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.
找到组织 信任组织 依靠组织******
在全面推进乡村振兴中,农村基层党组织如何发力?如何破解农民富裕了却与组织疏远的现象?怎样让群众在家门口就能找到组织、信任组织、依靠组织,共同实现乡村振兴的目标?北京市平谷区镇罗营镇作为国家乡村振兴示范区,找到了一条提升基层组织效能的“独家秘笈”。
镇罗营镇位于北京市平谷区最北部。近年来,该镇取消村委会独立办公室,安排村“两委”干部到村民中心统一开放办公,打开村委会大门,让群众能随时找到组织,直接与村干部对话;构建镇党委、村党组织、农村党员全员发力的服务模式,实现农村的事有人管;发展适合本镇特色主导产业,让群众不出村能致富……
打开村委会大门迎接乡亲
让群众找得到组织
镇罗营镇上镇村村委会有一间房,挂牌为“村民服务中心”。走进房间,内有一排办公桌。从2022年7月开始,村干部统一把工位搬到这里,连村党支部书记刘德宏的单独办公室都被取消了,大厅最右边的工位就属于他。
刘德宏担任村党支部书记已十几年,过去,他的办公室有沙发、茶桌,敞亮、体面。可群众找他需敲门进屋,这一道门就拉开了干部群众之间的距离。“现在办公环境肯定不如以前,但现在的办公地能开门迎乡亲,干部随时和群众面对面。”刘德宏介绍,村里开展集中办公后,村民办事说事,都能“一站办齐”,再也不用各办公室来回跑了。
2022年7月以来,村里的接诉即办投诉件的数量归零。
推动村干部集中办公,是平谷区健全高效有序基层治理机制的一项举措。旨在通过推广村干部集中办公制度,打通为民便民利民的“绿色通道”。镇罗营镇落实平谷区要求,按照“办公空间最小化”原则,在大庙峪村、下营村、上镇村先行试点,取消村“两委”干部独立办公室,实现集中开放办公,专门出台村“两委”干部集中办公管理制度,要求村干部不论具体分工如何,要对所有业务有所了解,落实首问负责制,不能说“不知道”“说不清”。按照镇里统一部署,各村根据实际情况,安排村干部轮班在岗,让群众能24小时找得着人、办得了事。
腾出的空间怎么用?镇罗营镇相关负责人介绍,全镇20个村已全部实现集中办公,共腾出47间1016平方米闲置空间,有的建成了图书馆、娱乐室,有的建成大桃直播间,也有的建成村史资料室、医务室。
“集中办公不仅是办公地变迁,更是通过功能整合、流程再造、服务优化,实现办公事项的集中、为民服务的集中。”镇罗营镇相关负责人表示,“打开村委会大门”,推行集中办公,不仅拆除了干群关系的“隔心墙”,还为群众搭建了一个有事能说、有苦能诉、有理能评的矛盾纠纷解决平台,方便群众办事只进一个门,实现接诉即办,群众有了主心骨和归属感。“有事找组织”,已经成为镇罗营镇群众共识。
紧扣群众切身需求破难题
让群众信任组织
镇罗营镇位于深山区,年轻人外流现象突出,老龄率35.4%。“上镇村是镇罗营镇人口最多的村庄之一,60岁以上的老人508人,老龄率高达42.7%。”据村干部介绍,面对老龄率高、老年人不愿离村等实际情况,养老成为上镇村乃至全镇亟待解决的问题。
上镇村从2022年开始互助养老实践,这是一种农村养老模式的新尝试。上镇村发动村内党员和妇女等力量,通过自愿报名、严格筛选的方式,选拔出72名志愿者,组成“党员巾帼敬老服务队”等4个志愿者团队,为村内老年人提供互助养老服务。互助不仅发生在邻里之间,也产生于老人之间。低龄的老人服务于高龄老人,健康的老人帮助生病的老人。养老服务紧扣村民需求,集中在做饭、理发、就医等领域。形成了由“面”到“点”的精细化乡村互助养老新模式,着力解决老人不愿离村、就近养老及老有所为问题。
“党员巾帼敬老服务队”队员沈太景成为志愿者之后,第一个帮助的是65岁的孙桂英。孙桂英曾经是家里的“顶梁柱”,不仅照看小孙女,还照顾70多岁的老伴儿和90多岁的母亲。然而,孙桂英突发疾病后,家里“停摆”了。沈太景陪孙桂英看病,给孙家人做饭,有时还要帮助照顾孙桂英的小孙女。
在充分发挥志愿者互助作用的同时,上镇村强化网格员对老年家庭的走访,要求每名网格员每周入户1至2次,每次不低于15分钟,为老人及特殊人员做好帮买帮送、安全检查、问题收集等事项。针对失能失智的老人家庭,上镇村组建4个互助养老点,设置养老管家,为老人们提供就医、生活等各个方面的帮助,为这些老人提供长期且持续的服务。
上镇村只是镇罗营镇解决农村养老难题的一个实例。据介绍,该镇党委、政府规范出台《镇罗营镇养老互助点建设规范》《镇罗营镇养老管家管理规范》《镇罗营镇上镇村互助养老志愿服务时间银行管理办法》等相关文件方案,明确服务内容,保障规范化管理,指导各村立足本村实际,灵活运用互助力量破解本村养老难题。
同时,镇罗营镇还建设一家养老驿站、两家互助养老点和一所村民中心,老年人可在这些机构中享受包括助餐、助洁、助浴、助行、紧急救助、文化娱乐、帮买帮送、家政维修等多项服务。该镇围绕群众需求,办好民生实事,让群众实现“家门口”养老。
发展适合本地特色的产业
让群众依靠组织
“小农户”直接对接“大市场”存在生产规模小、经营方式分散、生产效率较低等突出问题。镇罗营镇东四道岭村属于山区村,桃、梨、苹果、核桃等林果业是本村传统产业。为打破“户自为战”的传统种植模式,东四道岭村党支部以服务为纽带,把农户组织了起来。
通过引入现代生物科技技术,实施大桃种植有机化改造,充分发挥村集体经济组织“统”的作用,成立村集体领办的东四道岭村果品产销专业合作社。村党支部带领农户,与科技公司、科研院所合作,通过推广测土配方施肥、增施有机肥,完成土壤有机改良,提升有机大桃品质。硬化田间路面、架设灌溉管道等配套设施,及时解决村民果品运输、果木浇水等难题,引进大桃优良品种,推进果树品种更新。组建村级服务工作组,安排专人负责有机大桃的收储、运输和市场对接,保证各环节有序衔接。近年来,该村还与生鲜超市、大型企业、高校等对接,实现直供直销。随着种植规模和产量扩大,逐步发展会员制、订单制销售,带动果农大幅增收。
镇罗营镇通过深化乡镇级集体产权制度改革,积极探索推进镇联社下设专业化的农业产业公司方式,整合全镇资源,聚焦老北京小蜜梨和8000多棵百年老树,实施小蜜梨高端品牌发展工程,从品种保护、提质、存储、品牌包装等全链条进行规范提升,重新定位产品,主推“点对点、个性化、定制化”销售,把农业做“精”做强。
近日,《组织振兴为杠杆推进乡村全面振兴:北京市平谷区镇罗营镇国家乡村振兴示范区典型经验汇编》在京发布。“镇罗营镇以组织振兴为杠杆,健全和完善乡、村两级集体经济组织体制机制,形成了组织振兴撬动乡村全面振兴的新模式,探索了一条具有一般性示范意义的全面推进乡村振兴的实践路径。”参与典型经验汇编的北京市农研中心经济体制处处长陈雪原说,通过加强顶层设计,构建镇党委领导下的镇政府与镇联社有机统一的组织内核,选优配强村带头人、规范村级重大事项管理、推动各类组织发挥作用,让群众能找到组织、信任组织、依靠组织,切实提高了基层组织的凝聚力、战斗力,为乡村振兴示范区建设打下了坚实的基础。(农民日报·中国农网记者 焦宏 李婧)
(文图:赵筱尘 巫邓炎)