2022年諾貝爾化學獎

 

2022年諾貝爾化學獎

10-11-2022

 

2022 諾貝爾化學獎讚揚「鍵擊化學」(Click Chemistry)，美國丹麥三學者共享殊榮。 2022 年諾貝爾化學獎 5 日出爐，由美國學者夏普萊斯（Barry Sharpless）、丹麥學者梅爾達爾（Morten Meldal）與美國學者貝爾托西（Carolyn Bertozzi）共享殊榮，表彰 3 位在「鍵擊化學」的貢獻，透過將分子結構簡單有效拼接，迅速可靠地完成各式形形色色分子的化學合成。

 

有沒有一種可能，讓化學分子合成變成像在繫安全帶一樣。一扣即合？那就是今年化學獎得獎的領域「點擊化學」。

 

夏普萊斯已經是 2001 年諾貝爾化學獎得主，時隔 21 年再次獲獎。他在 2000 年創造新型的化學合成技術「鍵擊化學」，好比扣安全帶一樣，透過簡單卻可靠的化學合成形式，將分子迅速結合，有效避免不需要的副產物，如今已廣泛用於藥物開發和分子生物學。

 

梅爾達爾也在鍵擊化學貢獻良多，其研發的銅催化疊氮化合物和炔類環加成反應（azide-alkyne cycloaddition），也已用於 DNA 作圖和創造材料加速藥物開發。

 

貝爾托西則為了在細胞表面繪製難以捉摸卻重要的「聚醣」，2003 年創造出「生物正交化學（Bioorthogonal chemistry）」，其鍵擊化學不會破壞生物體內細胞的正常化學反應，如今這項技術已經廣泛用在探索細胞與追蹤生物過程，透過這項技術，研究人員也改良癌症藥物的靶向性，目前正在進行臨床試驗。

 

分子與分子的糾纏

點擊化學顧名思義，就像你現在滑鼠點一下，轉瞬間，兩個分子就完成了「分子與分子之間的連結」。化學反應有像疊樂高積木那麼簡單嗎？

 

第一位得獎者巴里•夏普萊斯 (Barry Sharpless)當年率先提出點擊化學的概念：如果能夠讓化學物質上面有扣和環的分子來做橋接，就可能迅速有效的形成你想要的化合物，就像是木工的「榫接」一卡就穩。

 

第二位得主摩頓•梅爾達爾(Morten P. Meldal)則是和夏普萊斯一「銅」研究，持續優化點擊化學的可能性，他們發現疊氮化物 (azide) 和端炔類 (alkyne) 在一價銅離子(Cu+) 催化下可以快速精準的生成共價鍵，讓兩個化合物有如安全帶的扣與環一樣立刻有位置專一性（regiospeci-ficity）的合成反應，也不需要再進行分離純化，甚至可以用分子做「星星」，就像是拼樂高一樣輕巧，根本是化學家的夢幻天國，得獎可謂實至名歸。

 

今年更嚇人的是，出身MIT的夏普萊斯教授早在2001年就得過一次諾貝爾化學獎，今年是第二次得獎了，是繼物理學家約翰•巴丁（John Bardeen)、化學家弗雷德里克•桑格（Frederick Sanger)後，史上第三位在同一個領域連續獲獎兩次的科學家 (知名的居禮夫人是拿了化學加物理各一次)。

 

點擊化學進入細胞世界

雖然銅離子催化的點擊化學反應理論上可以在常溫水溶液甚至生物體內環境進行，但銅離子對細胞的毒性實在太強，因此生物學家如果想要在活細胞內進行點擊化學反應，就需要另闢蹊徑。

 

這時就要提到第三位得主卡羅琳•貝爾托西(Carolyn Ruth Bertozzi)的主要貢獻，她命名為生物正交性化學(bioorthogonal chemistry)，透過不斷的嘗試，她的團隊合成出一種「醣化學探針」巧妙利用細胞內的代謝機制，避開使用銅離子，讓活體細胞也能產生點擊化學的一點就通合成效果，而這樣的發現有什麼重大意義呢？

 

答案就是細胞內標定，雖然我們介紹過的2008年的諾貝爾化學獎得主「綠色螢光蛋白」就已經可以讓細胞內的蛋白質在顯微鏡下發光好好觀察，但細胞內作用的物質可不只蛋白質，醣類、脂質甚至DNA(去氧核醣核酸)也都是分子生物學家想要觀察的重點，這些都是GFP做不到的。

 

貝爾托西發展出把點擊化學帶到活體細胞的MOE(metabolic oligosaccharide engineering)技術，讓科學家可以修飾任何有機小分子進行改造或是可視化螢光標定，我們甚至能夠清楚觀察到一個大腸桿菌中的單一蛋白質分子移動的軌跡，而這整個過程完全對細胞和生物沒有任何化學傷害和干擾，對研究細胞代謝機制也是一大福音。

 

點擊開創無限可能

無論是點擊化學或是生物正交性化學，這種輕而易舉把化學分子連接在你想要的東西上的超狂技術，無論在製藥、DNA定序、新材料開發以及疾病治療尤其是「標靶治療」上都已經有了非常多的應用，可說是造福了無數人群的偉大貢獻，未來發展也無可限量。