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.

中央农村工作会议系列解读⑱统筹发展和安全 保障粮食和重要农产品稳定安全供给******

　　作者：普蓂喆 中国农业科学院农业经济与发展研究所

　　2022年中央农村工作会议强调“保障粮食和重要农产品稳定安全供给始终是建设农业强国的头等大事。”会议着重强调了“安全”，从过去 “稳产保供”上升到“稳定安全供给”，是统筹发展和安全在农业领域的重要体现。

　　统筹发展和安全，既是重大理论问题，也是重要实践要求。面对风高浪急的国际环境、艰巨繁重的国内改革和超预期因素冲击，保障粮食和重要农产品稳定安全供给，要更加注意防范化解重大风险、守住安全底线，也要破除桎梏、推动高质量发展。

　　粮食稳定安全供给的基础扎实

　　我国粮食和重要农产品保供，坚持稳字当头、稳中求进，做到让14亿多人吃得饱、吃得好，保供基础扎实。

　　粮食保供制度完备。我国历来重视粮食和重要农产品稳产保供，中央一号文件等顶层政策将其置于突出位置，并把粮食和重要农产品纳入地方经济社会发展考核。中央和地方经济社会发展规划、产业发展规划，对粮食和重要农产品都有战略布局、系统规划。形成了“辅之以利、辅之以义”的支持体系，出台《国家粮食应急预案》《生活必需品市场供应应急管理办法》等应急办法，兼顾常态化保供与应急保供。

　　粮食供给数量充足。粮食产量连续十九连丰，连续八年稳定在1.3万亿斤以上。自2003年以来，粮食产量2-3年登上一个千亿斤新台阶，从4.5亿吨到5亿吨用时3年，5亿吨到5.5亿吨用时3年，5.5亿吨到6亿吨用时2年，6亿吨到6.5亿吨用时3年。其他重要农产品供给能力显著增强、品种更加丰富多样。我国是全球最大的蔬菜、水果生产国，猪肉产量常年在5400万吨左右，禽肉产量常年保持产大于需，牛羊肉产量在1200万吨以上，水产品产量约6500万吨。

　　粮食生产能力较强。紧抓耕地和种子两个要害，提升良种良法、农机装备水平。开展粮食生产功能区、重要农产品生产保护区建设，划定粮食生产功能区9亿亩，划定重要农产品生产保护区2.38亿亩。持续推进高标准农田建设，布局国家粮食安全产业带，形成一大批一季千斤、两季吨粮的优质良田。作物良种覆盖率超过96%，水稻、小麦种子自主率达100%。畜禽养殖规模化、标准化、专业化养殖水平提高，良种供给能力显著增强。

　　粮食流通韧性提升。建成八大粮食物流通道、“两横、六纵”粮食物流重点线路，形成成熟的现代粮食物流格局和运输网络，建成集应急供应网点、应急加工企业、应急配送中心、应急储运企业、国家级粮食市场信息直报点和地方粮食市场信息监测点于一体的应急响应体系。粮食、猪肉、棉花等重要农产品储备制度不断完善，发挥了调节供求、稳定市场、应对突发事件和维护农民利益的“调节器”作用。

　　统筹发展和安全，要把握好四方面关系

　　在新发展阶段，要辩证看待以下四方面关系，妥善处理粮食和重要农产品领域的“痼疾新患”，形成以安全保发展、以发展促安全的良好局面。

　　统筹“系统性”与“优先序”。保供制度设计需要系统思维，措施要明确优先序。农产品保供具有多对象、多环节、多部门、大范围、长周期等复杂特征，保供顶层设计上要有系统性考量。系统保护生产能力、加工能力、流通能力和农资产能，构建多部门协作机制。保供措施上，考虑经济社会发展要点、财政资源压力、政策实施效率，要明确措施优先序，避免“撒胡椒面”。聚焦重点品种、重点环节、重点部分，补齐关键短板，打造战略高地。

　　统筹“质”与“量”。粮食和重要农产品保供要更加安全，需统筹质的有效提升和量的合理增长。加快推进新一轮千亿斤粮食产能提升行动，从地、技、利、义等方面全方位夯实粮食安全根基，树立大食物观，构建多元化食物供给体系。要以量变的积累实现质变，更加重视农产品质量与食品安全。推动优质品种研发培育，调整调优种养结构，继续实施优质粮食工程，提升优质农产品供给能力，强化农产品质量安全监管。

　　统筹“技”与“策”。深挖技术与政策的支持潜力，协调配合形成更大合力。全面部署种业种源、农机农艺、农业颠覆性技术等领域，推动“藏粮于技”战略、种业振兴行动落实落地、抓出成效。以政策性信贷、政策性保险优化农业支持政策，进一步调动农民生产积极性。协调地方粮食安全责任分工，健全利益补偿机制，调动地方政府积极性。形成技术研发与政策支持合力，推动重大技术研发和应用，切实培育关键战略能力。

　　统筹“国内”与“国际”。我国消费需求刚性增长、资源环境压力加大、国内外生产成本倒挂等因素，使利用国际市场平衡、调剂和满足国内需求成为一种长期对策，迫切需要深化国际农业合作、寻求稳定的农产品贸易渠道。依靠国内国际两种资源、两个市场保障粮食和重要农产品安全，首先要做到以我为主、立足国内，“把饭碗牢牢端在自己手中”。再充分利用国际市场，同时防范国际农产品市场风险、加强战略性布局，更好地构建进口粮食供应链。

　　（本文为北京市习近平新时代中国特色社会主义思想研究中心项目/北京社会科学基金一般项目“习近平总书记关于粮食安全的重要论述研究”(22LLGLC068)的阶段性成果）