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.
小小绣针 绘就彝乡致富增收的“锦绣图”******
本报记者王长山、林碧锋、王安浩维
蓝天白云下,喂着鸡、带着娃、绣着花、养着家,用手中的一针一线,绣你心中的诗和远方……在云南楚雄彝族自治州,彝家女子世代传承着指尖上的艺术——彝绣,把精美的马缨花、山茶花、羊角纹等元素绣在服饰上,让美丽在生活中绽放。近年来,当地做足“指尖文章”,多措并举推动彝绣“绣品变产品、秀场变市场、绣片变名片”三大转变,成为群众增收、推动乡村振兴的一个重要渠道。5.7万名绣娘、530多户彝绣经营户、2亿多元产值……广大群众用一针一线绣出幸福图景。
亮艺术
鲜花绽放,歌声嘹亮。永仁县莲池乡查利么村村民李如秀和姑娘们身着彝族传统服饰,载歌载舞迎接远道而来的客人。这个660多人的彝族小村庄户户搞刺绣,衣服上的美丽图案源自指尖……60多岁的李如秀提起彝绣就打开话匣子。
彝族刺绣历史悠久,凝聚了彝族的历史文化,主要以黑、青等色为底,配以黄、红、绿等色,具有技法粗狂、色彩浓烈的特点,是彝族民间艺术中的一颗璀璨明珠。当地人说,彝族姑娘“会拿针就会绣花”,刺绣是她们相伴一生的技艺。
在永仁县中和镇直苴村,每年农历正月十五,村民们换上新衣,来到中心广场,参加盛大的“赛装”。这一习俗传承1300多年,被誉为古老的“乡村T台秀”。“日月星辰、花鸟虫鱼等常会出现在刺绣作品中,并穿在身上。”李如秀说,我们都会彝绣,每人都拥有好几套美丽的衣服。
小时候,父母背着她去赛装,母亲刺绣时在一旁看,8岁学会刺绣,12岁绣衣服穿……和其他村民一样,彝绣已成为李如秀生活不可分割的部分,熟练掌握8种绣法的她参加过50多次赛装节。
2004年,李如秀当选永仁县刺绣协会会长,忙着传承保护、宣传推介、培养挖掘人才。2020年以来,许多村民跟着李如秀学刺绣,她的女儿余坤瑶大学毕业后,在县城开了彝绣工作室,其作品融入现代时尚元素,深受年轻人青睐。
为推动赛装节发展,帮助村民发展产业,当地政府采取培养绣娘、举办走秀活动、在京沪等大城市推广彝族服饰等措施,全县1.2万余人参与刺绣。2017年,永仁县城彝绣一条街对外开放,展销彝族刺绣,进行赛装节表演。
如今,彝乡儿女的作品从偏远山沟走上了国际舞台。带有彝绣元素的服装曾精彩亮相纽约时装周秀场。李如秀2022年从县文化馆退休,但她觉得传承彝绣工作不能停。
“李如秀是彝绣产业中的代表人物,全州有绣娘5.7万人,许多绣娘靠彝绣增收。”楚雄州委常委、州委宣传部部长李汶娟说,全州有国家级彝绣传承人1人,省级彝绣传承人5人,州级彝绣传承人31人,获得彝绣专业技术职称434人,其中高级技师105人。
未来,楚雄州计划在楚雄师范学院等学校设立彝绣专业,培养复合型彝绣人才。李汶娟说,推进刺绣技术职称评定,成立彝绣专家工作站,打造彝绣专家智库,力争到2025年培养引进5个以上国家级工艺大师,让指尖上的艺术发扬光大。
推创新
手艺传递美好;制作“摸得到温度”的民艺创意产品;跨界、创新……这是大姚县彝绣人樊志勇秉持的理念:传统技艺要传承,更要适应时代而创新发展。
樊志勇自小在“人人都会刺绣”的环境中耳濡目染,她喜欢绘画和手工,大学学习产品设计,2007年毕业后回到家乡成立云南纳喜文化创意开发有限公司,注册品牌“纳苏”,以“公司+基地(协会)+绣女(会员)”模式直接带动126名绣娘、辐射带动300多名绣娘参与彝绣。2019年,樊志勇和大家携手完成长70米、高1.5米的“神州锦绣”彝绣长卷。
这些年来,樊志勇致力于传统工艺在现代生活中的传习创新运用。许多国际知名企业都找樊志勇制作融入彝绣元素的商务礼品,“时尚”“跨界”成为她作品的新标签:绣有彝族纹样的笔记本,文化味十足;普通的T恤绣上网络流行语,包装盒是纸质档案盒,深受年轻人喜欢……截至2021年底,公司完成彝绣纹样的收集整理560例,深度开发50例。
几年前,她发起“幸福指尖计划”:组织设计师,在既往数据的指导下,根据不同地域的文化特色做产品研发,从线上线下平台预售,再用订单培训绣娘,帮助她们获得收益,并且免费复训。
公司组织刺绣、电商、营销培训累计覆盖近万人,从业者月收入从培训前的八九百元升至3000元左右。最近,公司参加一项创业大赛获得全省第一名。樊志勇说,希望以此让非遗传承,帮助绣娘手艺变现,助力乡村振兴,推动彝绣文化复兴。
据介绍,彝绣产业文化支撑力不断增强。楚雄彝族服饰列为国家级非物质文化遗产,彝族刺绣列为省级非物质文化遗产,直苴彝族女式服装获得国家专利,全州完成1056个绣娘数据库建设。李汶娟说,加强绣娘培训和订单争取,把千家万户的小生产与千变万化的大市场连接起来,为增加农村绣娘收入、优化乡村产业结构、推动乡村振兴作出贡献。
“蓝天白云下,喂着鸡、带着娃、绣着花、养着家……手艺传递美好。”樊志勇始终坚持这样的理念。
增收入
“这套彝族盛装服饰,绣满马缨花,很漂亮。”回忆起多年前自己被打动的情景,张丽琼眼里依然放着光。2004年,州博物馆讲解员张丽琼被庆典上的彝绣服装震撼。此后,受从事彝族文化研究工作的丈夫影响,慢慢熟悉彝绣,在楚雄成立彝彩服饰工作室,开始彝绣之旅。
张丽琼工作室“技艺高超”,州内各县市客户都来订服装,年产值40多万元。她也通过拜师学艺,提升自身刺绣技艺,学会多类裁剪工艺。2014年,她辞职开彝绣公司。目前,彝绣产品达8个系列150多种。
现在,她把更多时间用于非物质文化遗产彝绣产品传承和开发,抢救保护彝族服饰与收藏彝绣经典、研发彝族文化主题文创产品等工作。作品《彝家欢歌》展现了身着彝族服饰的群众踏歌起舞,反映欣欣向荣、五谷丰登、六畜兴旺的景象;清朝土司彝族百褶裙十分精致,绣法是把一根丝线分成32份,比头发丝还细……在彝彩服饰工作室里,她收藏的刺绣精品丰富多彩,观者连声赞叹。
永仁县莲池乡村民李济雁5岁开始学刺绣,2020年成立永仁巧娘刺绣有限公司,有50多名绣娘,采用订单式生产,2022年产值80多万元,每位绣娘年收入超2万元;李晓丽经营着永仁华锦彝绣有限公司,她说,订单来自上海等地,产值150多万元……现在,越来越多群众投身彝绣产业。
楚雄州彝族刺绣产业规模不断扩大,产业集聚度不断提高。全州有彝绣协会(合作社)56个,彝绣经营户538户,其中年产值超500万元的企业12户。“已投入省州文化产业专项资金3000余万元,产业产值从2012年的0.2亿元增至2021年的2亿多元。”李汶娟说,多措并举推动彝绣绣品变产品,秀场变市场,绣片变名片,从“指尖艺术”转化为“指尖经济”。
闯市场
紧盯架子上的绣布,双手灵巧地走针……在南华县七彩彝绣文化有限公司生产车间里,村民李国秀正专注刺绣。“小时候就会,平针、打籽针、乱针等针法都很熟练,来公司后,又学了很多。”已是车间主任的她带着70多名绣娘,赶制将销到沿海地区的绣品。
“刺绣改变了我的生活。”李国秀说,每个月靠它收入6000多元,还能照顾家,绣品被很远地方的人喜爱,很自豪。
被彝绣改变的还有公司董事长丁兰英:来自红土坡镇,受母亲影响学会彝绣,后在村子里开刺绣店,经营欠佳;便决定出村学习服装设计和加工,2006年她返乡重操旧业,2014年创办刺绣加工厂,2021年3月成立公司,旗下1个加工厂、8个扶贫车间,2000多名绣娘在家门口就业。
更大的变化是产品远销福建等地,订单规模不断变大。如今,丁兰英已是云南省非物质文化遗产传承人,掌握70多种彝绣针法。2020年,公司实现多元化产品开发,研发手提包、笔记本、披肩等300多个种类的1000多个产品,销往国内外,年生产性收入1500多万元。
十多年前,东南大学与南华县确立定点帮扶结对关系。南华县民族刺绣产业与民族文化传承发展工作专班组长曲栩说,学校自2017年开始帮扶南华彝绣产业,从产品设计、品牌营销、绣娘培训等方面倾力,挖掘产业潜力。
东南大学联系引入公益基金12万元专项助力彝绣文化传承;累计投入彝绣技能培训资金82.5万元,累计培训绣娘千余人次;选派学校艺术学院师生为南华设计200多个彝绣产品,帮助建设南华彝绣文化网站、产品售卖网店,提升品牌形象。学校还投入250万元,援建南华彝绣馆,实施南华彝绣特色乡村营造项目。“东南大学师生帮设计的28种新产品,特别受欢迎。”丁兰英说,产品的色彩、图案都很时尚。现在,她的女儿陈海燕也成为县级彝绣非遗传承人,负责公司产品创新,设计的产品时尚、简洁。
小小绣花针挑起大产业。楚雄州打造从生产端到市场端的彝绣特色文化产业链,专门组团到福建开展彝绣招商合作,“山海”牵手,助力彝绣企业“走出去”。打造产业孵化的“彝绣园”、公共品牌标识“彝绣识”和产业“彝绣标”,以及楚雄绣娘和纹样两个“彝绣库”;推出优惠贷款“彝绣贷”和旨在降低物流成本的“彝绣邮”,以及保证消费者买到纯手工制作的彝绣精品的“彝绣保”……李汶娟说,塑品牌,拓影响,做大沿海地区订单,拓展海外市场,靠双手绣出乡村振兴美丽图景。
(文图:赵筱尘 巫邓炎)