00802 點擊化學/生物正交化學（二）

生物正交化學

大約在點擊化學面世的同時，生物化學界正在搜索如何對活細胞中的生物分子進行成像和追蹤。柏托齊率先探索了使用施陶丁格連接（Staudinger ligation）反應將熒光探針嫁接到在細胞表面的聚糖分子上。該反應的原料是疊氮化合物和三苯基膦。可以在水中進行，並且不需要重金屬離子催化。但是這個反應比較慢，不適合實時標記和追蹤生物大分子。

點擊化學的誕生給這些研究帶來了新的活力。柏托齊的科學敏感告訴她，在修飾速度上，點擊化學是施陶丁格連接理想的替代品。柏托齊團隊使用CuAAC標記細胞膜上含有氨基葡萄糖的聚糖，從而實現了實時活細胞成像和追蹤。

但是CuAAC反應有一個明顯的缺陷：銅是重金屬，即使使用低濃度也會對細胞會產生毒性。這樣即使能夠標記，但是追蹤的都是病怏怏的細胞，得到的信息能準確嗎？於是，柏托齊團隊開始尋找不用銅催化的曡氮-炔環加成反應。他們發現，環辛炔和疊氮化合物無需催化劑也能在生理條件下發生環加成反應。這個升級版的曡氮-炔環加成反應既能提供相當高的效率，又消除了CuAAC的重金屬毒性，可謂是神來之筆。

但是柏托齊工作的衝擊力不僅限於標記、成像和追蹤。她的工作回答了生物化學中由來已久的一個重要問題：如何在生物體系中不幹擾生命過程的前提下，選擇性修飾一個生物大分子。其主要障礙之一就是研究者使用的修飾化學反應缺乏選擇性，即生物正交性。如果一個修飾化合物在遇到目標分子之前就被細胞內的其它分子消耗殆盡，還談什麽選擇性修飾？生物體做起這件事情來輕而易舉。比如，抗體和抗原之間的識別就是高度專一的。某一種抗體可能只針對某個病菌細胞壁上的一種多糖。一旦發現這種多糖，抗體會死死咬住並啓動免疫機制。但對結構高度相似但不完全相同的多糖，該抗體可能視若無睹。幾十年來科學界一直在試圖模仿這種專一性和正交性，雖離抗體-抗原之間的特異作用還相差很遠，但已經獲得了進展。

柏托齊的貢獻在於把點擊化學引入生物體系中，奠定了生物正交化學的基石。它和點擊反應不同的地方在於，後者更強調和生物系統的兼容性。比如細胞中不僅有水有氧，還有成千上萬種分子。生物正交反應除了具有點擊反應的部分特點，還必須滿足以下要求：

1. 靶向選擇性
2. 化學及生物化學惰性 （產物穩定，不會被細胞立即代謝）
3. 反應生物兼容性 （沒有細胞毒性）
4. 易於修飾 （比如添加熒光基團）

不使用金屬催化劑的曡氮-炔環加成反應具有良好的生物正交性。一方面，曡氮基團比較小、代謝穩定、有利於細胞攝取。細胞化學中不存在曡氮化物，所以曡氮基團沒有競爭性的生物副反應。炔烴稍大，但它也具有體內標記所需的穩定性和正交性。環辛炔（含8個碳原子）是最常用的炔烴供體，因為它是含炔烴的最小穩定環。在反應活性上，疊氮化物不是最快的。但綜合上述考慮，曡氮-炔環加成反應是目前生物正交反應中的首選。柏托齊首先嘗試的施陶丁格連接反應，目前已經很少使用了。

題圖：點擊化學反應還可用於製備聚合物。（來源：wikicommons，CC-BY-NA 4.0）

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