什么是點擊化學(xué)？什么是生物正交化學(xué)？2022年化學(xué)諾獎速解！

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

瑞典當(dāng)?shù)貢r間2022年10月5日11時45分（北京時間10月5日17時45分），諾貝爾獎委員會宣布將2022年諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給美國化學(xué)家Carolyn R. Bertozzi，丹麥化學(xué)家Morten Meldal和美國化學(xué)家Karl Barry Sharpless，以表彰他們“為點擊化學(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)獎獎勵的是簡化化學(xué)反應(yīng)的過程。Barry Sharpless和Morten Meldal為一種分子功能化——點擊化學(xué)——奠定了基礎(chǔ)?！包c擊”就是指兩個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將點擊化學(xué)帶到了一個新的維度——在生物體中使用它。

長期以來，化學(xué)家們一直渴望構(gòu)建越來越復(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。諾貝爾化學(xué)委員會主席Johan ?qvist表示：“今年的化學(xué)獎獲獎工作不是一類復(fù)雜的方法，而是把問題變得簡單和便捷。功能分子甚至可以通過一條直接的路線來構(gòu)建。”

大約在2000年，Barry Sharpless創(chuàng)造了“點擊化學(xué)”的概念，這是一種簡單而可靠的化學(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開發(fā)了在生物體內(nèi)起作用的點擊反應(yīng)。她的生物正交反應(yīng)不會破壞細(xì)胞的正常化學(xué)反應(yīng)，其正在被用于探索細(xì)胞和追蹤生物過程。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，許多臨床試驗正在進(jìn)行中。點擊化學(xué)和生物正交反應(yīng)將化學(xué)帶入了功能主義時代，為人類帶來了偉大的效益。

值得一提的是，這是Barry Sharpless的第二個諾貝爾獎，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。在諾貝爾獎歷史上，此前只有居里夫人（Marie Curie）、約翰·巴丁（John 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。其中只有桑格爾是1958年和1980年諾貝爾化學(xué)獎得主，如今的Sharpless是繼桑格爾后第二位在化學(xué)獎上“梅開二度”的。

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

重慶大學(xué)副教授李存璞對《返樸》介紹說：“點擊化學(xué)或者生物正交化學(xué)很多都基于疊氮：三個氮原子連接在一起，一方面可以很方便的與兩個碳原子形成五元環(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€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)？

一個不簡單的學(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，改變實驗結(jié)果。[1]

而Bertozzi開發(fā)出的“生物正交化學(xué)”方法則輕便得多：讓兩個小分子在活細(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鍵。然后如同“橋梁”一般，其中一個小分子通過代謝標(biāo)記法與靶點糖分子整合，而另一個則與化學(xué)標(biāo)記物結(jié)合。在整個過程中，小分子以及靶點大分子的整合借助生物體內(nèi)已有的生化反應(yīng)，卻不會影響反應(yīng)本身。2005年，Bertozzi團(tuán)隊發(fā)表在《自然·化學(xué)生物》（Nature Chemical Biology）的一篇論文詳細(xì)闡述了該實驗策略。[2]

來源：論文 《生命系統(tǒng)中的化學(xué)》[2]

也正是Bertozzi團(tuán)隊正式創(chuàng)造出“生物正交化學(xué)”（Bioorthogonal chemistry）這一術(shù)語，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)生的一組對生物分子影像微小，或?qū)ι^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)隊基于施陶丁格（Staudinger）還原反應(yīng)開發(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，美國有機(jī)化學(xué)家卡爾·巴里·夏普萊斯（Karl.Sharpless）團(tuán)隊和丹麥有機(jī)化學(xué)家莫滕·梅爾達(dá)（Morten P. Meldal）團(tuán)隊分別獨(dú)立報告了一價銅催化的疊氮化物-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)容易與靶點分子結(jié)合，同時不影響自然生化反應(yīng)[1]。

盡管優(yōu)勢明顯，CuAAC反應(yīng)有一個隱患：銅催化劑在細(xì)胞中反應(yīng)會產(chǎn)生有毒的活性氧自由基。于是，Bertozzi團(tuán)隊翻閱資料，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條件下實現(xiàn)應(yīng)變促進(jìn)的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)，且無需催化劑。在短短幾個月之內(nèi)，團(tuán)隊構(gòu)建好反應(yīng)小分子，先在蛋白質(zhì)，后在細(xì)胞上進(jìn)行選擇性修飾實驗，結(jié)果相當(dāng)理想，且沒有毒害。2004年，團(tuán)隊在《美國化學(xué)學(xué)會期刊》（JACS）上發(fā)表論文，證明了無銅點擊化學(xué)正交反應(yīng)的應(yīng)用潛力。[5]隨后，團(tuán)隊進(jìn)一步改良了環(huán)辛炔試劑以求更快的反應(yīng)動力學(xué)，成功對發(fā)育中的活斑馬魚體內(nèi)膜相關(guān)聚糖進(jìn)行成像，識別并跟蹤聚糖的表達(dá)模式。[6]

就在Bertozzi團(tuán)隊在生物正交化學(xué)的道路上突飛猛進(jìn)之時，其他科研團(tuán)隊也積極探索新的反應(yīng)策略。2008年，美國德拉瓦大學(xué)（University of Delaware）約瑟夫·福克斯（Joseph Fox）團(tuán)隊在《美國化學(xué)學(xué)會期刊》（JACS）上發(fā)表研究，提出了S-四嗪（Tetrazine）和反式環(huán)辛烯（TCO）在生理條件下無需催化劑的環(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)速率超過了3,300,000 M-1 S-1。”[1]

從2010年起，中國科學(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)隊研發(fā)出別具一格的蛋白質(zhì)，其活性位點上的一個關(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)隊在活細(xì)胞內(nèi)實現(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，使其處于完全“關(guān)閉”的狀態(tài)；而在激活過程中只要產(chǎn)生少量的處于“開啟”狀態(tài)的蛋白質(zhì)就足以對其功能及相關(guān)生物學(xué)功能進(jìn)行研究。[10] 2019年，團(tuán)隊在《美國化學(xué)學(xué)會期刊》（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)隊設(shè)計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)，成功實現(xiàn)了對癌細(xì)胞的選擇性殺傷。[8, 11]

生物正交化學(xué)的未來發(fā)展

生物正交化學(xué)是一個非常年輕的領(lǐng)域，由Bertozzi開創(chuàng)的革命性技術(shù)，在近20年時間內(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)在范圍未來很可能會進(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)可能會有助于用較小的前體來組裝藥物。在需要的時間創(chuàng)造藥物，藥物就會更有效、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，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)控制藥物釋放的時機(jī)和位置，產(chǎn)生對靶細(xì)胞有選擇性毒性的藥物。

生物正交化學(xué)發(fā)展的時間線（來源：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)獎得主Bertozzi和她的糖生物學(xué)帝國

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)與她的兩個姐妹一同長大。她們的父親William Bertozzi是MIT的一名物理學(xué)教授，三姐妹的成長也一直圍繞著科學(xué)，當(dāng)被問到“長大想做什么”的時候，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，進(jìn)MIT讀書。不過，事情的發(fā)展超出了老父親的預(yù)期……

少年時代的Bertozzi Bertozzi見到什么有意思的就想嘗試，12歲時，為了學(xué)花哨的輪滑跳躍動作，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她初生牛犢不怕虎。

Bertozzi還喜歡音樂。高中時，她曾在作曲和音樂方面多次獲獎，去哈佛大學(xué)念本科，也是因為哈佛能提供更多科學(xué)之外的豐富內(nèi)容。她本想選擇音樂專業(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)束時選擇了生物學(xué)專業(yè)。這時，她還不喜歡大一的普通化學(xué)課。

意識到自己對化學(xué)更感興趣，是在第二年的有機(jī)化學(xué)課上。Bertozzi 說：“聽說教授故意把問題弄得又費(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)時我最喜歡的就是這門課了，一點兒都不覺得枯燥。有機(jī)化學(xué)跟我的腦袋比較對味。”

一年后，她就改到化學(xué)專業(yè)。音樂也沒有完全放棄。許多學(xué)生在餐廳當(dāng)服務(wù)生打工掙學(xué)費(fèi)，Bertozzi則在一個搖滾樂隊當(dāng)鍵盤手以及伴唱。那是個八十年代的長發(fā)重金屬樂隊，叫做Bored of Education（學(xué)習(xí)好無聊）。校園里舉行派對或者其它活動時，會有人來請他們，要么唱自己寫的歌，要么翻唱當(dāng)時流行的歌。后來，他們的主吉他手Tom Morello畢業(yè)后去洛杉磯組建了一個樂隊，這就是大名鼎鼎的Rage Against the Machine（暴力反抗機(jī)器）。

Bertozzi當(dāng)然也會遐想，要是自己當(dāng)時跟著去了，現(xiàn)在會是何種光景?！拔耶?dāng)時沒有上那車，現(xiàn)在就只會最簡單的‘The wheel on the bus go round and round’。我只能等我的兒子們將來長大了，能欣賞八十年代的重金屬！”

找尋機(jī)會

哈佛鼓勵理科專業(yè)的本科生暑期到科研實驗室去實習(xí)。Bertozzi想找個做有機(jī)化學(xué)的實驗室，但找來找去都說沒位置了。兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，去到了麻省眼耳醫(yī)院（Massachusetts Eye and Ear hospital）的一個研究膜氧化損傷的實驗室。她在Irene Kochevar教授那兒搬磚，學(xué)期中每周去幾個小時，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，看看它們會不會受到損傷。

到下一個學(xué)期，Bertozzi選了一門開給一年級研究生的物理有機(jī)化學(xué)課，在課上認(rèn)識了一些研究生。她去他們的實驗室參觀，想著他們也許會把自己引薦給他們的PI，讓她獲得一份暑期實習(xí)工作——并沒有。暑假來臨，她還是沒能找到有機(jī)化學(xué)方向?qū)嶒炇业膶嵙?xí)位置。這時，Bertozzi開始感到，也許當(dāng)有機(jī)化學(xué)家并不是個好主意。

她于是開啟了備用計劃：爭取去生物化學(xué)實驗室。這時，她遇到了Joe Grabowski，是她選的那門研究生課的老師。他的實驗室當(dāng)時只有一位研究生——那個時候，由于長期前景的不確定性，哈佛的助理教授比較難招到研究生。Grabowski對招本科生是很開放的，有天下課，他問Bertozzi暑期要不要到他的實驗室工作。機(jī)會忽然出現(xiàn)了！Bertozzi簡直驚呆了，趕緊放棄了去生化實驗室的打算。

邊學(xué)邊做

Grabowski想做一個光聲量熱學(xué)方面的項目，大概就是，測量光激發(fā)的分子弛豫放熱，造成局部溶劑膨脹時形成的壓力波。簡單說來就是，你可以在比色杯邊緣放個耳機(jī)去聽這些波，聲音的幅度可以提示你，有多少能量轉(zhuǎn)化成熱消散掉了。

但作為一個本科生，Bertozzi實際上不是很理解這整件事。多年后，她回憶說：“暑假剛開始的時候，我根本就是兩眼一抹黑。有的事情你就是知道肯定不會發(fā)生——好比我看一場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)動員。但這會兒我必須想辦法整一個儀器出來。”

一邊搭儀器、裝配零件來測量聲波，一邊將那些模擬信號數(shù)字化，Bertozzi同時開始學(xué)習(xí)Forth語言編程，用來控制儀器。暑假結(jié)束的時候，她已經(jīng)做成了一套將那些數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成圖表的程序。

她用這個項目做了本科的畢業(yè)論文，到她離開的時候，儀器已經(jīng)搭出來了，雖然她從來沒用它做過實驗?！暗轿铱煲┦慨厴I(yè)的時候，論文出來了，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。它教會了我，要達(dá)成一個大目標(biāo)，你并不需要清楚整個路徑——你每天都做出一點兒，雜草就會慢慢清出，路徑就會越來越清楚。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。我覺得一下子被交給一個力尚不能及的項目，是好的經(jīng)歷，因為我得邊做實驗邊弄明白很多事?！?/p>

雖然如此，Bertozzi還是很想去做有機(jī)合成。“擺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教授開的生物有機(jī)化學(xué)課激發(fā)了我的興趣。我對酶如何操控分子特別著迷。”

在新澤西州貝爾實驗室的一次暑期實習(xí)進(jìn)一步激發(fā)了Bertozzi的興趣。她在Christopher Chidsey的實驗室工作，Chidsey是一位年輕的表面科學(xué)家，當(dāng)時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正抱怨沒有能用的軟件來處理循環(huán)伏安法實驗的數(shù)據(jù)，剛好在考慮用Forth語言寫一個。這給了Bertozzi一個施展技能的機(jī)會——那個夏天的工作后來發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會會刊（JACS）上。盡管Bertozzi后來發(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)合成之夢終于實現(xiàn)了。她在Mark Bednarski的實驗室設(shè)計用于生物學(xué)研究的分子。Mark Bednarski也是一位年輕學(xué)者，Bertozzi讀本科時他也在哈佛大學(xué)George Whitesides的實驗室做博后，兩人當(dāng)時就認(rèn)識了。Bednarski對糖類化學(xué)感興趣，而那個時候治療流感的神經(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，讓這個領(lǐng)域散發(fā)出激動人心的光彩。

讀博第三年時，導(dǎo)師Bednarski確診了結(jié)腸癌。他請了一段假去治療，隨即決定成為一名醫(yī)生，改去斯坦福學(xué)醫(yī)。Bertozzi和實驗室的另外兩個學(xué)生決定不換到其他組，而是繼續(xù)當(dāng)時的研究。他們自己做實驗，自己投稿，甚至給期刊編輯打電話對評審意見提出抗議，最終，他們在沒有導(dǎo)師指導(dǎo)的情況下完成了PhD的研究工作。多年后回頭來看，這些事情起了“祛魅”的作用，讓他們早早了解到PI怎么運(yùn)轉(zhuǎn)一個實驗室，雖然只是一個小實驗室。Bertozzi說：“這換到現(xiàn)在不可能發(fā)生，因為學(xué)校還有監(jiān)管以及安全方面的考量。但當(dāng)時就有點像闖西部似的。我很感恩當(dāng)時的研究最后成功了，實在是不想換一個新的實驗室從頭開始?！?/p>

博士畢業(yè)后，Bertozzi在加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的一個免疫學(xué)實驗室做博后。在那里，她又遇見了Christopher Chidsey——他已經(jīng)是斯坦福的老師了。他鼓勵Bertozzi去申請一份化學(xué)生物學(xué)的研究工作，斯坦福當(dāng)時剛好在招這樣的人。但Bertozzi希望留在灣區(qū)，所以還同時申請了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，沒法用來測量細(xì)胞、組織或生物個體。她需要一件趁手的工具。

這件事成為她回到伯克利的首個學(xué)術(shù)任務(wù)：開發(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)時還沒有能用于糖類的成像技術(shù)。Bertozzi開始開發(fā)專門的成像工具，能對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——通過喂給細(xì)胞化學(xué)修飾的代謝前體來獲得帶標(biāo)記的糖。探針本身不能直接插入，因為它們太大了，會被酶破壞掉，但你可以先放個化學(xué)標(biāo)記，然后再加探針。

運(yùn)用代謝標(biāo)記法，Bertozzi開發(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，而不會干擾其原生的生物學(xué)過程。她的實驗室有部分人進(jìn)一步開發(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，使用他們開發(fā)的帶標(biāo)記的糖來做成像。

新的想法在做已有項目的過程中不斷冒出來。其中之一便是結(jié)核病（tuberculosis，TB）——當(dāng)時結(jié)核病致病菌的基因組剛剛完成測序，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。這件事說起來容易，但是研究結(jié)核需要P3實驗室，也就是生物安全防護(hù)要達(dá)到三級標(biāo)準(zhǔn)。可是Bertozzi當(dāng)時并沒有這么一個實驗室。多年后，Bertozzi接受采訪時說：“我當(dāng)時就是一個助理教授，預(yù)算緊，可是我又想：為什么不呢？既然我本科的時候能搞一個光聲量熱儀出來，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，然后大家開發(fā)了一套質(zhì)譜儀平臺，可以用它來進(jìn)行富集硫-34的重硫酸鹽標(biāo)記，以此來尋找這些酶可能涉及的代謝物。

弄清楚一種磺基糖脂（當(dāng)時認(rèn)為是一個毒力決定因素）的生物合成途徑后，他們想到，這個生物學(xué)過程可以應(yīng)用于成像。更令人興奮的是，成像工具可以檢測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，而且對于TB流行但醫(yī)療資源稀缺的地方更是能派上大用場。

“我們做了一個熒光標(biāo)記試劑，而且這跟項目現(xiàn)在得到了蓋茨基金會（Bill and Melinda Gates Foundation）的資助，用于現(xiàn)場快速診斷（point-of-care diagnostic）。要是這么多年以前，沒有那個學(xué)生自己勉強(qiáng)自己去做TB，我們現(xiàn)在還離這個目標(biāo)很遠(yuǎn)。路是我們在這十多年間，一個實驗一個實驗這樣鋪出來的?！?/p>

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），邀請她來工作。

Bertozzi看到了從頭開始為一項事業(yè)做出貢獻(xiàn)的機(jī)會?？蛇@時機(jī)不太對，因為她和伴侶快要有第三個孩子了。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)境中增長經(jīng)驗。這在伯克利不容易辦到，但是斯坦福有個醫(yī)學(xué)院，正好在加州Palo Alto，所以他們決定搬去。

另一個意料之外的研究方向幾乎同時出現(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打來電話。Wilsey的小女兒Grace確診了一種很罕見的遺傳?。核膬蓚€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，其作用是將折疊錯誤的糖蛋白上的糖基水解下來，以便蛋白質(zhì)部分進(jìn)入降解途徑。Wisley創(chuàng)建了一個非營利的科研基金會，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，但還沒有專注研究糖類的化學(xué)家。因為Bertozzi實驗室正好是做糖科學(xué)的，Wilsey便想請她來幫忙。

Bertozzi對N-聚糖酶缺失何以讓孩子生病還沒有足夠的理解，她猶豫要不要寫個研究計劃。當(dāng)時這個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，大家也沒有好的思路。

幾個月過后，又一巧合發(fā)生了。在一次會議上，Bertozzi碰見了加州理工大學(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，并沒有像預(yù)料中那樣積累無用的糖蛋白——沒有了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)界開始懷疑一些細(xì)胞里面有某種底物，人如果沒有患病，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)正好問對人了。幾年前，Deshaies研究過一個不尋常的轉(zhuǎn)錄因子，叫做Nrf1，并且他認(rèn)為去除N-聚糖對這個轉(zhuǎn)錄因子對激活很重要。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，會驅(qū)動蛋白酶體亞基基因的表達(dá)。Deshaies對Nrf1很感興趣，因為它可能參與了腫瘤細(xì)胞對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)這個建議，Bertozzi想到，N-聚糖酶將N-聚糖移除這一步對Nrf1的加工和激活來說，可能是重要的。那次會議剩下的時間里，Bertozzi都坐在后排搜索這個轉(zhuǎn)錄因子，閱讀其各種小鼠敲除模型的表型報告——這些小鼠根本上復(fù)制了人類的NGly1疾病的表型。她簡直難以相信——這個轉(zhuǎn)錄因子很有可能是最重要的底物！一回到斯坦福，她就寫了研究計劃。

接下來一年的工作證明這個推測完全正確——敲除該轉(zhuǎn)錄因子基因的小鼠和病人的細(xì)胞系都對蛋白酶體抑制劑很敏感。Bertozzi懷疑這個缺陷是NGly1病人一些神經(jīng)方面的癥狀的原因，因為沒有了Nrf1，他們的細(xì)胞無法應(yīng)對蛋白酶體不足的情況。大家知道，神經(jīng)元對蛋白降解與周轉(zhuǎn)方面的問題特別敏感。

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)不到一個月就實現(xiàn)了。這個項目起于一位病人和她的家人，現(xiàn)在是Bertozzi實驗室的代表性成果之一。”

創(chuàng)業(yè)嘗試

這次來到斯坦福的第一年，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（Eli Lilly and Company）董事會。2019年，風(fēng)投機(jī)構(gòu)Versant Ventures任命她為獨(dú)家顧問。

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

Bertozzi對熱門領(lǐng)域免疫腫瘤學(xué)（immuno-oncology）越來越感興趣，因為在這一領(lǐng)域中，糖基化對免疫調(diào)控和腫瘤微環(huán)境起著重要的作用。她說：“對糖科學(xué)家來說這是個好時代——生物學(xué)家用基于Crispr的基因組篩查發(fā)現(xiàn)了越來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，你會接到很多電話，都來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：“時時會有很多機(jī)會從你身邊掠過，幸運(yùn)的話你會發(fā)現(xiàn)其中那么幾個。我們也肯定錯過了好多，因為沒法都注意到，我們的‘帶寬’也就這么一點。但機(jī)會是時常有的，你若是注意到了，不妨上這趟車，看看它會帶你到哪里?！?/p>

編譯來源：

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

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