化学生物学初探——从“越来越生物”的诺贝尔化学奖说起

不知从何时起，经常看到关注科技新闻的网友们感叹“诺贝尔化学奖越来越生物了！”“众所周知诺贝尔化学奖除了化学家都可以得”“建议改名诺贝尔理综奖”。在2020年诺贝尔化学奖颁发给了CRISPR-Cas9基因组编辑技术的开发者之后，这样的声音愈发响亮。

其实有这样的想法也不奇怪，因为21世纪以来的诺贝尔化学奖中，确实有超过一半颁给了对重要生命科学问题的化学本质研究，或对生命科学问题研究十分重要的工具。

但生命都是由化学物质构成的，核酸、蛋白质、糖、脂类这些生物大分子，正是让生命正常运转的“细胞工厂”的重要“元件”。细胞中的生命活动以及疾病，都有其化学本质。想要研究和解决生命科学问题，自然可以使用化学方法，辅以物理、生物、计算机等交叉学科手段，这便是化学生物学。

那可能有人会问了，“我知道有个学科叫生物化学，那生物化学和化学生物学有啥区别呀？”一般认为，生物化学主要研究生物体内源的生物大分子和生化反应，而化学生物学主要使用外源的化学小分子工具去研究和解决生命科学问题，有时得到的生物成果也可以反哺化学研究。因此，化学生物学是一门交叉学科，它表明化学和生物学正在综合性发展，它们的一部分边界正在模糊。

那么，化学生物学都研究什么呢？

这就要从中心法则说起了。在高中生物课上，我们学过中心法则，包括DNA的复制，DNA转录成mRNA，mRNA在核糖体上翻译成蛋白质等等。

遗传信息是从DNA流向RNA再流向蛋白质的，那么直接改变基因的DNA序列就有可能给转录和翻译带来影响。说到这里，我们自然会想到获得2020年诺贝尔化学奖的CRISPR-Cas9基因（组）编辑技术。CRISPR-Cas系统是细菌免疫系统的关键部分，能够记录攻击过该细菌的病毒基因片段。当然编辑基因的方法还有不少，如果我们不想打开DNA双螺旋链，单碱基突变也是一种选择。但想要确定核酸序列是否发生改变，还得用到核酸测序技术（1980化学奖）。

那么，有没有办法不改变DNA序列，却引起可遗传的基因表达呢？那当然是有的。这个领域叫做表观遗传学，顾名思义是研究不改变核酸序列的细胞表型变化。最经典的例子，就是基因相同的蜜蜂幼虫，吃了蜂王浆就变成了蜂王，而没吃的成长为工蜂，其中原理便是蜂王浆诱导DNA甲基化。除此之外，改变组蛋白修饰等方法也能调节基因的表达（组蛋白就是和DNA一起组成染色质的蛋白质）。

核酸主导了遗传信息的传递，而蛋白质则承担了细胞生命活动的许多功能。1926年，詹姆斯·萨姆纳第一次揭示尿素酶是蛋白质并证明（大多数）酶是蛋白质（1946化学奖），而直到三十年后，弗雷德里克·桑格才第一次对胰岛素进行了测序（1958化学奖）。值得一提的是，桑格因蛋白质测序和核酸测序两次获得诺贝尔化学奖，是四位两获诺奖的科学家之一（另外三位是居里夫人、鲍林和巴丁）。之后发展的多肽固相合成技术（1984化学奖）更是能快速合成大量的蛋白质，让蛋白质研究者事半功倍。

随着生物大分子质谱的发展（2002化学奖），化学方法蛋白质测序逐渐退出历史舞台，科学家们可以更轻松的获得蛋白质信息，并逐渐将已获得的蛋白质信息筑成一个巨大的库。但仅仅知道蛋白质的序列信息是不够的，我们对它们的结构更加好奇。1958年，马克斯·佩鲁茨和约翰·肯特鲁使用X射线晶体学技术首次解析血红蛋白和肌红蛋白的结构（1962化学奖）。而如今，通过冷冻电镜技术（2017化学奖），我们可以看到分辨率更高的、精细到原子的蛋白质结构。

工具的不断升级，让科学家在面对科学难题时越来越有底气，细胞中重要蛋白的层层面纱正在被揭开，离子通道蛋白（2003化学奖）、G蛋白偶联受体（2012化学奖）乃至细胞中的蛋白质工厂核糖体的结构（2009化学奖）不再陌生。同时，细胞中的生命过程如泛素介导的蛋白降解（2004化学奖）也为更多人所了解。

在对蛋白质功能有所了解后，科学家们开始尝试改造它们，以增强蛋白质的功能甚至获得新功能。1961年，下村修发现了第一种天然的绿色荧光蛋白（GFP），后来钱永健对GFP进行了结构改造，让它发出更强的荧光，甚至不限于绿色（2008化学奖）。但通过人工设计改变蛋白的功能难度很大，为什么不试试像大自然一样随机突变加“人为的自然选择”，实现蛋白质的“进化”呢？弗朗西斯·阿诺德就是这么做的，通过易错PCR等方式在核酸序列中引入大量突变，再对突变体进行筛选，如此循环数次，最终获得符合需求的蛋白，这便是蛋白质的定向进化（2018化学奖）。

在生命科学问题不断被解决、生物学工具不断升级的同时，有机化学的发展对化学生物学也功不可没。

说到有机化学在化学生物学中的应用，最经典的莫过于生物正交反应。所谓正交，就是在与体系中其它组分互不干扰的同时，正交的两个组分可以特异性结合。想在生物体环境中实现一个反应快、选择性高的反应，谈何容易。但科学家们就是要挑战“不可能”。最早的生物正交反应是Staudinger Ligation，而目前最经典的生物正交反应莫过于2001年诺贝尔化学奖得主巴里·夏普勒斯（因手性催化获奖）开发的点击化学反应（Click Reaction）。这是叠氮与炔基成环的反应，有如点击鼠标按键一样迅速，所以得名“Click”。虽然作为催化剂的铜离子对生物体系有一定毒性，但这不妨碍Click反应和它的升级版在化学生物学研究中起到巨大作用。毫不夸张的说，生物正交反应支撑起化学生物学的半壁江山。

通过生物正交反应，我们可以给研究对象添加一个报告基团“标签”，以便于我们富集和分析。举个例子，我们知道细胞中蛋白质合成出来之后，有时还需要和小分子结合，或者连上几个糖和脂类，才能激活它的生物功能，这一过程叫做翻译后修饰。由于翻译后修饰不直接被基因编码，很长时间以来科学家们都难以对翻译后修饰深入研究。生物正交反应这一概念的提出者卡洛琳·贝尔托齐使用人工合成的含叠氮的非天然糖，成功在生命体内引入生物正交反应基团，再连接报告基团，便可以对其进行分析，并揭示它们在生命活动中扮演的角色。与非天然糖类似的还有非天然氨基酸，通过改造tRNA和tRNA合成酶，科学家们可以把具有特殊官能团引入蛋白质中，使得人为的翻译后修饰成为可能，也有机会改造蛋白质的功能，最终实现蛋白质工程。

说到用化学方法解决生命科学问题，我们应该会想到药物，而药物的发现与筛选也是化学生物学的一个研究重点。人类最早的药物是从大自然获取的草药，但直接从植物中提取活性成分含量少效率低，因此科学家们会筛选出大量有（潜在）药物活性的分子，并进行天然产物全合成，给后续研究者做好物质保障。但结构复杂的天然产物那么多，消耗大量人力物力合成出的分子仍是有限的。这时，科学家们便从大自然获得灵感：既然生物体内有合成这一物质的生物途径，那我们可不可以从这一途径中寻找催化关键反应的酶？毕竟酶可是选择性和效率都很高的催化剂了。在这一想法实现后，又有人提出将这些酶改造，让它们能催化更多类型的反应、更广泛的底物，并将其应用到有机合成中，以提高合成路线的效率和选择性，这便是化学酶法合成。

为了减少无效的合成工作，有很多科学家把目光投到了计算化学上。在亚利耶·瓦歇尔等化学家开创的模拟生物分子的关键模型（2017化学奖）的支持下，我们可以较好地预测蛋白质结构，并针对蛋白质的活性位点结构进行药物结构设计，少走了许多弯路。最近开发AlphaGo的公司DeepMind开发了新一代蛋白质结构预测系统AlphaFold，可以精确地基于氨基酸序列预测蛋白质结构，精度可以与冷冻电镜技术等解析的结构相媲美，这将给生命科学和医学带来新的突破口。

在研究药物的同时，化学生物学也关注着靶点蛋白。一种策略是基于活性的蛋白质组学（ABPP），通过可以和蛋白质活性中心的蛋白质残基共价结合的“活性分子探针（ABP）”，将报告基团引入靶点蛋白，就可以将其富集并分析。而随着天然产物分离和有机合成的发展，更多具有生物学活性的分子被发现，于是寻找这些活性分子的受体也成为研究热点。从小分子库中筛选出活性分子，再利用分子探针找到对应的靶点蛋白；或者在小分子库中通过高通量筛选找到能与感兴趣的蛋白结合的活性分子，再用这一化合物处理生物体观察表型的变化，便可将蛋白-生物学功能结合起来。这一过程类似于传统遗传学中研究基因突变对生物表现形式的影响，因此被称为化学遗传学。而支持化学遗传学的小分子化合物库，离不开组合化学和多样性导向合成这些快速合成结构多样的小分子的技术。

化学生物学也催生出一些有趣的药物设计策略。举个经典的例子，上文中说到泛素可以调控蛋白质的降解，这一过程最关键的步骤是在E3酶上给要降解的蛋白底物连接一个泛素蛋白。于是有科学家想到：能否设计一种药物，两端分别连接靶点蛋白和E3酶，拉近它们的距离以促进靶点蛋白的泛素化？这一想法的实现便是PROTAC（小分子水解靶向嵌合体），目前已有药物进入临床测试阶段。类似的药物设计策略还有ADC（抗体偶联药物）等，在此不再赘述。

总而言之，化学生物学是一门让化学（尤其是有机化学）更加“实用”的交叉学科。我们惊艳于天然产物全合成的路线之美，感叹有机化学几乎可以合成一切想要的分子，甚至称有机合成为“上帝之手”，但想象力终究是空虚的。化学生物学，是上帝之手向生命科学问题发起的挑战。知己知彼，百战不殆，化学生物学会将那些困扰人类的疑难杂症，连其分子机制的底裤都扒的一干二净，被不断更新迭代的药物打的落花流水。

我们对未来的想象力难免受当下知识水平的限制，而科学家就是知识荒原边界的开拓者。曾经我们幻想灵丹妙药，未来虽不会有包治百病的神药，但因人而异的精准医疗却有着巨大的发展潜力。虽然疾病永远会与人类共存，但它们带来的病痛会越来越有限。化学生物学，是一门给人类带来幸福的科学。

近年来蓬勃发展的化学生物学研究，未来会凝成教科书上浓墨重彩的一笔。那时我们也许会发现，困扰我们几十年上百年的难题，超乎我们想象力的重大突破，乃至近百年来科技的爆炸式发展，只不过是科技革命的短小序幕，而序幕还远非高潮。

（作者能力有限，欢迎各位专业人士交流讨论，感谢各位的批评指正和帮助！）