特写

化学研究路上的偶然与选择
谢应龙集化学与电算于一身

2021年2月

(Keith Hiro摄)

爱恩斯坦曾经说过:上帝不会掷骰子。他的意思是大自然自有其物理定律,任何事物的发生都不是偶然的。在分子化学的世界中,有一条定律叫「手性定律」。

教授两门本科物理化学课的中大化学系谢应龙教授,以人类的手掌作比喻:我们的左手与右手,虽然如镜子的两面非常相似,但无论怎样都不可能重叠在一起。同样地,很多可以出现生物作用的分子均属手性,包括天然的胺基酸(蛋白质的构成成分)与糖分子。分子的左右两半均有着共同的物理属性(如沸点),但对光及其他生物过程则会出现截然不同的反应。

图一:S-柠檬烯化合物与R-柠檬烯化合物

图一的两种化合物像一面镜子的两面,各有相同的原子,原子与原子之间的角度跟距离也一样,但它们不可以重叠在一起。左边的化合物S-柠檬烯给人柠檬的香气;右边的化合物R-柠檬烯则给人带来橙的香气。

谢教授从分子层面解释嗅觉的由来:「化学物与我们体内的神经接收器产生作用,向大脑输出信息,于是有了各种香气。至于产生何种作用,则要视乎化学物与接收器之间的手性是否吻合。」

谢教授再以一个锁与钥匙的比喻说明。每一条独特的钥匙,都可开到独特的锁,以取得特定的结果。S-柠檬烯的分子,就像一条独特的钥匙,在神经接收器开启出大脑对柠檬香气的信息。R-柠檬烯的分子则是另一把钥匙,开启出的是橙香气的信息。

图二:生物基质要按功能发挥作用,必需具有相应的对称性与酵素的主反应部分结合<br>
(图片来源:https://riasparklebiochemistry.wordpress.com/2013/03/31/reflection-14lock-key-vs-induced-fit-hypothesis/)

化学手性对药物的研发意义不言而喻。要达到想要的治疗效果,必须考虑到药物的分子手性,手性不对或不够,不单止药到病不除,甚至可能出现不良作用。

由于手性决定成效,所以化合物只有某一边或部分才对特定的化学效果有用,而另一边或其他部分则是没用或是有负面作用的。在药物的研发上,因而有必要把符合特定手性的部分分离出来。但现实是,由于化合物的化学结构非常接近,分离的过程相当艰钜。试想想,假设一对双胞胎的性别及外貌特征几乎一样的话,要分辨他们会是多麽困难的事。

由系主任杨英洋教授率领,谢教授及其他学者参与在内的中大化学系团队另辟蹊径,他们不靠掷骰子,而是尝试有针对性地合成单一手性的化合物,为此特别研发出一套制备新「卤代螺环化合物」的催化系统。

卤代螺环化合物是由一个原子连结两个分子组成的化学单位。这些单位是建构更大化学结构的基本单位,作用有如乐高积木一样。只要把一个卤素(属于元素周期表第17族的元素,较为人熟知的成员包括氯和碘)的原子加入一个卤代螺环化合物中,前者的活跃性便会如一把钩一般,把化合物连结上另外一些化合物,令化学家可以设计出不同的化学母题,从而构筑起结构庞杂的化合物。

图三:一个代表卤代螺环分子的简单图表

中大团队的新研发系统,是以催化剂改良卤代螺环化合物的生产过程,优胜之处是既可制造出卤代螺环,加入卤素原子,更可造出理想的手性,为新药的设计提供有力的新工具。团队的发现已经在权威科学期刊Nature Catalysis发表。

谢教授在团队中的角色是运算多于实验,他在美国陶森大学攻读计算机科学的经验令他的贡献举足轻重。不论在实验室还是在自然界,一个化学反应动辄牵涉天文数字的分子,数目轻易超过100,000,000,000,000,000,000,000。要把所有原子及分子都计算在内几乎是不可能的,而且也没绝对必要。一个实验成功与否,并不需要仔细掌握每一个分子所有部分的动态。

谢教授说:「不相关的,我们不需要透彻了解,甚至不用把它们计算在内。我们只需对研究系统需要何种程度的细节有个化学上的大概,以便集中心神在重要及可实际参详的部分上。」

利用化学系先进的计算设备,谢教授得以解决了深奥的量子力学程式,对研究的化合物的行为反应得出数值上的最佳估算,为新系统的开发提供了坚实的理论基础。

左起:谢应龙教授及杨英洋教授(Keith Hiro摄)

一路走来,谢教授好像众里寻他,得失难定,但他其实也不用掷骰子。他一直以来都知道自己想要想做的,而且莫离莫弃。当然,年轻人也会怀疑自己。他说:「和其他选读科学的香港学生一样,我也因为担心前途问题,所以在陶森大学念本科时不选基础科学而选了计算机科学,但由于真的钟情化学,所以一有机会便尽量修读化学的课。

「我修化学课取得不错成绩,而化学系也给予我不少机会。慢慢地我相信自己应该跟兴趣走。有了计算机科学与化学的训练,计算或理论化学很自然地成了我下一站的目标,我于是去了史丹福大学念理论化学博士,然后到芝加哥大学在这个领域进行博士后研究。」

谢教授在2015年来到中大任教,他的学生包括本科及研究院的。虽然他看不透学术潮流和就职趋势,但他还是相当关心学生的选择及发展。大自然的手性定律决定了分子在微观世界的轨迹,他相信在个人学术的茫茫客旅上,寻到水穷处亦自必有广阔天地。

文/tommycho@cuhkcontents