jià)銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)(CuAAC 反應(yīng))在2002年被Sharpless 和Medal組分別獨(dú)立報(bào)道[4,5]。該反應(yīng)可謂點(diǎn)擊化學(xué)中的第一個(gè)經(jīng)典之作。

疊氮和端炔在絕大多數(shù)化學(xué)條件下保持穩(wěn)定,卻可以在一價(jià)銅催化條件下,高效專一地轉(zhuǎn)換為1,3-取代的三氮唑(圖2)。與其結(jié)構(gòu)完全一致的鏈接基團(tuán)在自然界中尚未被發(fā)現(xiàn),但條件溫和、產(chǎn)率高、具有很高的化學(xué)選擇性且不受水氧干擾等特點(diǎn)成為該反應(yīng)的突出優(yōu)勢(shì)。雖然點(diǎn)擊化學(xué)的意義并不僅僅在于降低操作難度,但相對(duì)簡(jiǎn)單的操作確實(shí)為這種技術(shù)的廣泛使用創(chuàng)造了條件。如果用攝影技術(shù)來類比有機(jī)合成,那么天然產(chǎn)物全合成中用到的一些高難方法猶如需要反復(fù)摸索才能掌握的單反相機(jī),讓凡夫俗子只有欣賞的份兒,但點(diǎn)擊化學(xué)好像便捷的手機(jī)拍照,使更多人可以輕松上手。

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?圖2

六價(jià)硫氟交換反應(yīng)的原理


CuAAC反應(yīng)取得了巨大的成功,但是這個(gè)反應(yīng)在應(yīng)用上也有弱點(diǎn):必須將疊氮基團(tuán)引入有機(jī)化合物,這就導(dǎo)致反應(yīng)放大時(shí)可能帶來安全隱患;環(huán)加成反應(yīng)生成的三氮唑堪稱一個(gè)完美的鏈接方式,但此類化合物具有較大的極性和較低的溶解度,這些都在一定程度上限制了該反應(yīng)在合成聚合物的材料領(lǐng)域和藥物合成領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于CuAAC的成功經(jīng)驗(yàn)和點(diǎn)擊化學(xué)理念的進(jìn)一步發(fā)展,Sharpless 課題組自2014年起集中報(bào)道了六價(jià)硫元素氟化物的合成及其獨(dú)特反應(yīng)性的一系列工作。和CuAAC反應(yīng)類似,我們需要尋找一種基本化學(xué)條件下穩(wěn)定存在,但在特殊情況下又超級(jí)活潑的官能團(tuán)。

在高價(jià)硫化合物中,芳基磺酰氯(例如Ts-Cl)是有機(jī)化學(xué)家常用的親電試劑。磺酰氯(-SO2Cl)活性很高,對(duì)濕氣敏感,故在應(yīng)用范圍上有一定的局限性。幸運(yùn)的是,高價(jià)硫氟化物在具有反應(yīng)活性的同時(shí),又在絕大多數(shù)化學(xué)條件下可以保持穩(wěn)定,正是點(diǎn)擊化學(xué)需要的官能團(tuán)。高價(jià)硫氟化物最初的反應(yīng)活性研究可以追溯到多年之前 ,但當(dāng)時(shí)并沒有引起相關(guān)的重視,而Sharpless教授團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這類化合物的重要性,并在先前的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大,開啟了SuFEx 反應(yīng)的探索歷程(圖3)

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?圖 3. 圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9466(其中圖中的Ref. 9 為 V. Gembus, F. Marsais, V. Levacher, Synlett 2008:1463, 是較早研究磺酰氟基團(tuán)反應(yīng)活性的文獻(xiàn)之一。)

SuFEx反應(yīng)最初的報(bào)道中,用到一種已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的氣體:磺酰氟SO2F2。這是一種熏蒸劑,在美國常用作消除房子內(nèi)白蟻等害蟲,卻絲毫不影響墻體和屋內(nèi)陳設(shè)。SO2F2在通常條件下十分穩(wěn)定,但在特定情況,如一些有機(jī)堿的存在條件下,S-F鍵可以被活化,與羥基或者硅醚反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镾-O鍵,形成芳基氧磺酰氟(Ar-O-SO2F)。特別值得一提的是,SO2F2與酚羥基的反應(yīng)活性明顯優(yōu)于醇羥基和氨基。而Ar-O-SO2F還可以進(jìn)一步與羥基或者硅醚反應(yīng),形成的Ar-O-SO2-鏈接具有良好的穩(wěn)定性,對(duì)水氣的敏感性遠(yuǎn)低于磷酸酯等類似物(圖4)

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?圖4. 圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9430

SO2F2氣體可以與咪唑基團(tuán)結(jié)合成鹽,并作為一種穩(wěn)定的磺酰氟基團(tuán)給體。這解決了SO2F2氣體操作不便的問題,結(jié)合后的磺酰氟基團(tuán)反應(yīng)活性也會(huì)大幅度提升,可以直接與一級(jí)胺(-NH2發(fā)生反應(yīng)[6](圖5)。該研究工作于2017年末被Angew. Chem. Int. Ed. 接收。在這篇論文中,Sharpless教授首次使用了上海有機(jī)所作為自己的唯一通訊單位[7]

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?圖5. 圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201711964, ASAP

除了SO2F2氣體,最近另一種六價(jià)硫氣體SOF4也進(jìn)入了Sharpless課題組的研究視野[8]。SOF4對(duì)胺基官能團(tuán)的反應(yīng)活性高于羥基,從而得到另一種形式的六價(jià)硫鏈接。結(jié)合SO2F2氣體對(duì)酚羥基的高度選擇性,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物的正交修飾(圖6)
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?圖6. 圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2903

鑒于SuFEx反應(yīng)的重要性,生化試劑生產(chǎn)商和供應(yīng)商Sigma-Aldrich已經(jīng)專門設(shè)立網(wǎng)頁,對(duì)常用的原料化合物庫進(jìn)行銷售[9]。

SuFEx 反應(yīng)的初步應(yīng)用


Sharpless 團(tuán)隊(duì)及其他研究小組在多篇論文中討論了這種可控性的鏈接反應(yīng)在聚合物、小分子和生物分子的應(yīng)用。

例如,中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所研究員董佳家與Scripps研究所和蘇州大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作,發(fā)現(xiàn)一類陰離子氟鹽[HF2]-可以作為高效的催化劑進(jìn)一步促進(jìn)SuFEx反應(yīng),合成聚硫酸酯或聚磺酸酯類高分子材料(圖7)[10]。與聚碳酸酯和聚酯類材料相比,相應(yīng)的聚硫酸酯和聚磺酸酯類材料具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)性能。


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?圖7. 圖片來源:
https://cen./articles/95/i26/New-catalytic-route-polysulfates-polysulfonates.html.

蘇州大學(xué)路建美團(tuán)隊(duì)與Scripps所吳鵬課題組合作,通過SuFEx反應(yīng)制備具有反應(yīng)活性的聚合物[11],并可通過進(jìn)一步修飾偶氮苯調(diào)節(jié)表面親疏水性(圖8)。-SO2F基團(tuán)的存在不影響聚合反應(yīng)的發(fā)生,同時(shí)克服了傳統(tǒng)聚合物表面修飾活性不夠和反應(yīng)不夠精準(zhǔn)的問題。

圖片?圖8. 圖片來源: Chem. Eur. J. 2017, 23, 14712

佐治亞大學(xué)化學(xué)系的Jason Locklin等近期發(fā)表的相關(guān)綜述,總結(jié)了SuFEx 在新材料合成和表面修飾等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[12]。

在合成方法學(xué)方面,上海有機(jī)所姜標(biāo)小組應(yīng)用氟磺酰氧基(ArOSO2F)作為三氟甲磺?;?nbsp;(ArOTf) 的廉價(jià)替代官能團(tuán)[13],在水相實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)率的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)(圖9)。

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?圖9. 圖片來源:Org. Lett. 2015, 17, 1942

“聚合物和SuFEx反應(yīng)性是意外的發(fā)現(xiàn),最有趣的應(yīng)用可能還不是材料領(lǐng)域”,董佳家表示,   “有趣的應(yīng)用在于攜帶該類官能團(tuán)的小分子、大分子會(huì)在活體內(nèi)直接、極高選擇性的,又同時(shí)被分子本身結(jié)構(gòu)決定的和有相互作用的蛋白質(zhì)直接反應(yīng)?!?br>

例如,借助SuFEx獨(dú)特的反應(yīng)性可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜體系下小分子與大量功能不相關(guān)蛋白質(zhì)高選擇性的鏈接。董佳家和Chen Wentao等報(bào)道了在生理?xiàng)l件下氟磺酰氧基可以選擇性標(biāo)記蛋白大家族中的脂結(jié)合蛋白 [14]。這種高度的化學(xué)選擇性緣于脂結(jié)合蛋白中酪氨酸位點(diǎn)受附近的精氨酸側(cè)鏈影響,酚羥基的親核性顯著提高,從而有助于與芳基磺酰氟的順利鏈接(圖10)。

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?圖10. 圖片來源:J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7353

SuFEx這種特殊的選擇性不僅可用于標(biāo)記蛋白,更對(duì)藥物篩選具有重要意義。最近,Scripps 研究所的一篇論文探討了氟磺酰氧基在“反藥物合成”(Inverse Drug Discovery)方法學(xué)中的應(yīng)用[15],由該所化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和藥物化學(xué)的團(tuán)隊(duì)共同完成。傳統(tǒng)藥物篩選通常需要檢測(cè)某種蛋白與海量小分子之間的相互作用,在蛋白的分離和提取過程中耗時(shí)繁多,而反藥物合成法則是反其道而行之,期望從細(xì)胞或蛋白組中直接挑選出與小分子具有結(jié)合能力的蛋白,而氟磺酰氧基便是一個(gè)理想的具有高度選擇性的親電官能團(tuán)。

Sharpless 和董佳家用一種稱為“邊緣的酸堿反應(yīng)性(Fringe Acid Base Reactivity)”的理論解釋SuFEx這種近乎逆天的選擇性,并認(rèn)為這是一種具有探索意義的廣義點(diǎn)擊化學(xué)理念[1]。而相比于先前的CuAAC一代點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng),董佳家強(qiáng)調(diào):“雖然設(shè)計(jì)原則和CuAAC反應(yīng)一致,但是一代點(diǎn)擊反應(yīng)是A官能團(tuán)絕大多數(shù)條件穩(wěn)定,遇到催化條件和官能團(tuán)B會(huì)正交高效鏈接。而SuFEx最強(qiáng)大的一點(diǎn)是只有A官能團(tuán),B不確定,由系統(tǒng)決定。第一代反應(yīng)是A+B最高的反應(yīng)性代表,第二代點(diǎn)擊化學(xué)SuFEx是如何實(shí)現(xiàn)A+系統(tǒng)?!?換句話說,“CuAAC是研究工具,而SuFEx更像是一個(gè)發(fā)現(xiàn)工具?!?/section>

展    望


以CuAAC為代表的點(diǎn)擊化學(xué)領(lǐng)域從創(chuàng)立到今天只經(jīng)歷了短短15年,該技術(shù)就已經(jīng)受到幾乎所有化學(xué)相關(guān)學(xué)科的高度重視。《德國應(yīng)用化學(xué)》前主編Peter Gorlitz在前不久接受美國化學(xué)學(xué)會(huì)旗下期刊C&EN采訪時(shí),將Sharpless 2001年發(fā)表的第一篇點(diǎn)擊化學(xué)論文視為他最喜歡的一篇文章[16],而這篇點(diǎn)擊化學(xué)奠基工作的被引用量也已經(jīng)近萬次,遠(yuǎn)超過為Sharpless贏得諾獎(jiǎng)的不對(duì)稱環(huán)氧化相關(guān)報(bào)道。

作為新型點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù),SuFEx反應(yīng)雖然剛剛興起不久,但高價(jià)硫氟類化合物也已經(jīng)材料化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、生物制藥等領(lǐng)域上展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景,預(yù)示著該領(lǐng)域?qū)⒀杆籴绕鸩⒊蔀辄c(diǎn)擊化學(xué)以及氟化學(xué)熱點(diǎn)之一。圖片



參考文獻(xiàn)

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[7] Sharpless教授與2016年5月被聘為上海有機(jī)所的特聘教授。

[8] S. Li, P. Wu, J. E. Moses, K. B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2903.

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[15] D. E. Mortenson, G. J. Brighty, Lars Plate, Grant Bare, Wentao Chen, Suhua Li, Hua Wang, Benjamin F. Cravatt, Stefano Forli, Evan T. Powers, K. Barry Sharpless, Ian A. Wilson, and Jeffery W. Kelly J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b08366, ASAP

[16]https://cen./articles/95/i48/German-journal-became-top-tier.html?utm_content=buffer6fad9&utm_medium=social&utm_source=linkedin.com&utm_campaign=buffer




卡羅琳·貝爾托西小傳:自己指導(dǎo)自己的化學(xué)奇

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卡羅琳·貝爾托西 

卡羅琳·貝爾托西(Carolyn R. Bertozzi)是斯坦福大學(xué)化學(xué)教授、化學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)和放射學(xué)教授,霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員,美國科學(xué)院院士,美國醫(yī)學(xué)研究所成員,美國文理科學(xué)院成員。她1988年本科畢業(yè)于哈佛大學(xué),1993年獲得加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)博士學(xué)位。值得一提的是,在其研究生最后的兩三年,由于導(dǎo)師患病,貝爾托西實(shí)際上是自己指導(dǎo)的自己的博士研究。1996年,她在加州大學(xué)伯克利分校建立了自己的課題組,開始獨(dú)立研究,并在1999年獲得麥克阿瑟天才獎(jiǎng),2022年獲得沃爾夫化學(xué)獎(jiǎng)。

2015年,她的課題組搬到了斯坦福大學(xué)。貝爾托西的研究興趣廣泛,涉及了化學(xué)和生物學(xué)等各個(gè)方面,但目前的研究重心在細(xì)胞表面在病變時(shí)的糖基化上,包括在癌癥、發(fā)炎和感染時(shí)產(chǎn)生的不同糖基化反應(yīng),以通過研究輔助疾病的診斷、預(yù)防和治療。

卡羅琳·貝爾托西獲得此次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),與她在糖類分子中的貢獻(xiàn)密切相關(guān)。有趣的是,卡羅琳能夠進(jìn)入哈佛大學(xué),主要是因?yàn)樗闱蛱叩暮?。不過,這位女士發(fā)現(xiàn)化學(xué)才是自己的真愛,并在化學(xué)界權(quán)威對(duì)女生不太看好和導(dǎo)師生病的情況下,自己指導(dǎo)自己在化學(xué)界嶄露頭角。

撰文 | 譚忠平  李耀豪



足球踢得好,被哈佛錄取
卡羅琳1966年出生于美國東北部馬薩諸塞州的列克星敦(Lexington)。她的祖父母是在墨索里尼政府時(shí)代從意大利逃到到美國去的,外祖父母則是在30年代經(jīng)濟(jì)大蕭條的時(shí)候代從加拿大移民到美國的。

她父母的相遇相知比較符合傳統(tǒng)套路,當(dāng)時(shí)她父親是麻省理工學(xué)院物理系的教授,母親是系里的秘書,就這樣自然而然地認(rèn)識(shí)了。她的父母據(jù)說也比較傳統(tǒng),比如自己建造房子,想生個(gè)男孩,信奉必須有一技之長養(yǎng)家糊口的信條,希望子承父業(yè)等。

當(dāng)然他們也沒能完全如愿,只生了三個(gè)女兒,三個(gè)女兒也不想如他們所愿進(jìn)入麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)物理。大姐安德莉婭·貝爾托西(Andrea Bertozzi)選擇了去普林斯頓大學(xué)讀博士,后來成為了杜克大學(xué)(Duke)的數(shù)學(xué)教授,現(xiàn)在是加州洛杉磯大學(xué)(UCLA)的教授。作為老二的卡羅琳則選擇了麻省理工學(xué)院的鄰居哈佛大學(xué),最小的妹妹更加叛逆,直接選擇了在學(xué)業(yè)上放飛了一段自我。

哈佛大學(xué)錄取卡羅琳的原因之一是她足球踢得好,另外她在音樂上也頗有造詣。不過她最后還是聽了父母的話,選了一個(gè)能夠以后養(yǎng)家糊口的生物專業(yè)。而當(dāng)時(shí)選擇這個(gè)專業(yè)的原因也很簡(jiǎn)單,高中有個(gè)生物老師講課講得好,讓她覺得生物非常有趣。不過在本科二年級(jí)學(xué)習(xí)了有機(jī)化學(xué)后,她還是發(fā)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)才是她的最愛,于是化學(xué)成為了她本科的專業(yè)。

進(jìn)入哈佛大學(xué)后,卡羅琳就開始了她尤如神助的科學(xué)生涯。從1987年到現(xiàn)在,她已經(jīng)獲得了大約60個(gè)知名的獎(jiǎng)學(xué)金、獎(jiǎng)勵(lì)或榮譽(yù)稱號(hào)。如果一定要說有挫折的話,她也只是有兩個(gè)有意思的小挫折。其中一個(gè)來自于哈佛大學(xué)。卡羅琳讀本科的時(shí)候,正是有機(jī)全合成在美國發(fā)展的鼎盛時(shí)期,而哈佛大學(xué)化學(xué)系的有機(jī)合成又是全球的執(zhí)牛耳者??_琳很想加入哈佛的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)室做本科研究,但是讓她非常沮喪的是,那些有機(jī)合成的權(quán)威們不招女生。

正好有個(gè)做物理有機(jī)化學(xué)的助理教授約瑟夫·格拉博夫斯基(Joseph Grabowski),因?yàn)閲?yán)重缺少人手,就邀請(qǐng)卡羅琳加入他的實(shí)驗(yàn)室做本科畢業(yè)論文。也算因禍得福,由于導(dǎo)師有足夠多的時(shí)間細(xì)心指導(dǎo),她的論文意想不到地獲得了 Thomas T. Hoopes 本科論文獎(jiǎng)。

在研究生期間,卡羅琳還是想做有機(jī)合成,于是選擇了去美國西部大灣區(qū)不那么保守的加州大學(xué)伯克分校學(xué)習(xí)。在這里,她不但接觸到了有機(jī)合成,還第一次接觸到糖,接觸到了日后她的科研中的幾乎所有關(guān)鍵的元素,象重疊基團(tuán)(Azide),連接分子(Linker),和化學(xué)糖生物學(xué)。這些元素主要來源于她的導(dǎo)師馬克·貝德納爾斯基(Mark D. Bednarski),而她導(dǎo)師研究思想的形成可能又與自身經(jīng)歷相關(guān):他的博士學(xué)位是在糖合成大師塞繆爾·丹尼舍夫斯基(Samuel J. Danishefsky)的耶魯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室獲得的,而博士后則是在哈佛大學(xué)的喬治·懷特塞茲(George M. Whitesides)實(shí)驗(yàn)室從事的酶催化化學(xué)反應(yīng)研究??_琳加入他實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候,他剛剛獨(dú)立開展研究工作一年。

卡羅琳在伯克利主要是通過合成,將單糖以非天然碳原子連接的方式做成探針或配體分子,研究它們對(duì)微生物的抑制作用。在研究碳連接單糖分子的同時(shí),她也遇到了第二次小挫折。在研究生三年級(jí)的時(shí)候,她的導(dǎo)師先是由于結(jié)腸癌的治療,在整個(gè)一年里無法給予實(shí)驗(yàn)室正常的指導(dǎo)。在卡羅琳研究生第四年的時(shí)侯,導(dǎo)師選擇離開了伯克利到斯坦福學(xué)醫(yī)學(xué)院開始攻讀他自己的醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。

當(dāng)然這個(gè)小挫折并沒有給卡羅琳造成很大的障礙,她開始自我指導(dǎo)做研究、寫文章、申請(qǐng)基金,一口氣在研究生四年級(jí)發(fā)表了六篇第一作者的文章,然后順利地在1993年畢業(yè),順利地申請(qǐng)到了美國癌癥協(xié)會(huì)的博士后獎(jiǎng)學(xué)金,并從化學(xué)方向轉(zhuǎn)到生物方向,跟隨加州大學(xué)舊金山分校的史蒂文·羅森(Steven D. Rosen)教授探索確定L-選擇素底物的結(jié)構(gòu)特征。通過與勞拉·基斯林(Laura L. Kiessling)教授的合作,她們發(fā)現(xiàn),與L-選擇素特異結(jié)合的糖是一個(gè)常見的結(jié)構(gòu),它的特殊性在于糖的6位羥基上帶有硫酸基團(tuán)。


化學(xué)糖生物學(xué)的提出和推進(jìn)
博士后剛剛做了一年半,卡羅琳就在朋友的建議下申請(qǐng)了斯坦福、伯克利和舊金山分校的助理教授,并順利被三個(gè)名校錄取,最后她選擇在1996加入研究生母校伯克利。

卡羅琳在伯克利的學(xué)術(shù)之路也是異常順利,1999年就成了副教授,2002年成了教授。在這短短的六年里,她獲得了大多數(shù)人一輩子都無法獲得的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì):六年中一共獲得23個(gè)獎(jiǎng),其中包括1999年獲得的麥克阿瑟 “天才獎(jiǎng)”(McArthur Foundation Award)。她獲得該獎(jiǎng)時(shí)只有33歲,是當(dāng)時(shí)最年輕的獲獎(jiǎng)?wù)?。她還在2000年成為所有科學(xué)家夢(mèng)寐以求的霍華·德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員稱號(hào)(HHMl)并將其一直保持至今。這一稱號(hào)意味著每年大量的科研經(jīng)費(fèi)支持。在一年之后的2003年,她成為了美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院院士(AAAS),2005年,成為了美國國家科學(xué)院院士(NAS)。

這些獎(jiǎng)勵(lì)的獲得,主要是由于卡羅琳在細(xì)胞表面的糖修飾方面快速取得的突出成績。在獨(dú)立開展工作后僅僅一年,她就利用她在細(xì)胞生物學(xué)和化學(xué)兩方面的知識(shí),在《科學(xué)》Science上發(fā)表了一篇?jiǎng)?chuàng)新性的文章。在這篇文章中,她使用非天然單糖誘使細(xì)胞在其表面表達(dá)的糖中引入含有羰基的唾液酸,羰基與肼等基團(tuán)之間的高效反應(yīng)使細(xì)胞表面糖分子的選擇性修飾成為可能。這種修飾技術(shù),除了可以更好地實(shí)現(xiàn)糖分子的成像、標(biāo)記以及質(zhì)譜定量與糖組學(xué)分析外,還為研究和開發(fā)針對(duì)感染、炎癥和癌癥等疾病的治療方法提供了可用的工具。

在文章發(fā)表后的十多年里,卡羅琳研究的重點(diǎn)都是圍繞著這個(gè)研究成果展開的。在2003年,她發(fā)明了一個(gè)新術(shù)語,生物正交化學(xué) (Bioorthogonal chemistry),用來描述她使用的這一類研究方法。生物正交化學(xué),簡(jiǎn)單的說就是在生物體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境下,能讓外源分子或官能團(tuán)快速高效地發(fā)生反應(yīng),同時(shí)又不影響生物體內(nèi)分子間正常反應(yīng)的化學(xué)。它是讓卡羅琳迅速成名的一項(xiàng)最重要的研究,也是使她每年都成為諾貝爾獎(jiǎng)?lì)A(yù)言榜上大熱門的工作之一。

雖然羰基是卡羅琳最先在生物正交化學(xué)中使用的官能團(tuán),但是這個(gè)官能團(tuán)卻有一個(gè)很大的缺陷,那就是在很多代謝產(chǎn)物上帶有的羰基會(huì)對(duì)研究形成很大的干擾。如果說卡羅琳在科研中最喜歡什么的話,疊氮基團(tuán)應(yīng)該是其中排名非??壳暗囊粋€(gè)。從研究生時(shí)期她就開始頻繁使用疊氮基團(tuán)。這就不難理解她為什么很快把生物正交化學(xué)的注意力轉(zhuǎn)移到了疊氮基團(tuán)上。

卡羅琳最早開發(fā)的基于疊氮官能團(tuán)的生物正交反應(yīng)是2000年使用的施陶丁格偶聯(lián)反應(yīng)(Staudinger ligation)。這個(gè)偶聯(lián)反應(yīng)是通過疊氮化物與特殊設(shè)計(jì)的三芳基膦形成酰胺鍵實(shí)現(xiàn)的。反應(yīng)具有很高的選擇性,但是膦分子容易被氧化,同時(shí)反應(yīng)速度又相對(duì)較慢,這些不足影響了此反應(yīng)更好的應(yīng)用。

在2001年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者巴里·夏普萊斯(K. Barry Sharpless)報(bào)道了由銅離子催化的疊氮基團(tuán)和末端炔基之間發(fā)生的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)(click reaction)后,很多實(shí)驗(yàn)室開始嘗試使用這個(gè)效率更高的生物正交反應(yīng)對(duì)生物分子進(jìn)行標(biāo)記和研究。然而,由于銅離子的毒性,點(diǎn)擊化學(xué)在細(xì)胞或活體中的使用受限很大。因此,人們開始嘗試對(duì)點(diǎn)擊化學(xué)進(jìn)行無銅化改造。

在2004年開始,卡羅琳逐漸開發(fā)出了應(yīng)用廣泛的無銅化改進(jìn)版點(diǎn)擊化學(xué)。反應(yīng)使用疊氮基團(tuán)和具有很大環(huán)張力的含氟環(huán)辛炔。環(huán)張力的使用顯著加快了反應(yīng)的速率,使其非常接近銅催化的速率。

正是由于這些優(yōu)化的化學(xué)反應(yīng)的不斷開發(fā),生物正交化學(xué)在提出以后,就以無可抵擋的速度成為了對(duì)各種分子、細(xì)胞、組織、器官等進(jìn)行體內(nèi)和體外標(biāo)記、成像以及組學(xué)分析的一種常用方法。

上世紀(jì)末和本世紀(jì)初正是糖化學(xué)和生物學(xué)發(fā)展的一個(gè)高潮期,總結(jié)自己的經(jīng)歷和很多其他人的研究,在2001年,卡羅琳和她在博士后時(shí)期的合作者勞拉·基斯林在《科學(xué)》發(fā)表的一篇前瞻性綜述性文章,提出了 “化學(xué)糖生物學(xué)” 的概念。

化學(xué)糖生物學(xué)的內(nèi)容主要包括使用合成的天然糖、糖類似物或糖復(fù)合物進(jìn)行糖的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能、代謝、分布等的基礎(chǔ)研究,以及利用這些分子進(jìn)行新的診斷方法、抑制劑、藥物和材料開發(fā)等的應(yīng)用研究。從本質(zhì)上看,它可以被認(rèn)為是以彼得·舒爾茨(Peter G. Schultz)和斯圖亞特·施萊伯(Stuart L. Schreiber)為代表的在上世紀(jì)90年代初浮現(xiàn)出來的化學(xué)生物學(xué)在糖研究方向上的一個(gè)投射和分枝。而在傳承上,卡羅琳也正好是比彼得晚十年加入伯克利的同事,勞拉則是斯圖亞特在耶魯時(shí)的博士研究生和彼得在加州理工學(xué)院的師妹。


化學(xué)糖生物學(xué)的應(yīng)用研究
卡羅琳的科研,可以簡(jiǎn)單的以2008為界,在前面的十多年里,她主要以基礎(chǔ)研究為主,在后面的十幾年里,她的研究逐漸開始向應(yīng)用傾斜,這個(gè)趨勢(shì)最明顯的體現(xiàn)就是從2008年開始到現(xiàn)在,她成立7家從事疾病治療和診斷研發(fā)的生物技術(shù)公司,其中5家是2015年她轉(zhuǎn)到斯坦福大學(xué)后成立的,當(dāng)然這些公司都是植根于卡羅琳在糖生物學(xué)方面的研究心得。

在工業(yè)界的激流勇進(jìn)并沒有耽誤卡羅琳在學(xué)術(shù)界的成功。她在近年來一直還是糖科學(xué)領(lǐng)域的一位風(fēng)云人物,研究成果不斷地出現(xiàn)在世界各國的科技新聞中。在獲得沃爾夫化學(xué)獎(jiǎng)之前,她的名字上一次在新聞版面上高頻率出現(xiàn)的時(shí)間也就離現(xiàn)在半年左右,也就是去年的5月份,當(dāng)時(shí)她在《細(xì)胞》Cell雜志上發(fā)表了一個(gè)轟動(dòng)性的報(bào)道,她們的研究結(jié)果指向一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn),那就是核糖核酸(RNA)上也可能存在糖修飾。

在這篇報(bào)道之前,人們對(duì)另外兩類重要的生物分子蛋白質(zhì)和脂類的糖修飾已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十年了,變得非常熟悉了。人們也已經(jīng)知道糖對(duì)這兩類分子的修飾,是其在生命活動(dòng)中通過提供能量發(fā)揮調(diào)控作用之外,對(duì)生命活動(dòng)發(fā)揮調(diào)控作用的另一種重要方式。

然而,也許是因?yàn)楹颂且彩且环N糖,對(duì)于糖和核糖核酸這一類廣泛存在的生物分子的結(jié)合,一直沒有什么人去特別關(guān)注過。這也就是為什么當(dāng)卡羅琳等人報(bào)道了這一個(gè)驚人和有趣的發(fā)現(xiàn)之后,能夠迅速在國際科學(xué)界引起了討論熱潮的主要原因。當(dāng)然,不可否認(rèn)的是,在這一意外開辟的嶄新研究方向上,還有很多未解的重要謎團(tuán),比如糖的結(jié)構(gòu)、連接方式、生物合成機(jī)制以及糖的作用等,這些也許還需要通過很多年大量更加深入的實(shí)驗(yàn)才有可能逐一揭開。

卡羅琳在2021年報(bào)道的這個(gè)發(fā)現(xiàn)雖然非常意外,但是她們使用的研究方法卻依然是她們多年前開發(fā),一直使用至今的一種基于疊氮基團(tuán)的糖組學(xué)的研究方法。

除了喜歡使用疊氮基團(tuán)進(jìn)行糖生物學(xué)的研究外,卡羅琳還對(duì)連接分子(Linker)的使用情有獨(dú)衷。這一科研習(xí)慣也是從研究生期間就開始了。她最近報(bào)道的一個(gè)比較有代表性的與免疫治療相關(guān)的成果就是使用連接分子實(shí)現(xiàn)的。在這項(xiàng)研究工作中,連接分子的作用是將與抗人表皮生長因子受體2抗體(HER2抗體曲妥珠單抗)與唾液酸酶偶聯(lián)在了一起。這種結(jié)構(gòu)的分子的設(shè)計(jì)有利于腫瘤細(xì)胞表面過度表達(dá)的唾液酸(Sialic acid)的去除。過量的唾液酸可以在腫瘤細(xì)胞表面形成一種保護(hù),使其免疫識(shí)別受到抑制。在曲妥珠單抗與HER2結(jié)合后,以連接分子與之相連的唾液酸酶可以選擇性地從HER2+乳腺癌細(xì)胞表面去除唾液酸,從而使免疫細(xì)胞能夠通過抗體依賴性細(xì)胞毒性(ADCC)更有效地殺死這些腫瘤細(xì)胞。

使用類似的策略,卡羅琳最近又開始了蛋白降解新技術(shù)的開發(fā)。

在2020年發(fā)表在《自然》Nature雜志上的一篇文章中,她們報(bào)道了一個(gè)基于溶酶體降解途經(jīng)降解蛋白的新技術(shù),溶酶體靶向嵌合體技術(shù)(LYTAC,Lysosome-targeting chimaeras),這種新技術(shù)可以解決以前的技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)的對(duì)分泌到細(xì)胞外的蛋白和細(xì)胞膜上的蛋白進(jìn)行選擇降解的難題。 

在這個(gè)工作中,她們巧妙地利用甘露糖-6-磷酸受體(CI-M6PR,mannose-6-phosphate receptor)和連有甘露糖-6-磷酸(M6P,mannose 6-phosphate)的特異性抗體將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體進(jìn)行降解。特異性抗體結(jié)合了待降解的蛋白質(zhì)后,通過M6P與CI-M6PR的結(jié)合,將待降解的蛋白質(zhì)帶進(jìn)溶酶體中。在溶酶體中,分泌蛋白和膜蛋白被靶向降解,而CI-M6PR則可以再次轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞表面被循環(huán)利用。

這種生物與化學(xué)有機(jī)結(jié)合的創(chuàng)新性工作,正是卡羅琳研究的重心。這些研究不但可以很好地幫助揭示糖在生物學(xué)和免疫學(xué)等方面的重要作用,也可以很好地幫助實(shí)現(xiàn)糖在疾病診斷和治療中的重要作用。比如HER2靶向唾液酸酶已成為她在2O15年成立的帕倫制藥公司(Palleon Pharmaceuticals)管線中重要的一個(gè),而溶酶體靶向嵌合體技術(shù)則成了她在2019年成立的利西亞療法公司(Lycia Therapeutics)的研發(fā)平臺(tái)技術(shù)。

除了這些名氣比較大的研究方向外,在過去的二十多年里,卡羅琳還在另外的好幾個(gè)方向上頗有建樹,比如糖的硫酸化修飾、分枝桿菌糖科學(xué)方向、酶小分子抑制劑方向、納米材料方向等,能夠在這些大不相同的研究方向上自如地縱橫馳騁,這與卡羅琳生物與化學(xué)交叉教育和研究背景密不可分。生物與化學(xué)的結(jié)合,也已經(jīng)逐漸被證明是一種高效的糖科學(xué)研究策略。

“糖科學(xué)目前還是一個(gè)充滿未知的新領(lǐng)域,也是一個(gè)很多研究生不愿涉足的小眾領(lǐng)域,作為一名在這個(gè)領(lǐng)域探索了很多年的研究人員,我們很開心看到卡羅琳的工作能夠得到沃爾夫化學(xué)獎(jiǎng)的認(rèn)可。這種認(rèn)可,將會(huì)對(duì)糖科學(xué)在今后的發(fā)展起到很重要的推動(dòng)作用。” 國際知名的糖科學(xué)家,美國化學(xué)會(huì)糖分會(huì)前主席,美國密歇根州立大學(xué)的黃雪飛教授評(píng)論說,“無論是在科研上還是在其它方面,卡羅琳多年來一直發(fā)揮著重要的作用。她開發(fā)的方法,極大地方便了糖的研究和應(yīng)用;她引領(lǐng)的方向,為很多新入行的年輕科學(xué)家指明了科研道路;她的人格魅力和激情,也幫助培養(yǎng)和吸引了很多人進(jìn)入到糖科學(xué)這個(gè)領(lǐng)域?!?nbsp;

圖片 參考文獻(xiàn):

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2. https://digital./works/3xomins

3. https://bertozzigroup.

4. Carolyn Bertozzi's glycorevolution, Chem. Eng. News, 2020, Volume 98, Issue 5.

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與《知識(shí)分子》相約諾獎(jiǎng)解讀直播間

制版編輯 | 姜絲鴨


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