原標(biāo)題：《生物正交化學(xué)和點(diǎn)擊化學(xué)摘得2022化學(xué)諾獎(jiǎng)，Sharpless二度獲獎(jiǎng)！Bertozzi如何創(chuàng)立生物正交化學(xué)？》

瑞典當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年10月5日11時(shí)45分（北京時(shí)間10月5日17時(shí)45分），諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布將2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給美國(guó)化學(xué)家Carolyn R. Bertozzi，丹麥化學(xué)家Morten Meldal和美國(guó)化學(xué)家Karl Barry Sharpless，以表彰他們“為點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)的發(fā)展”做出了突出貢獻(xiàn)。

2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)的是簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。Barry Sharpless和Morten Meldal為一種分子功能化——點(diǎn)擊化學(xué)——奠定了基礎(chǔ)?！包c(diǎn)擊”就是指兩個(gè)東西像積木扣在一起一樣，咔嚓（click）一聲，分子構(gòu)建單元快速而有效地結(jié)合在一起。Carolyn Bertozzi將點(diǎn)擊化學(xué)帶到了一個(gè)新的維度——在生物體中使用它。

長(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)家們一直渴望構(gòu)建越來(lái)越復(fù)雜的分子。藥物研究中，通常需要人工制造具有藥用特性的天然分子，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多有意義的分子結(jié)構(gòu)，但成本高昂并且非常耗時(shí)。諾貝爾化學(xué)委員會(huì)主席Johan ?qvist表示：“今年的化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)工作不是一類復(fù)雜的方法，而是把問(wèn)題變得簡(jiǎn)單和便捷。功能分子甚至可以通過(guò)一條直接的路線來(lái)構(gòu)建?！?/p>

大約在2000年，Barry Sharpless創(chuàng)造了“點(diǎn)擊化學(xué)”的概念，這是一種簡(jiǎn)單而可靠的化學(xué)形式，在這種化學(xué)中，反應(yīng)快速發(fā)生，避免了不必要的副產(chǎn)品。不久之后，Morten Meldal和Barry Sharpless各自獨(dú)立提出了現(xiàn)代點(diǎn)擊化學(xué)王冠上的明珠：銅催化疊氮-炔環(huán)加成。這是一種優(yōu)雅而高效的化學(xué)反應(yīng)，現(xiàn)在在藥物開(kāi)發(fā)、DNA定位和創(chuàng)造新材料等方面被廣泛使用。

為了繪制細(xì)胞表面重要但難以捉摸的生物分子——聚糖，Carolyn Bertozzi開(kāi)發(fā)了在生物體內(nèi)起作用的點(diǎn)擊反應(yīng)。她的生物正交反應(yīng)不會(huì)破壞細(xì)胞的正?；瘜W(xué)反應(yīng)，其正在被用于探索細(xì)胞和追蹤生物過(guò)程。利用生物正交反應(yīng)，研究人員改進(jìn)了癌癥藥物的靶向性，許多臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交反應(yīng)將化學(xué)帶入了功能主義時(shí)代，為人類帶來(lái)了偉大的效益。

值得一提的是，這是Barry Sharpless的第二個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，他曾于2001年因手性催化氧化反應(yīng)方面的貢獻(xiàn)獲得2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在諾貝爾獎(jiǎng)歷史上，此前只有居里夫人（Marie Curie）、約翰·巴?。↗ohn Bardeen）和弗雷德里克·桑格爾（Frederick Sanger）三人曾經(jīng)兩次獲得科學(xué)獎(jiǎng)。其中只有桑格爾是1958年和1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主，如今的Sharpless是繼桑格爾后第二位在化學(xué)獎(jiǎng)上“梅開(kāi)二度”的。

Sharpless曾說(shuō)，一開(kāi)始他想給這類反應(yīng)取名，然而他有“取名困難癥”，便求助于他的妻子。他的妻子是某個(gè)期刊的編輯，有點(diǎn)文藝細(xì)胞，就引用了一個(gè)美國(guó)俗語(yǔ)“click it or ticket”（不系安全帶就吃罰單），取名為“click chemistry”。所以“click”其實(shí)指的是扣安全帶，形容反應(yīng)像扣安全帶一樣簡(jiǎn)單高效。

重慶大學(xué)副教授李存璞對(duì)《返樸》介紹說(shuō)：“點(diǎn)擊化學(xué)或者生物正交化學(xué)很多都基于疊氮：三個(gè)氮原子連接在一起，一方面可以很方便的與兩個(gè)碳原子形成五元環(huán)，如同奧運(yùn)五環(huán)一般；另一方面也可以脫去氮?dú)夥肿樱粝乱粋€(gè)氮原子構(gòu)建新的功能化體系。氮元素作為最重要的有機(jī)物中的雜原子和生命分子的核心元素，未來(lái)還有更多的內(nèi)涵值得科學(xué)家繼續(xù)探索?！?/p>

什么是生物正交化學(xué)？

一個(gè)不簡(jiǎn)單的學(xué)術(shù)任務(wù)鍛造出一把生化“利劍”，輕輕一擊，便為生物化學(xué)開(kāi)疆?dāng)U土。在生物正交化學(xué)出現(xiàn)之前，熒光蛋白標(biāo)記法是蛋白質(zhì)層面最熱門，最廣泛的方法，通過(guò)基因編輯蛋白質(zhì)，與綠色熒光蛋白質(zhì)或者其變體結(jié)合打上標(biāo)記，從而跟蹤被標(biāo)記物的結(jié)構(gòu)、功能。但這個(gè)方法有一明顯缺陷：標(biāo)記物蛋白往往很笨重，容易影響被標(biāo)記生物分子，改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。[1]

而B(niǎo)ertozzi開(kāi)發(fā)出的“生物正交化學(xué)”方法則輕便得多：讓兩個(gè)小分子在活細(xì)胞環(huán)境中相互作用，形成反應(yīng)類型單一但彼此相連的共價(jià)鍵。然后如同“橋梁”一般，其中一個(gè)小分子通過(guò)代謝標(biāo)記法與靶點(diǎn)糖分子整合，而另一個(gè)則與化學(xué)標(biāo)記物結(jié)合。在整個(gè)過(guò)程中，小分子以及靶點(diǎn)大分子的整合借助生物體內(nèi)已有的生化反應(yīng)，卻不會(huì)影響反應(yīng)本身。2005年，Bertozzi團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《自然·化學(xué)生物》（Nature Chemical Biology）的一篇論文詳細(xì)闡述了該實(shí)驗(yàn)策略。[2]

來(lái)源：論文 《生命系統(tǒng)中的化學(xué)》[2]

也正是Bertozzi團(tuán)隊(duì)正式創(chuàng)造出“生物正交化學(xué)”（Bioorthogonal chemistry）這一術(shù)語(yǔ)，并一直引領(lǐng)著該領(lǐng)域的發(fā)展。根據(jù)定義，生物正交化學(xué)是在生物環(huán)境中發(fā)生的一組對(duì)生物分子影像微小，或?qū)ι^(guò)程干擾微小的反應(yīng)[3]。所謂“正交”，便有相互獨(dú)立，不加干涉的涵義。

生物正交化學(xué)反應(yīng)的代表性課題組

最初的生物正交化學(xué)主要指偶聯(lián)反應(yīng)，2000年Bertozzi團(tuán)隊(duì)基于施陶丁格（Staudinger）還原反應(yīng)開(kāi)發(fā)出施陶丁格偶聯(lián)反應(yīng)，即疊氮-膦基酯反應(yīng)，將其用于細(xì)胞表面的化學(xué)修飾[4]，也正是這一研究掀起了各種其他生物正交化學(xué)反應(yīng)的研發(fā)熱情。

2002年，美國(guó)有機(jī)化學(xué)家卡爾·巴里·夏普萊斯（Karl.Sharpless）團(tuán)隊(duì)和丹麥有機(jī)化學(xué)家莫滕·梅爾達(dá)（Morten P. Meldal）團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立報(bào)告了一價(jià)銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)（CuAAC 反應(yīng)），該反應(yīng)遵循點(diǎn)擊化學(xué)（Click chemistry）的選擇性原則，產(chǎn)率高，應(yīng)用范圍廣，非常適合生物正交化學(xué)。CuAAC反應(yīng)使用的兩種小官能團(tuán)容易與靶點(diǎn)分子結(jié)合，同時(shí)不影響自然生化反應(yīng)[1]。

盡管優(yōu)勢(shì)明顯，CuAAC反應(yīng)有一個(gè)隱患：銅催化劑在細(xì)胞中反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生有毒的活性氧自由基。于是，Bertozzi團(tuán)隊(duì)翻閱資料，尋找不用銅催化的辦法，她們很快就找到了一種名為環(huán)辛炔的有機(jī)化合物，和疊氮化合物之間可以在生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)應(yīng)變促進(jìn)的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)，且無(wú)需催化劑。在短短幾個(gè)月之內(nèi)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建好反應(yīng)小分子，先在蛋白質(zhì)，后在細(xì)胞上進(jìn)行選擇性修飾實(shí)驗(yàn)，結(jié)果相當(dāng)理想，且沒(méi)有毒害。2004年，團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》（JACS）上發(fā)表論文，證明了無(wú)銅點(diǎn)擊化學(xué)正交反應(yīng)的應(yīng)用潛力。[5]隨后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步改良了環(huán)辛炔試劑以求更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，成功對(duì)發(fā)育中的活斑馬魚(yú)體內(nèi)膜相關(guān)聚糖進(jìn)行成像，識(shí)別并跟蹤聚糖的表達(dá)模式。[6]

就在Bertozzi團(tuán)隊(duì)在生物正交化學(xué)的道路上突飛猛進(jìn)之時(shí)，其他科研團(tuán)隊(duì)也積極探索新的反應(yīng)策略。2008年，美國(guó)德拉瓦大學(xué)（University of Delaware）約瑟夫·?？怂梗↗oseph Fox）團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》（JACS）上發(fā)表研究，提出了S-四嗪（Tetrazine）和反式環(huán)辛烯（TCO）在生理?xiàng)l件下無(wú)需催化劑的環(huán)加成反應(yīng)。[7]四嗪的連接反應(yīng)是目前已知生物正交反應(yīng)中最快速的一種，?？怂贡硎荆骸坝辛俗顝?qiáng)反應(yīng)的反式環(huán)辛烯，反應(yīng)速率超過(guò)了3,300,000 M-1 S-1?！盵1]

從2010年起，中國(guó)科學(xué)家迎頭趕上，在生物正交反應(yīng)研究領(lǐng)域積極做出自己的貢獻(xiàn)[8]，其中最重大的突破便是2014年北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院陳鵬團(tuán)隊(duì)在《自然·化學(xué)》（Nature Chemistry）在線發(fā)表的論文，首次提出“生物正交剪切反應(yīng)”（bioorthogonal cleavage reaction）這一概念。 在陳鵬團(tuán)隊(duì)之前，正交反應(yīng)的思路往往遵循鍵合反應(yīng)，而陳鵬則反其道而行之，希望在生物正交化學(xué)反應(yīng)中打斷鍵化學(xué)鍵，從而激活蛋白，甚至遞送藥物。

于是，陳鵬團(tuán)隊(duì)研發(fā)出別具一格的蛋白質(zhì)，其活性位點(diǎn)上的一個(gè)關(guān)鍵殘基被保護(hù)性官能團(tuán)“鎖在籠中”。隨后使用正交剪切反應(yīng)，可打破“牢籠”，解除保護(hù)，將其激活。在這篇論文中，團(tuán)隊(duì)在活細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)側(cè)鏈的原位脫保護(hù)反應(yīng)（Proc-賴氨酸向天然賴氨酸的轉(zhuǎn)化）。[8-9]這一策略的優(yōu)勢(shì)在于將非天然氨基酸直接插入了目標(biāo)蛋白質(zhì)酶的催化活性位點(diǎn)，使其處于完全“關(guān)閉”的狀態(tài)；而在激活過(guò)程中只要產(chǎn)生少量的處于“開(kāi)啟”狀態(tài)的蛋白質(zhì)就足以對(duì)其功能及相關(guān)生物學(xué)功能進(jìn)行研究。[10] 2019年，團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》（JACS）上提出了另一種“雙取代炔丙基/銅試劑”生物正交剪切反應(yīng)，從“末端脫籠”拓展至“分子內(nèi)剪切”。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了基于氨基和酚羥基的可控釋放型抗體偶聯(lián)藥物 (Cleavable ADCs)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌細(xì)胞的選擇性殺傷。[8, 11]

生物正交化學(xué)的未來(lái)發(fā)展

生物正交化學(xué)是一個(gè)非常年輕的領(lǐng)域，由Bertozzi開(kāi)創(chuàng)的革命性技術(shù)，在近20年時(shí)間內(nèi)科學(xué)家們不斷拓展其內(nèi)涵和外延，雖然到目前為止，生物正交反應(yīng)并非盡善盡美，在效率、速率、底物穩(wěn)定性、易得性、生物兼容性、相互正交性以及操作便捷性等方面或多或少還存在著各種各樣的問(wèn)題。[8]但從最初作為偶聯(lián)反應(yīng)的補(bǔ)充反應(yīng)，到獨(dú)立壯大如今成為生物化學(xué)的核心領(lǐng)域之一，發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。生物正交化學(xué)不僅推動(dòng)著糖生物學(xué)的發(fā)展，而且在藥物靶向方面的應(yīng)在范圍未來(lái)很可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。 [3]例如：

藥物制劑的原位合成：生物正交化學(xué)可能會(huì)有助于用較小的前體來(lái)組裝藥物。在需要的時(shí)間創(chuàng)造藥物，藥物就會(huì)更有效、毒性更低；藥物干預(yù)的范圍也可以擴(kuò)大。

聚糖標(biāo)記：科學(xué)家已使用葉酸配體生成了含有疊氮化物標(biāo)記的半乳糖胺的脂質(zhì)納米粒。 當(dāng)腫瘤細(xì)胞暴露于人類血清中時(shí)，腫瘤膜納入疊氮修飾的雙苯環(huán)辛烷，觸發(fā)免疫反應(yīng)。

點(diǎn)擊釋放（Click to Release）：該方法是利用生物正交化學(xué)控制藥物釋放的時(shí)機(jī)和位置，產(chǎn)生對(duì)靶細(xì)胞有選擇性毒性的藥物。

生物正交化學(xué)發(fā)展的時(shí)間線（來(lái)源：cas.org）

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.chemistryworld.com/features/the-bioorthogonal-revolution/4015604.article

[2]https://www.nature.com/articles/nchembio0605-13

[3]https://www.cas.org/zh-hans/resources/blog/bioorthogonal-chemistry

[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.287.5460.2007

[5]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja044996f

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1155106

[7]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja8053805

[8]http://sioc-journal.cn/Jwk_hxxb/article/2021/0567-7351/348249/0567-7351-79-4-406.mag.shtml

[9]https://www.nature.com/articles/nchem.1887

[10]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b05833

下文介紹了Bertozzi的學(xué)術(shù)成長(zhǎng)經(jīng)歷，編譯自2018年《化學(xué)世界》的“Cells, sugars and synthesis”一文。

2022諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Bertozzi和她的糖生物學(xué)帝國(guó)

撰文 | Sarah Houlton

編譯 | Kestrel

1966年出生的Bertozzi Bertozzi在馬薩諸塞州萊克星頓鎮(zhèn)與她的兩個(gè)姐妹一同長(zhǎng)大。她們的父親William Bertozzi是MIT的一名物理學(xué)教授，三姐妹的成長(zhǎng)也一直圍繞著科學(xué)，當(dāng)被問(wèn)到“長(zhǎng)大想做什么”的時(shí)候，她們異口同聲回答“當(dāng)核物理學(xué)家”。父親也期待著女兒們參加MIT的夏令營(yíng)，進(jìn)MIT讀書。不過(guò)，事情的發(fā)展超出了老父親的預(yù)期……

少年時(shí)代的Bertozzi Bertozzi見(jiàn)到什么有意思的就想嘗試，12歲時(shí)，為了學(xué)花哨的輪滑跳躍動(dòng)作，骨折一條腿，和石膏、腋杖一起呆了半年，高中的足球教練也說(shuō)她初生牛犢不怕虎。

Bertozzi還喜歡音樂(lè)。高中時(shí)，她曾在作曲和音樂(lè)方面多次獲獎(jiǎng)，去哈佛大學(xué)念本科，也是因?yàn)楣鹉芴峁└嗫茖W(xué)之外的豐富內(nèi)容。她本想選擇音樂(lè)專業(yè)，但父母不支持，只好選擇了包含數(shù)理課程的醫(yī)預(yù)（pre-med，醫(yī)學(xué)預(yù)科）軌道，并在大一結(jié)束時(shí)選擇了生物學(xué)專業(yè)。這時(shí)，她還不喜歡大一的普通化學(xué)課。

意識(shí)到自己對(duì)化學(xué)更感興趣，是在第二年的有機(jī)化學(xué)課上。Bertozzi 說(shuō)：“聽(tīng)說(shuō)教授故意把問(wèn)題弄得又費(fèi)勁又難懂，同學(xué)們抱怨這門課記憶練習(xí)的成分很大，但我不一樣。當(dāng)時(shí)我最喜歡的就是這門課了，一點(diǎn)兒都不覺(jué)得枯燥。有機(jī)化學(xué)跟我的腦袋比較對(duì)味?！?/p>

一年后，她就改到化學(xué)專業(yè)。音樂(lè)也沒(méi)有完全放棄。許多學(xué)生在餐廳當(dāng)服務(wù)生打工掙學(xué)費(fèi)，Bertozzi則在一個(gè)搖滾樂(lè)隊(duì)當(dāng)鍵盤手以及伴唱。那是個(gè)八十年代的長(zhǎng)發(fā)重金屬樂(lè)隊(duì)，叫做Bored of Education（學(xué)習(xí)好無(wú)聊）。校園里舉行派對(duì)或者其它活動(dòng)時(shí)，會(huì)有人來(lái)請(qǐng)他們，要么唱自己寫的歌，要么翻唱當(dāng)時(shí)流行的歌。后來(lái)，他們的主吉他手Tom Morello畢業(yè)后去洛杉磯組建了一個(gè)樂(lè)隊(duì)，這就是大名鼎鼎的Rage Against the Machine（暴力反抗機(jī)器）。

Bertozzi當(dāng)然也會(huì)遐想，要是自己當(dāng)時(shí)跟著去了，現(xiàn)在會(huì)是何種光景?！拔耶?dāng)時(shí)沒(méi)有上那車，現(xiàn)在就只會(huì)最簡(jiǎn)單的‘The wheel on the bus go round and round’。我只能等我的兒子們將來(lái)長(zhǎng)大了，能欣賞八十年代的重金屬！”

找尋機(jī)會(huì)

哈佛鼓勵(lì)理科專業(yè)的本科生暑期到科研實(shí)驗(yàn)室去實(shí)習(xí)。Bertozzi想找個(gè)做有機(jī)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，但找來(lái)找去都說(shuō)沒(méi)位置了。兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，去到了麻省眼耳醫(yī)院（Massachusetts Eye and Ear hospital）的一個(gè)研究膜氧化損傷的實(shí)驗(yàn)室。她在Irene Kochevar教授那兒搬磚，學(xué)期中每周去幾個(gè)小時(shí)，帶著一袋零錢去三英里外的醫(yī)學(xué)院圖書館復(fù)印文獻(xiàn)。

那時(shí)的激光近視手術(shù)還是新事物，人們需要了解手術(shù)激光是否會(huì)損傷眼部組織。Bertozzi幫忙制備“血影”——把紅細(xì)胞放到低滲溶液中，讓它們脹裂、釋放出內(nèi)容物，只留下細(xì)胞膜，再用激光照射，看看它們會(huì)不會(huì)受到損傷。

到下一個(gè)學(xué)期，Bertozzi選了一門開(kāi)給一年級(jí)研究生的物理有機(jī)化學(xué)課，在課上認(rèn)識(shí)了一些研究生。她去他們的實(shí)驗(yàn)室參觀，想著他們也許會(huì)把自己引薦給他們的PI，讓她獲得一份暑期實(shí)習(xí)工作——并沒(méi)有。暑假來(lái)臨，她還是沒(méi)能找到有機(jī)化學(xué)方向?qū)嶒?yàn)室的實(shí)習(xí)位置。這時(shí)，Bertozzi開(kāi)始感到，也許當(dāng)有機(jī)化學(xué)家并不是個(gè)好主意。

她于是開(kāi)啟了備用計(jì)劃：爭(zhēng)取去生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。這時(shí)，她遇到了Joe Grabowski，是她選的那門研究生課的老師。他的實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)只有一位研究生——那個(gè)時(shí)候，由于長(zhǎng)期前景的不確定性，哈佛的助理教授比較難招到研究生。Grabowski對(duì)招本科生是很開(kāi)放的，有天下課，他問(wèn)Bertozzi暑期要不要到他的實(shí)驗(yàn)室工作。機(jī)會(huì)忽然出現(xiàn)了！Bertozzi簡(jiǎn)直驚呆了，趕緊放棄了去生化實(shí)驗(yàn)室的打算。

邊學(xué)邊做

Grabowski想做一個(gè)光聲量熱學(xué)方面的項(xiàng)目，大概就是，測(cè)量光激發(fā)的分子弛豫放熱，造成局部溶劑膨脹時(shí)形成的壓力波。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是，你可以在比色杯邊緣放個(gè)耳機(jī)去聽(tīng)這些波，聲音的幅度可以提示你，有多少能量轉(zhuǎn)化成熱消散掉了。

但作為一個(gè)本科生，Bertozzi實(shí)際上不是很理解這整件事。多年后，她回憶說(shuō)：“暑假剛開(kāi)始的時(shí)候，我根本就是兩眼一抹黑。有的事情你就是知道肯定不會(huì)發(fā)生——好比我看一場(chǎng)NBA比賽，我就知道我怎么樣都不可能成為一名職業(yè)籃球運(yùn)動(dòng)員。但這會(huì)兒我必須想辦法整一個(gè)儀器出來(lái)?！?/p>

一邊搭儀器、裝配零件來(lái)測(cè)量聲波，一邊將那些模擬信號(hào)數(shù)字化，Bertozzi同時(shí)開(kāi)始學(xué)習(xí)Forth語(yǔ)言編程，用來(lái)控制儀器。暑假結(jié)束的時(shí)候，她已經(jīng)做成了一套將那些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成圖表的程序。

她用這個(gè)項(xiàng)目做了本科的畢業(yè)論文，到她離開(kāi)的時(shí)候，儀器已經(jīng)搭出來(lái)了，雖然她從來(lái)沒(méi)用它做過(guò)實(shí)驗(yàn)?！暗轿铱煲┦慨厴I(yè)的時(shí)候，論文出來(lái)了，而且上面還署了我的名字！回頭看，雖然不是有機(jī)合成方面的，但是這件事情很鼓舞人。它教會(huì)了我，要達(dá)成一個(gè)大目標(biāo)，你并不需要清楚整個(gè)路徑——你每天都做出一點(diǎn)兒，雜草就會(huì)慢慢清出，路徑就會(huì)越來(lái)越清楚。人很容易被大的挑戰(zhàn)嚇倒，但你又不是得一天之內(nèi)完成它。我覺(jué)得一下子被交給一個(gè)力尚不能及的項(xiàng)目，是好的經(jīng)歷，因?yàn)槲业眠呑鰧?shí)驗(yàn)邊弄明白很多事。”

雖然如此，Bertozzi還是很想去做有機(jī)合成?！皵[弄電腦和激光固然很有意思，可是我還是很喜歡思考有機(jī)分子的行為以及創(chuàng)造新的有機(jī)分子的概念。Jeremy Knowles教授開(kāi)的生物有機(jī)化學(xué)課激發(fā)了我的興趣。我對(duì)酶如何操控分子特別著迷?！?/p>

在新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的一次暑期實(shí)習(xí)進(jìn)一步激發(fā)了Bertozzi的興趣。她在Christopher Chidsey的實(shí)驗(yàn)室工作，Chidsey是一位年輕的表面科學(xué)家，當(dāng)時(shí)在研究硫醇在金的表面自組裝成的單分子層。雖然仍不是做合成，但Bertozzi還是很興奮——至少可以溶解以及制備有機(jī)化合物了！

巧的是，Chidsey正抱怨沒(méi)有能用的軟件來(lái)處理循環(huán)伏安法實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，剛好在考慮用Forth語(yǔ)言寫一個(gè)。這給了Bertozzi一個(gè)施展技能的機(jī)會(huì)——那個(gè)夏天的工作后來(lái)發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊（JACS）上。盡管Bertozzi后來(lái)發(fā)表了很多很有影響力的研究，但那篇文章到現(xiàn)在還是她被引用最多的工作之一。

終于是合成化學(xué)家了

去加州大學(xué)伯克利分校（UCB）讀博之后，Bertozzi的有機(jī)合成之夢(mèng)終于實(shí)現(xiàn)了。她在Mark Bednarski的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)用于生物學(xué)研究的分子。Mark Bednarski也是一位年輕學(xué)者，Bertozzi讀本科時(shí)他也在哈佛大學(xué)George Whitesides的實(shí)驗(yàn)室做博后，兩人當(dāng)時(shí)就認(rèn)識(shí)了。Bednarski對(duì)糖類化學(xué)感興趣，而那個(gè)時(shí)候治療流感的神經(jīng)氨酸酶抑制劑藥物Relenza（zanamivir，扎那米韋）和Tamiflu（oseltamivir，奧司他韋）正呼之欲出，兩者都是唾液酸（即N-乙酰神經(jīng)氨酸，一種帶有9個(gè)碳原子的單糖衍生物）類似物。流感病毒的神經(jīng)氨酸酶和血凝素剛被解出來(lái)，讓這個(gè)領(lǐng)域散發(fā)出激動(dòng)人心的光彩。

讀博第三年時(shí)，導(dǎo)師Bednarski確診了結(jié)腸癌。他請(qǐng)了一段假去治療，隨即決定成為一名醫(yī)生，改去斯坦福學(xué)醫(yī)。Bertozzi和實(shí)驗(yàn)室的另外兩個(gè)學(xué)生決定不換到其他組，而是繼續(xù)當(dāng)時(shí)的研究。他們自己做實(shí)驗(yàn)，自己投稿，甚至給期刊編輯打電話對(duì)評(píng)審意見(jiàn)提出抗議，最終，他們?cè)跊](méi)有導(dǎo)師指導(dǎo)的情況下完成了PhD的研究工作。多年后回頭來(lái)看，這些事情起了“祛魅”的作用，讓他們?cè)缭缌私獾絇I怎么運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，雖然只是一個(gè)小實(shí)驗(yàn)室。Bertozzi說(shuō)：“這換到現(xiàn)在不可能發(fā)生，因?yàn)閷W(xué)校還有監(jiān)管以及安全方面的考量。但當(dāng)時(shí)就有點(diǎn)像闖西部似的。我很感恩當(dāng)時(shí)的研究最后成功了，實(shí)在是不想換一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)室從頭開(kāi)始?！?/p>

博士畢業(yè)后，Bertozzi在加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的一個(gè)免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)室做博后。在那里，她又遇見(jiàn)了Christopher Chidsey——他已經(jīng)是斯坦福的老師了。他鼓勵(lì)Bertozzi去申請(qǐng)一份化學(xué)生物學(xué)的研究工作，斯坦福當(dāng)時(shí)剛好在招這樣的人。但Bertozzi希望留在灣區(qū)，所以還同時(shí)申請(qǐng)了UCB和UCSF。三所院校都給了offer，Bertozzi最終選擇了回到伯克利。

生物正交化學(xué)的誕生

做博后的經(jīng)歷讓Bertozzi了解到，在生物系統(tǒng)里研究糖科學(xué)是件多么令人沮喪的事——工具太原始了，沒(méi)法用來(lái)測(cè)量細(xì)胞、組織或生物個(gè)體。她需要一件趁手的工具。

這件事成為她回到伯克利的首個(gè)學(xué)術(shù)任務(wù)：開(kāi)發(fā)能加快糖生物學(xué)家研究進(jìn)展的新工具。不像蛋白和核酸，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有能用于糖類的成像技術(shù)。Bertozzi開(kāi)始開(kāi)發(fā)專門的成像工具，能對(duì)人為引入到糖分子上的“探針”進(jìn)行成像。這引出了代謝標(biāo)記法——通過(guò)喂給細(xì)胞化學(xué)修飾的代謝前體來(lái)獲得帶標(biāo)記的糖。探針本身不能直接插入，因?yàn)樗鼈兲罅?，?huì)被酶破壞掉，但你可以先放個(gè)化學(xué)標(biāo)記，然后再加探針。

運(yùn)用代謝標(biāo)記法，Bertozzi開(kāi)發(fā)出了她稱為“生物正交反應(yīng)”（bioorthogonal chemistry）的新反應(yīng)類型，這類反應(yīng)可以在活著的生物體內(nèi)進(jìn)行，而不會(huì)干擾其原生的生物學(xué)過(guò)程。她的實(shí)驗(yàn)室有部分人進(jìn)一步開(kāi)發(fā)生物正交反應(yīng)方面的技術(shù)，剩下的人則做應(yīng)用方面的研究，使用他們開(kāi)發(fā)的帶標(biāo)記的糖來(lái)做成像。

新的想法在做已有項(xiàng)目的過(guò)程中不斷冒出來(lái)。其中之一便是結(jié)核?。╰uberculosis，TB）——當(dāng)時(shí)結(jié)核病致病菌的基因組剛剛完成測(cè)序，組里的研究生Joseph Mougos（現(xiàn)在也成為了一名杰出的學(xué)者）對(duì)此很感興趣。他們已經(jīng)在研究多種人類的酶，所以把這些酶的序列跟TB基因組的序列做了聯(lián)配，想要找到細(xì)菌版本的這些酶。令他們意外的是，Mougos找到了人類磺基轉(zhuǎn)移酶（sulfotransferase）的遠(yuǎn)親。

下一步就是做敲除突變體，找表型。這件事說(shuō)起來(lái)容易，但是研究結(jié)核需要P3實(shí)驗(yàn)室，也就是生物安全防護(hù)要達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?？墒荁ertozzi當(dāng)時(shí)并沒(méi)有這么一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。多年后，Bertozzi接受采訪時(shí)說(shuō)：“我當(dāng)時(shí)就是一個(gè)助理教授，預(yù)算緊，可是我又想：為什么不呢？既然我本科的時(shí)候能搞一個(gè)光聲量熱儀出來(lái)，我的研究生為什么不能做TB？”在Bertozzi的支持下，Mougos找到了必要的密閉設(shè)備，自己搞清楚了怎么做誘變，然后大家開(kāi)發(fā)了一套質(zhì)譜儀平臺(tái)，可以用它來(lái)進(jìn)行富集硫-34的重硫酸鹽標(biāo)記，以此來(lái)尋找這些酶可能涉及的代謝物。

弄清楚一種磺基糖脂（當(dāng)時(shí)認(rèn)為是一個(gè)毒力決定因素）的生物合成途徑后，他們想到，這個(gè)生物學(xué)過(guò)程可以應(yīng)用于成像。更令人興奮的是，成像工具可以檢測(cè)出感染者痰液中感染結(jié)核菌的細(xì)胞（結(jié)核分歧桿菌是兼性胞內(nèi)寄生的細(xì)菌），只需要用上一個(gè)電池供電的顯微鏡。這些設(shè)備早就被廣泛用于診斷瘧疾，而且對(duì)于TB流行但醫(yī)療資源稀缺的地方更是能派上大用場(chǎng)。

“我們做了一個(gè)熒光標(biāo)記試劑，而且這跟項(xiàng)目現(xiàn)在得到了蓋茨基金會(huì)（Bill and Melinda Gates Foundation）的資助，用于現(xiàn)場(chǎng)快速診斷（point-of-care diagnostic）。要是這么多年以前，沒(méi)有那個(gè)學(xué)生自己勉強(qiáng)自己去做TB，我們現(xiàn)在還離這個(gè)目標(biāo)很遠(yuǎn)。路是我們?cè)谶@十多年間，一個(gè)實(shí)驗(yàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)這樣鋪出來(lái)的。”

搬到那邊

在伯克利呆了快20年后，2015年，斯坦福大學(xué)又找到了Bertozzi。斯坦福在創(chuàng)建一座新的研究所，叫做ChEM-H（Chemistry, Engineering, Medicine for Human Health，即“化學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)與人類健康），邀請(qǐng)她來(lái)工作。

Bertozzi看到了從頭開(kāi)始為一項(xiàng)事業(yè)做出貢獻(xiàn)的機(jī)會(huì)。可這時(shí)機(jī)不太對(duì)，因?yàn)樗桶閭H快要有第三個(gè)孩子了。但她清楚知道自己想要這份工作。她希望自己的學(xué)生在醫(yī)學(xué)的生態(tài)環(huán)境中增長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)。這在伯克利不容易辦到，但是斯坦福有個(gè)醫(yī)學(xué)院，正好在加州Palo Alto，所以他們決定搬去。

另一個(gè)意料之外的研究方向幾乎同時(shí)出現(xiàn)了。硅谷一位成功的技術(shù)企業(yè)家Matt Wilsey，也是斯坦福校友，給Bertozzi打來(lái)電話。Wilsey的小女兒Grace確診了一種很罕見(jiàn)的遺傳病：她的兩個(gè)NGly1基因拷貝均發(fā)生了不同的突變。NGly1基因編碼的是一種酶，叫做N-聚糖酶，其作用是將折疊錯(cuò)誤的糖蛋白上的糖基水解下來(lái)，以便蛋白質(zhì)部分進(jìn)入降解途徑。Wisley創(chuàng)建了一個(gè)非營(yíng)利的科研基金會(huì)，希望找到治療甚至治愈這種病的辦法。他已經(jīng)招募到了好幾位資深的遺傳學(xué)家和其它生物學(xué)家，但還沒(méi)有專注研究糖類的化學(xué)家。因?yàn)锽ertozzi實(shí)驗(yàn)室正好是做糖科學(xué)的，Wilsey便想請(qǐng)她來(lái)幫忙。

Bertozzi對(duì)N-聚糖酶缺失何以讓孩子生病還沒(méi)有足夠的理解，她猶豫要不要寫個(gè)研究計(jì)劃。當(dāng)時(shí)這個(gè)酶的功能還不太清楚，它的功能跟病人的癥狀之間有何關(guān)系，大家也沒(méi)有好的思路。

幾個(gè)月過(guò)后，又一巧合發(fā)生了。在一次會(huì)議上，Bertozzi碰見(jiàn)了加州理工大學(xué)的生物學(xué)家Ray Deshaies。N-聚糖酶定位在蛋白酶體上，所以有人認(rèn)為它的作用是去掉錯(cuò)誤折疊的蛋白上面大的聚糖部分，好讓蛋白酶體將其降解成小肽。但是在體外培養(yǎng)的帶有相同突變的細(xì)胞里面，并沒(méi)有像預(yù)料中那樣積累無(wú)用的糖蛋白——沒(méi)有了N-聚糖酶，培養(yǎng)皿里面的細(xì)胞還是活得好好的，可是患病的人或者小鼠癥狀卻很嚴(yán)重。顯然有某一環(huán)缺失了。

學(xué)界開(kāi)始懷疑一些細(xì)胞里面有某種底物，人如果沒(méi)有患病，則一定是N-聚糖酶把糖類單元去掉了。但找到那些底物是很大的挑戰(zhàn)。

Bertozzi 把這事告訴了Deshaies，發(fā)現(xiàn)正好問(wèn)對(duì)人了。幾年前，Deshaies研究過(guò)一個(gè)不尋常的轉(zhuǎn)錄因子，叫做Nrf1，并且他認(rèn)為去除N-聚糖對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)激活很重要。Nrf1在蛋白酶體不足的條件下，例如在蛋白酶體超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或者被藥物抑制的情況下，會(huì)驅(qū)動(dòng)蛋白酶體亞基基因的表達(dá)。Deshaies對(duì)Nrf1很感興趣，因?yàn)樗赡軈⑴c了腫瘤細(xì)胞對(duì)蛋白酶體抑制劑藥物的抗藥性，而這類藥物其中之一卡非佐米（carfilzomib），正是他參與研發(fā)的。

根據(jù)這個(gè)建議，Bertozzi想到，N-聚糖酶將N-聚糖移除這一步對(duì)Nrf1的加工和激活來(lái)說(shuō)，可能是重要的。那次會(huì)議剩下的時(shí)間里，Bertozzi都坐在后排搜索這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，閱讀其各種小鼠敲除模型的表型報(bào)告——這些小鼠根本上復(fù)制了人類的NGly1疾病的表型。她簡(jiǎn)直難以相信——這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子很有可能是最重要的底物！一回到斯坦福，她就寫了研究計(jì)劃。

接下來(lái)一年的工作證明這個(gè)推測(cè)完全正確——敲除該轉(zhuǎn)錄因子基因的小鼠和病人的細(xì)胞系都對(duì)蛋白酶體抑制劑很敏感。Bertozzi懷疑這個(gè)缺陷是NGly1病人一些神經(jīng)方面的癥狀的原因，因?yàn)闆](méi)有了Nrf1，他們的細(xì)胞無(wú)法應(yīng)對(duì)蛋白酶體不足的情況。大家知道，神經(jīng)元對(duì)蛋白降解與周轉(zhuǎn)方面的問(wèn)題特別敏感。

Bertozzi將他們的研究與斯坦福的臨床科學(xué)相結(jié)合的目標(biāo)不到一個(gè)月就實(shí)現(xiàn)了。這個(gè)項(xiàng)目起于一位病人和她的家人，現(xiàn)在是Bertozzi實(shí)驗(yàn)室的代表性成果之一?！?/p>

創(chuàng)業(yè)嘗試

這次來(lái)到斯坦福的第一年，Bertozzi就和發(fā)現(xiàn)Siglec的糖免疫學(xué)家Paul Crocker共同創(chuàng)建了Palleon Pharmaceuticals。（注：Siglec全稱為sialic acid-binding immunoglobulin-like lectin，即“唾液酸結(jié)合免疫球蛋白樣凝集素”，其中凝集素是一類能特異性結(jié)合糖基的蛋白質(zhì)。）后續(xù)不到五年，Bertozzi又創(chuàng)建了四家公司。2017年，她加入了禮來(lái)（Eli Lilly and Company）董事會(huì)。2019年，風(fēng)投機(jī)構(gòu)Versant Ventures任命她為獨(dú)家顧問(wèn)。

Bertozzi認(rèn)為自己的創(chuàng)業(yè)熱忱來(lái)源于斯坦福式的合作成果，這是在伯克利不曾有過(guò)的經(jīng)歷。比如說(shuō)，醫(yī)學(xué)院的同仁聽(tīng)到這里有位糖生物學(xué)家，就會(huì)帶著他們篩選藥物靶點(diǎn)找到的有趣基因來(lái)找她。

Bertozzi對(duì)熱門領(lǐng)域免疫腫瘤學(xué)（immuno-oncology）越來(lái)越感興趣，因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域中，糖基化對(duì)免疫調(diào)控和腫瘤微環(huán)境起著重要的作用。她說(shuō)：“對(duì)糖科學(xué)家來(lái)說(shuō)這是個(gè)好時(shí)代——生物學(xué)家用基于Crispr的基因組篩查發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多起著重要作用的糖代謝相關(guān)基因，而且他們很愿意跟能夠弄清相關(guān)生化通路的專家合作。所以如果你是你們那邊的糖科學(xué)專家，你會(huì)接到很多電話，都來(lái)找你幫他們解釋一列列名稱跟一鍋亂燉的字母湯似的的基因?！?/p>

Bertozzi說(shuō)：“時(shí)時(shí)會(huì)有很多機(jī)會(huì)從你身邊掠過(guò)，幸運(yùn)的話你會(huì)發(fā)現(xiàn)其中那么幾個(gè)。我們也肯定錯(cuò)過(guò)了好多，因?yàn)闆](méi)法都注意到，我們的‘帶寬’也就這么一點(diǎn)。但機(jī)會(huì)是時(shí)常有的，你若是注意到了，不妨上這趟車，看看它會(huì)帶你到哪里。”

編譯來(lái)源：

https://www.chemistryworld.com/features/carolyn-bertozzi/3008380.article

特 別 提 示

1. 進(jìn)入『返樸』微信公眾號(hào)底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權(quán)說(shuō)明：歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)，任何形式的媒體或機(jī)構(gòu)未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載和摘編。轉(zhuǎn)載授權(quán)請(qǐng)?jiān)凇阜禈恪刮⑿殴娞?hào)內(nèi)聯(lián)系后臺(tái)。