作者：石油醚

导读：

今年的诺贝尔化学奖于10月4日17点45分在瑞典首都斯德哥尔摩瑞典皇家科学院揭晓，诺贝尔奖委员会将今年的诺贝尔化学奖授予美国科学家Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus、Alexei I. Ekimov，获奖理由：因“发现和发展量子点”方面所做出的研究贡献（for the discovery and synthesis of quantum dots）” (图 1)。

图 1  2023年诺贝尔化学奖得主

获奖理由

量子点又称为半导体荧光纳米晶，主要是由II-VI族元素（如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等）和III-V族元素（如InP、InAs等）组 成的纳米颗粒，粒径一般小于20纳米。由于具有尺寸限域、量子限域、宏观量子隧道、表面等多个效应，展现出许多不同于宏观物质的光学及物理特性，因而在光学、电学、磁介质、催化、医药、生命科学、功能材料等领域具有极为广阔的应用前景。量子点由于电子-空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射不同波长的荧光，并具有独特优异的发光特性，因而成为新一代荧光材料(图2)。

图 2  2023年诺贝尔化学奖(图片来源于诺奖网站)

在 20 世纪 80 年代初，Alexei Ekimov 成功地在有色玻璃中创造了依赖尺寸的的量子效应。颜色来自氯化铜纳米颗粒，Alexei Ekimov证明颗粒大小可以通过量子效应影响玻璃的颜色。

几年后， Louis Brus成为世界上第一位证明流体中自由漂浮的粒子的尺寸依赖性量子效应的科学家。

1993 年，Moungi Bawendi 彻底改变了量子点的化学生产方式，产生了近乎完美的粒子。

现在，量子点照亮了基于 QLED 技术的计算机显示器和电视屏幕。 此外，其还为一些 LED 灯的光线增添了细微差别，生物化学家和医生使用它们来绘制生物组织图。

量子点正在为人类带来最大的福祉。目前，研究人员相信，未来它们可以为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信做出更大的贡献。

相关链接

Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2023

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译自Chem-Station网站日本版 原文链接：ケムステ版・ノーベル化学賞候補者リスト【2023年版】

翻译：炸鸡

本篇记事基于各方媒体的资料，汇总了有潜力获得诺贝尔化学奖的化学家们。

注：化学家们按领域分类，跨学科领域的化学家们被任意归到其中一个领域。

【有机化学】

1. 复杂有机化合物和天然化合物的合成： C. Nicolaou、Samuel J. Danishefsky、Steven V. Ley
2. 化学生物学和化学遗传学的发展：Stuart L. Schreiber 、Peter G. Schultz、Gerald Crabtree
3. 碳氢键活化催化剂的先驱研究：Shinji Murai、Robert G. Bergmann、John E. Bercow、Georgiy B. Shul‘pin
4. 稳定的卡宾：Anthony J. Arduengo, III、Guy Bertrand
5. 光还原催化剂的精密合成的应用: David W. C. MacMillan、Shunichi Fukuzumi
6. 不对称自催化反应的开发和开启对同手性起源的研究：Kenso Soai(硤合憲三)
7. 对多糖合成法的贡献：Chi-Huey Wong（翁启恵）
8. 自动DNA合成法的开发：Marvin H. Caruthers、Leroy Hood、Michael W. Hunkapillar
9. 离子液体的化学：John S. Wilkes、Hiroyuki Ohno（大野 弘幸）

【无机化学】

1. 对生物无机化学的贡献：Harry B. Gray、Stephen J. Lippard 
2. 胶体半导体纳米晶体（量子点）的发现：Louis E. Brus
3. 多相催化剂相关的基础研究: Jens K. Nørskov
4. 纳米结晶的合成和广泛应用：Moungi G. Bawendi、Christopher B. Murray、Taeghwan Hyeon

【分析化学】

1. 依靠激光化学光谱学的单一分子光谱学的开发：Richard N. Zare、Michel Orrit
2. 扫描电化学显微镜的开发和应用：Allen J. Bard 
3. 对利用固体NMR解释生命现象的贡献：Ad Bax、Alexander Pines
4. X射线结晶构造解析中标准软件的开发：George M. Sheldrick、Anthony L. Spek
5. 双光子激发显微镜的开发: Winfried Denk、James Strickler
6. 新一代DNA测序仪的开发：Shankar Balasubramanian、David Klenerman
7. DNA微阵列的发明和应用：Patrick O. Brown
8. DNA指纹技术/各种印迹法的开发：Alec J. Jeffreys、 Neal Burnette、George Stark、Edwin M. Southern
9. 基于无细胞胎儿DNA检测的产前诊断法：Dennis Yuk-ming Lo(卢煜明)
10. 单一分子的显微镜摄影：Eiichi Nakamura(中村 栄一), Leo Gross
11. 纳米孔DNA测序技术的开发: David Deamer、Daniel Branton、John J. Kasianowicz
12. 全基因组测序相关的技术开发： Craig Venter 、George M. Church、Francis Collins、Eric S. Lander
13. 有机晶体的绝对立体构型的相关研究：Leslie Leiserowitz、Meir Lahav

【生物化学·构造生物学】

1. 通过核内受体介导的激素作用的分子基础的阐明：Ronald M. Evans、Pierre Chambon、Bert W. O’malley
2. 真核生物的RNA聚合酶的鉴定：Robert G. Roeder
3. 表观遗传学过程的相关研究：Howard Ceder、Charles David Allis、Adrian P. Bird、Micheal Grunstein
4. 分子伴侣和蛋白质折叠的相关研究：Arthur L. Horwich、Franz-Ulrich Hartl、 John Ellis
5. 光遗传学的建立：Karl Deisseroth、Edward Boyden
6. 微小RNA的生理生化学：Victor R. Ambros 
7. 致突变性生物测定法的设计：Bruce N. Ames
8. 癌症基因的相关研究：Robert Weinberg、Bert Vogelstein
9. 细胞内异常蛋白质响应的发现: Peter Walter、Kazutoshi Mori（森 和俊）
10. 生物分子达的相关研究: Ronald Vale、Michael Sheetz 、James Spudich 
11. 提出了聚糖生物学化学聚糖生物学:Raymond  A. Dwek、Carolyn R. Bertozzi
12. 光合成系统巨大蛋白质复合体的结构分析：Nathan Nelson、Nobuo Kamiya(神谷信夫)、Jian-Ren Shen (沈建仁)
13. 酶相互作用驱动机制的研究：JoAnne Stubbe
14. 基因生物化学网络的相关研究：Stanislas Leibler
15. 与细胞内信号传导有关的新型脂质的发现：Lewis C. Cantley
16. 抗氧化自由基控制机制的研究：Barry Halliwell
17. 通过细胞间化学物质传导（群体感应）的基因控制研究：Bonnie L. Bassler、 Peter Greenberg

【物理化学】

1. DNA内电子电荷移动的开创性研究：Jacqueline K. Barton、Bernd Giese、Gary B. Schuster
2. 质子共轭电子转移（PCET）过程的研究:Thomas J. Mayer、Daniel G. Nocera
3. 分子电子学研究：James M. Tour

【超分子/高分子化学】

1. 原子移动自由基聚合法的开发：Krzysztof Matyjaszewski、Mitsuo Sawamoto(泽本 光男)
2. RAFT聚合法的开发：Graeme Moad、Ezio Rizzardo、San H. Thang（サン・タン）
3. 利用金属的均相聚合反应催化剂的开发：Tobin J. Marks、Walter Kaminsky, Maurice S. Brookhart
4. 用于高分子合成的不对称催化剂的开发：Kyoko Nozaki（野崎 京子）
5. 树状分子的发明与应用：Jean M. J. Frechet 、 Donald A. Tomalia、Takuzo Aida (相田卓三)
6. DNA纳米技术的开拓：Paul W. K. Rothemund
7. 螺旋高分子的研究：Yoshio Okamoto（岡本佳男）

【材料化学】

1. 多孔性金属-有机框架(MOF）的合成法和功能开拓：Susumu Kitagawa(北川 进)、Omar M. Yaghi、Michael O’Keeffe、Makoto Fujita（藤田 誠）
2. 介孔无机材料的合成与功能拓展：Charles T. Kresge、Ryong Ryoo、Galen D. Stucky、Shinji Inagaki　(稲垣伸二)、Kazuyuki Kuroda（黒田一幸）
3. 纳米线、纳米粒子等材料及其应用：Charles M. Lieber、 Paul Alivisatos
4. 碳纳米管的发现：Sumio Iijima(饭岛 澄男)、Morinobu Endo (远藤 守信)
5. 有机电致发光材料的开发：Ching W. Tang（刘 青云）、Steven Van Slyke 
6. 有机磁性材料的先驱性研究：Hiizu Iwamura（岩村 秀）
7. 超导材料的开发：Hideo Hosono （细野 秀雄）、Yoshinori Tokura（十仓 好紀）
8. 钕铁硼磁铁的开发：Masato Sagawa（佐川 真人）
9. 可穿戴的电子材料/设备研究：Zhenan Bao（鲍 哲南）

【能源化学】

1. 染料敏化太阳能电池“染料敏化太阳能电池”的发明：Michael Gratzel
2. 水的光分解催化剂的发现：Akira Fujishima(藤嶋 昭)
3. 扩展了frustrated Lewis pair化学的研究：Douglas W. Stephan
4. 钙钛矿型太阳能电池的开发与应用: Tsutomu Miyasaka(宮坂 力), Nam-Gyu Park, Henry J. Snaith
5. 高效硅太阳能器件的开发：Martin Green

【医药化学】

1. 高脂血症药物他汀类药物的发现：Akira Endo (远藤 章)
2. 组织工程的提出以及实用药物递送系统的开发：Robert S. Langer、Joseph Vacanti 
3. 对治疗AIDS贡献: Gero Hütter、Hiroaki Mitsuya（满屋裕明）
4. 癌细胞中的EPR效应的发现：Hiro Maeda（前田浩）、Yasuhiro Matsumura(松村保广)
5. mRNA疫苗的开发：Katalin Karikó、Drew Weissman

【理论・計算化学】

1. ab initio分子动力学法：Roberto Car, Michele Parrinello 
2. 利用计算机来辅助蛋白质功能的设计和构造预测：David Baker、Demis Hassabis
3. BLAST程序的开发：Stephen F. Altschul、David J. Lipman
4. ab initio量子化学计算的相关研究：Henry F. Schaefer, III
5. 溶液中有机分子计算化学的相关研究：William L. Jorgensen、Kendall N. Houk

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作者：石油醚 

导读：

今年的诺贝尔化学奖于10月5日17点45分在瑞典首都斯德哥尔摩瑞典皇家科学院揭晓，诺贝尔奖委员会将今年的诺贝尔化学奖授予美国科学家Carolyn R. Bertozzi、丹麦科学家Morten Meldal和美国科学家K. Barry Sharpless，获奖理由：因“发展点击化学和生物正交化学”所做出的研究贡献（for the development of click chemistry and bioorthogonal chemistry）”，旨在将困难的过程变得更加容易(图 1)。

图 1  2022年诺贝尔化学奖得主

• 获奖理由

长期以来，药物分子、先导物、候选药物、生物探针、应用材料及具有特殊功能的复杂分子引起了科学家们的广泛的研究兴趣，而其构建过程常因耗时以及昂贵的试剂等问题困扰着众多的科学家。今年的诺贝尔化学家得主们开发了一种旨在创造各种功能性分子的基础技术，将复杂分子的合成简单化，甚至可通过直接的路线来构建功能分子(图 2)。

图 2  2022年诺贝尔化学奖(图片来源于诺奖网站)

Morten Meldal和 K. Barry Sharpless开发了一种基础技术—点击化学(Click chemistry)，使得各种复杂功能性分子(药物候选化合物，生物探针，应用材料等)直接合成成为可能。Carolyn R. Bertozzi 将点击化学提升到了一个新的维度，将其用于生物体中来研究细胞表面的糖链，并在癌症，传染病，炎症性疾病等方面发挥着重要作用，并且着重阐些糖链在分子水平上的功能的化学生物学研究。

• 深度解析

大约在2000年，K. Barry Sharpless提出了 “点击化学(Click chemistry)”的概念，其点击按键一般简单迅速，通过高官能团选择性、高效的反应获得各种生物多样性分子，如药物候选化合物，生物探针，应用材料等。

不久之后，Morten Meldal和 K. Barry Sharpless二人独立的报道了如今的点击化学的皇冠上的明珠：铜催化叠氮化物与炔烃的环加成(图 3)。该方法是一种优雅而高效的化学反应，并在药物开发、DNA图谱绘制以及生物探针和其他功能材料的合成中得到了广泛的应用。

图 3  Click chemistry (图片来源于诺奖网站)

Carolyn R. Bertozzi 将点击化学提升到了一个新的维度，将其用于生物体中来研究细胞表面的糖链，并在癌症，传染病，炎症性疾病等方面发挥着重要作用 (图 4)，并且着重阐些糖链在分子水平上的功能的化学生物学研究。

图 4 生物正交化学的发展 (图片来源于诺奖网站)

点击化学和生物正交反应将化学带入了“功能主义”时代，并给人类带来了巨大的利益。

• 相关链接

化学空间诺贝尔化学奖得主预测【2022年度】

2021年诺贝尔化学奖 解读

迟到的诺贝尔奖——“基因魔剪”CRISPR技术 –2020诺贝尔化学奖解析

点击化学 / Click chemistry

点击化学（Huisgen Cycloaddition）

Morten Meldal

K. Barry Sharpless

Carolyn R. Bertozzi

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作者 石油醚

导读

今年的诺贝尔化学奖于10月6日17点45分在瑞典首都斯德哥尔摩瑞典皇家科学院揭晓，诺贝尔奖委员会将今年的诺贝尔化学奖授予德国科学家Benjamin List和美国科学家David W.C. MacMillan，获奖理由：因“在不对称有机催化方面的发展（for the development of asymmetric organocatalysis）”，他们开发的工具彻底改变了分子的结构。(图 1)。

图 1 2021年诺贝尔化学奖得主

获奖理由

众所周知，许多领域研究领域和工业都依赖于化学家构建分子的能力，这些分子可以形成弹性和耐用的材料，将能量储存在电池中或抑制疾病的进展。然而相关分子的构建就需要催化剂，催化剂是控制和加速反应的物质，其并不会成为最终产物的一部分。例如，汽车中的催化剂将废气中的有毒物质转化为无害分子。我们的身体也含有数以千计的酶形式的催化剂，它们构建了生命所必需的分子。综上，化学分子构建是一门很困难并且迷人的艺术，吸引了众多化学家们的眼球，其考虑如何高效快速便捷的构建分子。今年的诺贝尔化学奖得主就发展了一种绿色高效的催化剂去构建化学分子。

Benjamin List 和 David MacMillan 因开发出一种精确的分子构建新工具： “有机催化剂”并将其用于不对称催化领域而获得 2021 年诺贝尔化学奖。这对药物研究以及精细化学品产生了巨大影响，并且已经极大地造福于人类。”

深度解析

催化剂是科学家们武器库中最重要的武器之一。但研究人员长期以来一直认为，原则上只有两种催化剂可用：金属和酶。 Benjamin List 和 David MacMillan 被授予 2021 年诺贝尔化学奖，因为他们在 2000年独立开发了第三种催化剂，即：建立在有机小分子上的不对称有机催化剂。

有机催化剂具有一个稳定的碳原子框架，更活泼的化学基团可以附着在碳原子上。这些基团通常含有氧、氮、硫或磷等常见元素。这意味着该类催化剂既环保且成本低廉。有机催化剂应用领域的迅速扩展主要是该类催化剂能够在不对称领域很好的应用，并且对药物研究以及精细化学品的产生了巨大影响。自 2000 年以来，有机催化以惊人的速度发展。Benjamin List 和 David MacMillan 仍然是该领域的领导者，并表明有机催化剂可用于驱动多种化学反应。利用这些反应，研究人员现在可以更有效地构建从新药物到可以在太阳能电池中捕获光子的多种物质。通过这种方式，有机催化剂正在为人类带来最大的好处。

酶由数百种氨基酸组成，但通常只有少数氨基酸参与化学反应，来构建我们身体中重要的分子。 Benjamin List 教授开始怀疑是否真的需要整个酶才能催化一个化学反应呢？上个世纪70年代，众多化学家使用脯氨酸作为催化剂进行了大量的研究。基于此，Benjamin List 教授测试了脯氨酸¹催化羟醛缩合反应(Aldol Reaction)(图 2和图3)，就是这个简单的尝试，证明了脯氨酸是一种高效的催化剂，提出了「有机催化剂」概念，已成为有机催化领域的鼻祖。

图 2 Benjamin List的设计理念

图 3 脯氨酸催化的Aldol反应

金属催化剂很容易被水分以及其他因素破坏。David MacMillan基于这样一个出发点思考，是否有可能开发一种简单、廉价且环保催化剂去驱动不对称反应。基于此想法，David MacMillan教授设计并制备了一种有机催化剂²，其二级胺部位与底物反应形成亲电性高的亚胺中间体，极大地催化狄尔斯-阿尔德反应的能力(图 4和图5)。David MacMillan 创制出“有机催化”一词，并提出一种全新的有机催化机理——亚胺活化。

图 4 David MacMillan的设计理念

图 5 狄尔斯-阿尔德反应

Benjamin List 和 David MacMillan各自独立地发现了一个全新的催化概念。自2000年以来，可以将该领域比作“淘金热”，一大批的研究及其应用被科学家们发现，对药物以及精细化学品行业 产生了巨大的影响。因此，有机催化剂现在正给人类带来最大的好处。

参考文献

• 1 B. List; R. A. Lerner; C. F. Barbas, J. Am. Chem. Soc. 2000,122, 2395, doi:10.1021/ja994280y.
• 2 K. A. Ahrendt; C. J. Borths; D. W. C. MacMillan, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4243, doi:10.1021/ja000092s.

Benjamin List，1968年1月11日，出生于德国法兰克福，是德国著名有机化学家，曾任德国Max-Planck煤化学研究所所长。2021诺贝尔化学奖获得者。

科研经历

• 1993 柏林自由大学 本科
• 1997 法兰克福大学 博士（J. Mulzer教授）
• 1997-1998 Scripps研究所 博士研究员
• 1999-2003 Scripps研究所 助教授
• 2003-2005 Max-Planck煤化学研究所 Group Leader
• 2005-2012 Max-Planck煤化学研究所 Director
• 2012-2014 现在 Max-Planck煤化学研究所 Managing Director
• 2004年 Cologne大学 荣誉教授。

获奖经历

• 2022 Herbert C. Brown Award 2022 for Creative Reasearch in Synthetic Methodes
• 2021 Nobel Prize in Chemistry
• 2021 TCR Lecture,100th CSJ Annual Meeting, Japan
• 2019 Web of Science Citation Laureate in Chemistry
• 2019 Herbert C. Brown Lecture, Purdue University, Indiana, USA
• 2018 Member of the German National Academy of Science Leopoldina
• 2017 Prof. U. R. Ghatak Endowment Lecture, Kolkata, India
• 2017 Ta-shue Chou Lectureship, Institute of Chemistry, Academia Sinica, Taipei, Taiwan
• 2016 Gottfried Wilhelm Leibniz-Prize
• 2015 Carl Shipp Marvel Lectures, University of Illinois at Urbana-Champaign, USA
• 2014 Thomson Reuters Highly Cited Researcher
• 2014 Cope Scholar Award, USA
• 2013 Ruhrpreis, Mülheim, Germany
• 2013 Mukaiyama Award 2013
• 2013 Horst-Pracejus-Preis
• 2012 Otto-Bayer-Preis
• 2012 Novartis Chemistry Lectureship Award
• 2011 Boehringer-Ingelheim Lectureship, Harvard University, USA
• 2011 ERC Advanced Grant
• 2009 Thomson Reuters Citation Laureate
• 2009 Organic Reactions Lectureship, USA
• 2009 Boehringer-Ingelheim Lectureship, Canada
• 2008 Visiting Professor at Sungkyunkwan University, Korea
• 2007 AstraZeneca Award in Organic Chemistry
• 2007 OBC-Lecture Award
• 2007 Award of the Fonds der Chemischen Industrie
• 2006 JSPS Fellowship Award of Japan
• 2005 Novartis Young Investigator Award
• 2005 AstraZeneca European Lectureship, the Society of Synthetic Chemistry, Japan
• 2005 Lectureship Award
• 2004 Lieseberg-Price of the University of Heidelberg
• 2004 Lecturer’s Award of the Fonds der Chemischen Industrie
• 2004 Degussa Price for Chiral Chemistry
• 2003 Carl-Duisberg-Memorial Award of the German Chemical Society
• 2000 Synthesis-Synlett Journal Award,
• 1997 Feodor-Lynen Fellowship of the Alexander von Humboldt Foundation
• 1994 NaFoG-Award from the City of Berlin

研究概要

利用有机催化剂开发新型合成方法

2000年，Barbas, Lerner等开发了脯氨酸催化的不对称Adol反应[1]、提出了「有机催化剂」概念，已成为有机催化领域的鼻祖。

开发了利用手性布朗斯特酸的反应，以及利用它们作为手性抗衡离子的Lewis酸催化剂的反应研究。尽管自 Akiyama-Terada催化剂开始，手性磷酸催化剂被广泛用于各种不对称反应，但List开发了具有较高酸度的二磺酰亚胺Disulfonimide (DSI) [4] 和具有二聚结构的亚氨基二磷酸酯Imidodiphosphate（IDP）[6] 以及这两者的组合氨基二磷 Imidodiphosphrimidate (IDPi) ) [8] 等新的催化剂及其催化的一系列新反应。

评论和其他

1. 汤森路透社调查显示、2001-2010的化学领域论文引用排行为世界第11位。

相关文献

1. List, B.; Lerner, L. A.; Barbas, C. F., III  J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2395. DOI: 10.1021/ja994280y
2. Houk, K. N.; List, B. Acc. Chem. Res 2004, 37, 487. DOI: 10.1021/ar040216w
3. Yang, J. W.; Chandler, C.; Stadler, M.; Kampen, D.; List, B. Nature 2008, 452, 453. DOI: 10.1038/nature06740
4. P. García-García, F. Lay, P. García-García, C. Rabalakos, B. List, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 4363. DOI: 10.1002/anie.200901768
5. Michrowska, A.; List, B. Nature Chem. 2009, 1, 225. DOI: 10.1038/nchem.215
6. Čorić, I.; List, B. Nature 2012, 483, 315. DOI: 10.1038/nature10932
7. Lee, J.-W.; Mayer-Gall, T.; Opwis, K.; Song, C. E.; Gutmann, J. S.; List, B. Science2013, 341, 1225. DOI: 10.1126/science.1242196
8. P. S. J. Kaib, L. Schreyer, S. Lee, R. Properzi, B. List, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13200. DOI: 10.1002/anie.201607828
9. N. Tsuji, J. L. Kennemur, T. Buyck, S. Lee, S. Prévost, P. S. J. Kaib, D. Bykov, C. Farès, B. List, Science 2018, 359, 1501. DOI: 10.1126/science.aaq0445

相关链接

• Interview: Benjamin List（Science Watch）
• 林雄二郎 vs Benjamin List（気ままに有機化学）

本文作者：海猫

导言

2020年的诺贝尔化学奖颁发给了第三代基因编辑技术－CRISPR/Cas9的发现者：Jennifer A.Doudna和Emmanulle Charpentier。作为一个2012年才初次见刊的新兴技术，它何以有如此大的影响力和魔力呢？它的原理和历史是什么？它又有着怎样的应用和未来呢？在本篇文章中，你将能看到该技术的详细介绍与展望。

正文

随着2020年诺贝尔化学奖的公布，“基因编辑”这个词又一次的在各个社交媒体上刷屏了。而对于大部分人来说，这个词并不算陌生。2018年11月，来自南方科技大学的一名副教授贺建奎对婴儿进行基因编辑而在网络上引起了轩然大波，从而激起了很多人对这项技术本身的好奇：基因编辑的原理是什么？它是潘多拉魔盒吗？它在什么规范内使用是正当的，为人类有益的？

诺贝尔化学奖得主：Jennifer A.Doudna和Emmanuelle Charpentier的合影

基因编辑，是一种可以瞄准某个特定基因，以高准确率来破坏或改变目标DNA的技术。从某种意义上来说，它是一项可以进行品种改良的技术。从远古时期开始，人类就在有意识或无意识的进行品种改良，诸如驯化动植物以强化它们对人类有利的特征。这一改良主要是通过依靠自然突变与重复交配，在较长的时间内来使动植物发展出更贴近人类需要的性征。为了加快它的速度，研究者们使用化学或者物理辐射等方式人工促进突变。这种方法虽然可以在短时间内产生大量多样的基因突变（图 1），但是本质上还是等待偶然符合预期的突变，再想办法将其重复交配保留，仍需要耗费较长的时间。

图 1 基因突变示意图

如何更有针对性的去做这样的事情呢？相信“基因重组”这个概念大家一定都不陌生。基因重组（图 2）的定义是“从生物细胞中提取具备有用性状的基因，组合到植物等生物的细胞基因中去，令其获得新的性状。”出现于20世纪70年代的这个技术已经取得了诸多成果，例如在将人胰岛素的基因组合到大肠杆菌中以在大肠杆菌中制造出人胰岛素，或将玫瑰的基因与三色堇生成蓝色素的基因进行融合制造出蓝玫瑰等等。但是基因的融合也是一件较为困难的事情，很有可能无法瞄准插入点导致插到错的地方或者插不进去等等，同样只能重复插入的操作，从中挑选出恰好符合预期的插入结果。

图 2 基因重组技术示意图

而“基因编辑”是一个能让基因重组这一过程精准完成的技术，它可以切开基因所瞄准的位点，使其失去功能；然后将所需的基因插入这个位点；被切断的基因会尝试进行修复，从而与新基因融合到一起，使它成功的插入进去，从而使生物体较快的发展出符合期望的性状。
基因编辑技术的开发要点在于，如何准确的击中想要操作的基因。第一代基因编辑技术使用的是一种核酸酶ZFN（zinc finger nuclease，锌指核酸酶），它由三个锌指蛋白单元（DNA识别域）和一个非特异性核酸内切酶组成。当识别域与目标基因相结合时，该内切酶就能将基因切断，从而使目标基因丧失作用。锌指蛋白对碱基的识别以1-3个为一组，对于特定的碱基序列需要选择与其相对应的锌指来进行排列，并且有时候单纯的依靠排序还是难以识别，且具有一定的细胞毒性，等等。于2010年左右出现的第二代基因编辑技术TALEN（transcription activator-like effector nuclease，转录激活因子样效应物核酸酶）技术则实现了更大的突破。TALEN技术利用了一种植物病原菌黄单胞菌自然分泌的蛋白TALEs（transcription activator-like effectors，转录激活因子样效应物），它们可以特异性识别某个碱基对，从而可以设计一串TALEs以结合任何一段序列。将一串TALEs与核酸内切酶结合，即可准确的读取基因序列并切断目标位点（图 3 ）。

图 3 三代基因编辑技术：ZFN，TALEN与CRISPR/Cas9示意图

前两代基因编辑技术都是基于蛋白质作为向导的，操作过程较为复杂，而第三代基因编辑技术——CRISPR/Cas9则与它们有着根本性的不同。它使用RNA作为向导（图3），操作过程较为简单，因此得以迅速普及。CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeat，成簇的规律间隔短回文重复序列）常见于细菌与原核生物体内，是一系列具有独特序列间隔所区分开的短回文重复DNA序列组。它是一种细菌对噬菌体的适应性免疫机制，通过将过往的噬菌体感染的记忆存储为在CRISPR阵列中的间隔DNA序列，这样它们就可以在之后被感染的时候利用这些信息来辨认并摧毁相同的入侵噬菌体。
对CRISPR系统的早期研究聚焦在大肠杆菌和绿脓杆菌的免疫系统上，而2011年于波多黎各举行的一个研讨会上，两位本次诺奖得主的会面则改变了它的命运。来自于默奥大学的Emmanuelle Charpentier希望可以搞清楚化脓性链球菌中II型CRISPR系统是如何剪掉病毒DNA的，并希望与来自加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna共同合作，探究Cas9蛋白。经过了他们的数次实验，一个具有Cas9蛋白、CRISPR RNA与tracrRNA的体系成功的将目标DNA切开了。而这体系并不会像消灭噬菌体一样来摧毁动植物等生物，因为细胞能够通过一套复杂的DNA修复系统来对损毁的DNA进行修复。为了降低系统的复杂度，研究人员使用头尾相接的办法将CRISPR RNA与tracrRNA组合成一个引导RNA，然后他们证明了这个单一的引导RNA分子仍然能够引导Cas9去切割相匹配的DNA序列。来自全球各地的研究者开始了对CRISPR技术的探索与拓展，其中就有一位来自麻省理工学院的华人科学家张锋博士。张锋研究组确认了CRISPR/Cas9亦可应用于人类和动物细胞，并对其进行了进一步改良，充分展示了它在技术层面的巨大潜力。距离CRISPR/Cas9技术初次见刊的2012年（图 4），到它获此殊荣的2020年，仅仅过去了8年，可见它真的是一个划时代的技术。

图 4 2012年初次报道在Science上的CRISPR/Cas9文献封面

诚然，基因编辑可以在很多的领域造福人类。例如，基因组编辑可以对人类解决食物来源问题提供一个新的选项，通过快捷的对动物进行品种改良，可以提高全球食物的产出；或者通过基因编辑令藻类制造淀粉的功能失效，从而增加其产生油脂的量，成为一种新的生物能源，等等。对一些疾病，诸如HIV、某些遗传病等的治疗，研究者们也都在不断的取得成果。然而作为一项简单的工具，它也存在被滥用的风险。例如有研究报道，通过对高致病性禽流感病毒“H5N1”的某个基因位点进行修改，可导致其获得感染哺乳动物的能力，从而可以作为一种生物武器。即使基因编辑是精准的进行改变，不会像转基因作物一样留下痕迹，如何将基因编辑技术普及给大众，让他们接受基因编辑后的动植物；或者如何有效的进行监管，使研究者在伦理允许的范围内进行研究，这些问题仍需要被有力的解决，并与大众进行共享。
至于对基因编辑婴儿类似的事情是否会成为未来的担心，我想有一句话可以很好的阐述这一点：“基因是来自人类祖先的宝贵遗产，比起因为在当今社会的生活有所不便就拒绝将其遗传给下一代，我们更应该做的，是创造出能坦然接受这些不便的社会。”希望这个神奇的“基因魔剪”技术可以在之后为人类谋更多的福祉，创造出更多生命的可能性——在这项技术创造的海洋中，属于广大研究者的探险已经势如破竹了。

参考文献

瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）在10月3日、将2018年的诺贝尔化学奖（Nobel Prize in Chemistry）、颁发给了美国科学家Frances H. Arnold (酶的定向进化)、另一位美国科学家George P. Smith、英国科学家 Gregory P. Winter (肽类和抗体的噬菌体展示技术)。

今年诺贝尔化学奖的主题是蛋白质的进化！。

Frances Arnold (随机突变对酶的定向进化)
George Smith (噬菌体展示法的开发)
Gregory Winter (噬菌体展示在药物发现中的应用)

以上3名“化学家”获得了今年的诺贝尔化学奖！

酶的定向进化法

Frances Arnold教授は、在酶的DNA中引入随机突变，然后讲突变的DNA导入大肠菌中表达为突变酶。用此方法发现了多种突变酶，并且通过操控具有所需活性的蛋白酶，“借助进化的力量”合成所需酶。
这种被称为指向进化的方法受到业内高度赞赏，因为它是一种可以最大限度地减少有害物质使用的技术。同时，这是一个完全类似于生命进化的过程，因此在用于观察进化过程这一个点上也是非常有趣的。
这种方法可以高效的产生功能修饰的蛋白质、通过指向进化法生产出的”超级酶”、已经应用在了生物燃料与药品的生产中。

蛋白质的进化

本次诺贝尔化学奖的大主题是「蛋白质的进化」。与Francis教授的指向进化相比，从不同的角度对「蛋白质的进化」进行研究的另外两位科学家也同时获此殊荣。

而这两位科学家的研究主题是噬菌体展示技术（Phage Display）。简而言之，它是“通过借用病毒的生化机制模拟自然选择过程的方法，快速发现“粘附”于药物靶标的蛋白质的方法”。

获奖者之一的George P. Smith教授、研究方向集中在噬菌体表面的多肽链。通过导入外源基因使得序列多样化，首先制备一个噬菌体库。然后从这些噬菌体库中，将可以与抗体（特定靶分子）结合的含有特定多肽序列的噬菌体“抽出”。也就是说通过这个方法可以找到「能与特定蛋白质结合的多肽及其编码基因」（1985年[1]）。

然而，方法确实已经确立了，也知道其有这样一个作用。但是如何将基础技术改良，应用到实际中来，这就是另一位获奖者Gregory P. Winter教授的贡献，将噬菌体展示

抗体药物的基本思想是“使用体内制造的巨大蛋白质=抗体 作为药物使用”。但是通过动物的免疫应答产生抗体，然后筛选出最佳抗体的话，需要花费大量的时间与金钱，要实现大规模应用闲的不切实际。

Winter教授、开发出了运用噬菌体展示技术在体外试管内就能够简便进行的抗体医药探索法(1990年[2])。

方法如下图所示。首先，将抗体结合位点的序列基因（Y字母的末尾）整合到噬菌体DNA中以制备各种抗体结合噬菌体库、继而筛选出能够与医药靶点作用的。到此为止，是将Smith教授的研究应用到抗体中，除此之外，后续工作还包括在进化论中经常提到的“突变引入”→“自然选择”的过程。通过这个筛选的多次循环，直到留下那个与医药靶点结合性最强的抗体序列。

基于该手法，第一个上市的单抗药物是抗风湿抗体药物（adalimumab）（2002年）。凭借这一开创性的成果，使用噬菌体展示技术的抗体药物的开发已经在全世界范围内展开。

除此之外，Winter教授还开发了当代医学发展不可或缺的技术，例如建立可以抑制抗体药物免疫原性的人源化抗体生产方法，以及通过化学修饰“制备噬菌体展示肽的特殊肽”技术。

相关文献

1. “Filamentous fusion phage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virion surface.” Smith, G. P. Science 1985, 228, 1315-1317. DOI: 10.1126/science.4001944
2. “Phage antibodies: filamentous phage displaying antibody variable domains.” McCafferty, J.; Griffiths, A. D.; Winter, G.; Chiswell, D. J. Nature 1990, 348, 552-554. doi:10.1038/348552a0

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又将要一年一度的十月国庆黄金周，大家已经开起了旅游休假模式，刚好也能关注一下诺贝尔奖，

一如既往，在这里，我们list up了「未来有希望获得诺贝尔化学奖的化学家们」。

排序是按学术领域分类进行。仅作参考

【有机化学】

1. enamine型有机不对称催化反应的发展：　Benjamin List 、David W. C. MacMillan
2. 复杂有机物与天然产物合成相关的研究：　K. C. Nicolaou、Samuel J. Danishefsky、Steven V. Ley、Yoshito Kishi、David A. Evans
3. 化学生物学及化学遗传学的发展： Stuart L. Schreiber 、Peter G. Schultz 、Gerald Crabtree
4. 生物有机化学・仿生化学领域的贡献：　Albert Eschenmoser、Koji Nakanishi
5. 点击化学的提出与应用：K. Barry Sharpless 、M.G.Finn 、Varely V. Fokin 、Rolf Huisgen, Carolyn R. Bertozzi
6. C-H键活化催化的先驱研究： Shinji Murai (村井眞二)、Robert G. Bergmann、John E. Bercow、Georgiy B. Shul‘pin
7. 卡宾化学：Anthony J. Ardungo, III、Guy Bertrand
8. 碳-碳键形成中不对称催化剂的开发及其医药合成中的应用：Masakatsu Shibasaki（柴崎　正勝）、Barry M. Trost、Eric N. Jacobsen
9. 选择性的Adol反应的开发与应用: Teruaki Mukaiyama (向山 光昭)、David A. Evans 、Masakatsu Shibasaki（柴崎　正勝）
10. 光red-ox催化剂在有机合成中的应用: David W. C. MacMillan
11. 不对称自催化反应的开发与homoChirality的起源：Kenso Soai (硤合憲三)
12. 多糖合成法中的贡献：Chi-Huey Wong （翁啓恵）
13. 自动DNA合成法的开发：Marvin H. Caruthers、 Leroy Hood

【无机化学】

1. 生物无机化学中的贡献： Harry B. Gray 、Stephen J. Lippard 、Richard H. Holm
2. 金纳米粒子的催化效果的发现：Masatake Haruta (春田 正毅)
3. 胶体状半导体纳米结晶(量子点)的发现： Louis E. Brus
4. 非均相催化剂的基础研究: Jens K. Nørskov

【分析化学】

1. 由激光学・分光学开发的分子分光法研究：　Richard N. Zare  、Michel Orrit
2. 扫描电化学显微镜的开发及应用：  Allen J. Bard 
3. 利用固体NMR对生物现象解析的贡献：Ad Bax、Alexander Pines
4. X射线晶体结构解析的标准软件开发：George M. Sheldrick、Anthony L. Spek
5. 双光子激发显微镜的开发: Watt W. Webb, Winfried Denk, James Strickler
6. 下一代DNA序列的开发： Shankar Balasubramanian、David Klenerman
7. DNA基因芯片的发明与应用：　Patrick O. Brow
8. DNA指纹/各类印迹法的开发 ： Alec J. Jeffreys、W. Neal Burnette、George Stark、Edwin M. Southern
9. 通过无细胞胎儿DNA的检测确立生前诊断法： Dennis Yuk-ming Lo (盧 煜明)
10. 单个分子的电子显微镜图像的拍摄：Eiichi Nakamura (中村 栄一)

【生物化学】

1. 通过核内受体从分子水平阐明激素作用：　Ronald M. Evans 、Pierre Chambon、Bert W. O’malley
2. 真核生物的RNA聚合酶的鉴定：　Robert G. Roeder
3. 表观遗传学过程相关研究：  Howard Ceder、Charles David Allis、Adrian P. Bird、Aharon Razin
4. 分子伴侣蛋白与蛋白质折叠相关的研究： Arthur L. Horwich、Franz-Ulrich Hartl 、R. John Ellis
5. 光遗传学的建立：Karl Deisseroth、Edward Boyden
6. 基因组解析相关的技术开发： J. Craig Venter 、George M. Church 、Francis Collins、Eric S. Lander
7. micro RNA的生理化学：Victor R. Ambros 
8. 诱变生物测定的开发：Bruce N. Ames
9. 癌症遗传因子的相关研究： Robert Weinberg、Bert Vogelstein
10. 基因组编辑技术： Jennifer A. Doudna、 Emmanuel Charpentier、Feng Zhang（张锋）、Yoshizumi Ishino、George M. Church
11. 细胞内异常蛋白质反应的发现: Peter Walter、 Kazutoshi Mori
12. T細胞受体相关的研究: James P. Allison, Ellis L. Reinherz, John W. Kappler, Philippa Marrack
13. 生物分子马达相关的研究: Ronald Vale, Michael Sheetz, James Spudich
14. 糖链生物学・化学糖链生物学的提出:　Raymond  A. Dwek、Carolyn R. Bertozzi
15. 光合成系大型复杂蛋白质的结构解析： Nathan Nelson、Nobuo Kamiya、Jian-Ren Shen （沈 建仁）
16. 酶相互作用・驱动机理相关研究：JoAnne Stubbe

【物理化学】

1. DNA内的电子电荷移动相关的先驱研究：　Jacqueline K. Barton、Bernd Giese、Gary B. Schuster
2. 质子共轭型电子转移（PCET）过程的研究： Thomas J. Mayer

【超分子/高分子化学】

1. 原子转移聚合法的开发： Krzysztof Matyjaszewski、Mitsuo Sawamoto (澤本 光男)
2. RAFT聚合法的开发：Graeme Moad、Ezio Rizzardo、San H. Thang
3. 金属均相复合催化剂： Tobin J. Marks , Walter Kaminsky, Maurice S. Brookhart
4. 高分子合成用不对称催化剂的开发： Kyoko Nozaki （野崎 京子）
5. 树枝状聚合物的发明与应用： Jean M. J. Frechet 、 Donald A. Tomalia、 Fritz Vögtle、Takuzo Aida (相田卓三)
6. DNA纳米技术的拓展： Nadrian C. Seeman、Paul W. K. Rothemund

【材料化学】

1. 有机金属框架材料(MOF)的合成法以及机能拓展： Susumu Kitagawa (北川 進)、Omar M. Yaghi、Michael O’Keeffe 、Makoto Fujita（藤田 誠）
2. 介孔无机材料的合成以及功能拓展： Charles T. Kresge 、Ryong Ryoo、Galen D. Stucky 、Shinji Inagaki　(稲垣伸二)、Kazuyuki Kuroda（黒田一幸）
3. 纳米导线、纳米粒子等材料及其应用： Charles M. Lieber 、A. Paul Alivisatos
4. 碳纳米管的发现：Sumio Iijima (飯島 澄男)、Morinobu Endo (遠藤 守信)
5. 有机光电材料的开发：　Ching W. Tang（鄧 青雲）、Steven Van Slyke 
6. 有机磁性材料相关的先驱性研究：Hiizu Iwamura（岩村 秀）
7. 超导体材料的研发：Hideo Hosono （細野 秀雄）、Yoshinori Tokura（十倉 好紀）
8. 钕磁铁的发展：Masato Sagawa （佐川眞人）

【能源化学】

1. 染料敏化电池「格莱才尔电池」的发明：　Michael Gratzel
2. 水的光分解催化剂的发现：　Akira Fujishima (藤嶋 昭)
3. 锂离子二次电池相关的先驱性研究及其开发：　John B. Goodenough 、M, Stanley Whittingham、Akira Yoshino (吉野 彰)、Koichi Mizushima (水島 公一)
4. Frustrated・Lewis pair化学的开拓：Douglas W. Stephan
5. 钙钛矿型太阳能电池的开发与应用: Tsutomu Miyasaka (宮坂 力), Nam-Gyu Park, Henry J. Snaith

【医药化学】

1. 高脂血症药・他汀类药物的研发：　Akira Endo (遠藤 章)
2. 组织工学的提出・实用的药物输送系统的开发： Robert S. Langer 、Joseph Vacanti 
3. AIDS艾滋病治疗研究中的贡献: Gero Hütter、Hiroaki Mitsuya（満屋裕明）
4. 癌症组织的EPR效果的发现：Hiro Maeda（前田浩）、Yasuhiro Matsumura (松村保広)
5. 人源化抗体药物制备方法的开发：Gregory P. Winter

【理论・计算化学】

1. ab initio分子动力学法：Roberto Car, Michele Parrinello 
2. 通过计算机设计蛋白质功能的研究：David Baker
3. BLAST-Program的开发：Stephen F. Altschul、David J. Lipman

好了，这么多化学家小编我也是眼花缭乱了，不知道Chem-Station罗列的以上化学家，在今年揭晓的化学奖中，到底有没有呢，我们拭目以待吧！

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从各大媒体收集的情报（请戳我），在这里小编列出了「未来可能获得诺贝尔化学奖的化学家名单」。

以下名单根据研究领域归类划分。仅作为诺贝尔奖化学奖预测的参考。

【有机化学】

1. enamine型有机不对称催化反应的发展：　Benjamin List 、David W. C. MacMillan、Gilbert Stork
2. 复杂有机物与天然产物合成相关的研究：　K. C. Nicolaou、Samuel J. Danishefsky、Steven V. Ley、Yoshito Kishi、David A. Evans
3. 化学生物学及化学遗传学的发展： Stuart L. Schreiber 、Peter G. Schultz 、Gerald Crabtree
4. 生物有机化学・生体模拟化学领域的贡献：　Ronald Breslow、Albert Eschenmoser、Koji Nakanishi
5. 点击化学的提出与应用：K. Barry Sharpless 、M.G.Finn 、Varely V. Fokin 、Rolf Huisgen, Carolyn R. Bertozzi
6. C-H键活化催化的先驱研究： Shinji Murai (村井眞二)、Robert G. Bergmann、John E. Bercow、Georgiy B. Shul‘pin
7. 稳定卡宾的化学：Anthony J. Ardungo, III、Guy Bertrand、Ronald Breslow
8. 碳-碳键形成中不对称催化剂的开发及其医药合成中的应用：Masakatsu Shibasaki（柴崎　正勝）、Barry M. Trost、Eric N. Jacobsen
9. 选择性的Adol反应的开发与应用: Gilbert Stork、 Teruaki Mukaiyama (向山 光昭)、David A. Evans 、Masakatsu Shibasaki（柴崎　正勝）
10. 光red-ox催化剂在有机合成中的应用: David W. C. MacMillan
11. 不对称自催化反应的开发与homoChirality的起源：Kenso Soai (硤合憲三)
12. 多糖合成法中的贡献：Chi-Huey Wong （翁啓恵）
13. 自动DNA合成法的开发：Marvin H. Caruthers、 Leroy Hood

【无机化学】

1. 生物无机化学中的贡献： Harry B. Gray 、Stephen J. Lippard 、Richard H. Holm
2. 金纳米粒子的催化效果的发现：Masatake Haruta (春田 正毅)
3. 胶体状半导体纳米结晶(量子点)的发现： Louis E. Brus
4. 非均相体系催化的基础研究： Jens Nørskov

【分析化学】

1. 由激光学・分光学开发的分子分光法研究：　Richard N. Zare  、Michel Orrit
2. 扫描电化学显微镜的开发及应用：  Allen J. Bard 
3. 利用固体NMR对生物现象解析的贡献：John S. Waugh 、Ad Bax、Alexander Pines
4. X射线晶体结构解析的标准软件开发：George M. Sheldrick、Anthony L. Spek
5. 双光子激发显微镜的开发: Watt W. Webb, Winfried Denk, James Strickler
6. 次世代DNA序列的开发： Shankar Balasubramanian、David Klenerman
7. DNA基因芯片的发明与应用：　Patrick O. Brow
8. DNA指纹/各类印迹法的开发 ： Alec J. Jeffreys、W. Neal Burnette、George Stark、Edwin M. Southern
9. 利用极低温电子显微镜（Cryo-EM）解析生物高分子：Richard Henderson、Sjors Scheres
10. 通过无细胞胎儿DNA的检测确立生前诊断法： Dennis Yuk-ming Lo (盧 煜明)
11. 单一分子的电子显微镜镜像的摄影： Eiichi Nakamura (中村 栄一)

【生物化学】

1. 通过核内受体从分子水平阐明激素作用：　Ronald M. Evans 、Pierre Chambon、Bert W. O’malley
2. 真核生物的RNA聚合酶的鉴定：　Robert G. Roeder
3. 表观遗传学过程相关研究：  Howard Ceder、Charles David Allis、Adrian P. Bird、Aharon Razin
4. 分子伴侣蛋白与蛋白质折叠相关的研究： Arthur L. Horwich、Franz-Ulrich Hartl 、 Susan Lindquist、 R. John Ellis、George H. Lorimer
5. 光遗传学的建立：Karl Deisseroth、Edward Boyden
6. 基因组解析相关的技术开发： J. Craig Venter 、George M. Church、Francis Collins、Eric Lander
7. micro RNA的生理化学：Victor R. Ambros 
8. 设计致突变性生物测定：Bruce N. Ames
9. 癌症遗传因子的相关研究： Robert Weinberg、Bert Vogelstein 、 Alfred G. Knudsen
10. 基因组编辑技术： Jennifer A. Doudna、 Emmanuel Charpentier、Feng Zhang（张锋）
11. 细胞内异常蛋白质反应的发现: Peter Walter、 Kazutoshi Mori
12. T細胞受体相关的研究: James P. Allison、Ellis L. Reinherz、 John W. Kappler、 Philippa Marrack
13. 生物分子马达相关的研究: Ronald Vale、 Michael Sheetz、 James Spudich
14. 糖链生物学・化学糖链生物学的提出:　Raymond  A. Dwek、Carolyn R. Bertozzi
15. 光合成系大型复杂蛋白质的结构解析： Nathan Nelson、Nobuo Kamiya、Jian-Ren Shen
16. 酶相互作用・驱动机理相关研究：JoAnne Stubbe

【物理化学】

1. DNA内的电子电荷移动相关的先驱研究：　Jacqueline K. Barton、Bernd Giese、Gary B. Schuster
2. 质子共轭型电子转移（PCET）过程的研究： Thomas J. Mayer

【超分子/高分子化学】

1. 原子转移聚合法的开发： Krzysztof Matyjaszewski、Mitsuo Sawamoto (澤本 光男)
2. RAFT聚合法的开发：Graeme Moad、Ezio Rizzardo、San H. Thang
3. 利用金属开发均相复合催化剂： Tobin J. Marks , Walter Kaminsky, Maurice S. Brookhart
4. 高分子合成用不对称催化剂的开发： Kyoko Nozaki （野崎 京子）
5. 树枝状聚合物的发明与应用： Jean M. J. Frechet 、 Donald A. Tomalia、 Fritz Vögtle、Takuzo Aida (相田卓三)
6. DNA纳米技术的拓展： Nadrian C. Seeman、Paul W. K. Rothemund

【材料化学】

1. 有机金属框架材料(MOF)的合成法以及机能拓展： Susumu Kitagawa (北川 進)、Omar M. Yaghi、Michael O’Keeffe 、Makoto Fujita（藤田 誠）
2. 介孔无机材料的合成以及功能拓展： Charles T. Kresge 、Ryong Ryoo、Galen D. Stucky 、Shinji Inagaki　(稲垣伸二)、Kazuyuki Kuroda（黒田一幸）
3. 纳米导线、纳米粒子等材料及其应用： Charles M. Lieber 、A. Paul Alivisatos
4. 碳纳米管的发现：Sumio Iijima (飯島 澄男)、Morinobu Endo (遠藤 守信)
5. 有机光电材料的开发：　Ching W. Tang（鄧 青雲）、Steven Van Slyke 
6. 有机磁性材料相关的先驱性研究：Hiizu Iwamura（岩村 秀）
7. 超导体材料的研发：Hideo Hosono （細野 秀雄）、Yoshinori Tokura（十倉 好紀）
8. 钕磁铁的开发：Masato Sagawa （佐川眞人）

【能源化学】

1. 染料敏化电池「格莱才尔电池」的发明：　Michael Gratzel
2. 水的光分解催化剂的发现：　Akira Fujishima (藤嶋 昭)
3. 锂离子二次电池相关的先驱性研究及其开发：　John B. Goodenough 、M, Stanley Whittingham、Akira Yoshino (吉野 彰)、Koichi Mizushima (水島 公一)
4. Frustrated・Lewis pair化学的开拓：Douglas W. Stephan
5. 钙钛矿太阳能电池的开发与应用: Tsutomu Miyasaka (宮坂 力), Nam-Gyu Park, Henry J. Snaith

【医药化学】

1. 高脂血症药・他汀类药物的研发：　Akira Endo (遠藤 章)
2. 组织工学的提出・实用的药物输送系统的开发： Robert S. Langer 、Joseph Vacanti 
3. AIDS艾滋病治疗研究中的贡献: Gero Hütter、Hiroaki Mitsuya（満屋裕明）
4. 癌症组织的EPR效果的发现：Hiro Maeda（前田浩）、Yasuhiro Matsumura (松村保広)
5. 人源化抗体药物制备方法的开发：Gregory P. Winter

【理论・计算化学】

1. ab initio分子动力学法：Roberto Car, Michele Parrinello 
2. 通过计算机设计蛋白质功能的研究：David Baker

好了，这么多化学家小编我也是眼花缭乱了，不知道Chem-Station罗列的以上化学家，在十月四日下午5点45分揭晓的化学奖中，到底有没有呢，我们拭目以待吧！

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nuo’be瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）在10月5日宣布了2016年诺贝尔化学奖（Nobel Prize in Chemistry），最终颁给了法国的Jean-Pierre Sauvage、英国的J Fraser Stoddart、荷兰的Bernard Feringa以表彰他们在分子机器上做出的贡献。

以往诺奖得主的研究一般给人应用性很广的印象，而这次着实有点出乎意料，分子机器的研究说实话完全还没有到应用的步骤。

Anyway，这一次受赏的研究属于超分子化学（有机化学）领域，按照以往的周期来看，确实也是五年一次。另外，超分子化学的得奖最早是从1987年Cram, Lehn, Pedersen三位开始的。

而这次获奖的三位大牛一直也是该领域诺奖候补的最热门人选，虽然在诺贝尔奖化学家候补名单Chem-Station2016版中只出现了Stoddart，但是其他两位的业绩也都是引人瞩目的。接下来，小编想为大家具体介绍下这三人的工作。

分子机器的重要一部分：轮烷与索烃

对分子机器的研究发展起着至关重要的作用的是被称为mechanically-interlocked molecule的物质群。其中的代表就是轮烷与索烃。

索烃(catenane)、是环状化合物像锁一样圈在一起连接成的结构，名字取于希腊语中的catena。而另一方面轮烷（rotaxane）是轮状结构被一根棒状的「轴」贯穿形成的挂何物，名字来自于拉丁语中的轮（rota）与轴（axis）。

索烃的两个圈以及轮烷的圈与轴之间并没有共价键结合固定，所以相互之间是相对可以移动的。索烃一般只要圈圈不断裂，是能够稳定存在的，轮烷的话圈在轴上是可移动的。为了使得轮烷能够稳定存在（圈不脱离轴），一般来说轴的两端是比较大的构型，作为一个塞子防止圈脱离轴。

索烃的世界首次合成是由贝尔实验室的Harry Wasserman在1960年成功实现的。该合成策略很简单，就是以两端带由于酯基的超长链烃为原料进行Acyloin Condensation。但是单单是长链底物的自身环化产率就很低，而两分子串联的过程也十分偶然，最终以极低的产率0.0001%得到了世界第一个索烃。为了得到足够量的产物，据说该反应是在浴缸中进行的。。。可见底物的量是多么巨大，以当时的技术合成索烃是多么不容易。而其实从那开始到高效合索烃也经历了很多年的探索。

轮烷・索烃的高效合成！：Jean-Pierre Sauvage

实现Mechanically-interlocked molecule的合成breakthough的就是这次获奖者中的Jean-Pierre Sauvage教授。

Jean-Pierre Sauvage教授巧妙了利用通过金属离子（铜）的配位能进行的模板合成的手法，成功开发了索烃的高效率合成法。（1983年）。该手法的缩略图如下所示。1价铜可以配位成正四面体的配位结构，利用这个关键性要素，巧妙的使得索烃的两个圈圈串联在一起。

这种合成手法的实用性特别广，利用相同的原理可以合成各种不同拓扑的化合物。其中小编在下图中给出了几个比较有代表性的例子。真可以说。。其实合成也是门艺术。

另一方面，作为合成化学家来说，通常都必须考虑合成的化合物的用途。仅仅依靠个人的兴趣，以一种玩耍的态度进行研究的话，当然小编个人认为也是非常OK的，但是往往会遭人诟病，也很难申请经费继续研究。而对于这些超分子来说，其中的实用性也确实在一开始是一大难题。

但是从“颜值”来看，作为一直从事小分子合成研究的小编来看，真的是不得不承认这些分子「长得非常漂亮！」。突然也意识到，其实不能局限于自己的小分子合成中，应该多关注下有机化学甚至生物材料那些交叉领域，从而让自己的视野变的更广阔。

轮烷分子开关合成！：J Fraser Stoddart

J Fraser Stoddart教授在Jean-Pierre Sauvage教授的合成法上得到灵感，创制合成了具有「bistable」性质的索烃・轮烷化合物。该分子具有两种状态，而该两种状态在外部刺激的状态下可以人工的进行转换，所以有望用作分子开关。Stoddart教授在1989年合成了这样的轮烷分子，并在1991年给出了可以用于分子开关的可能性展示。下图中的分子是其中的一个实例，该分子在氧化还原或者pH变化条件下，通过正离子电荷的作用来进行该分子的两种状态的转换。在产生正电荷时候，由于左侧的苯二胺结构与轮上的正电荷有个排斥作用，所以轮环的位置就保持在右侧对苯二酚那块。而当正电荷消失时候，由于π-π相互作用占决定性优势，轮环就停留在左侧的苯二胺侧。

Stoddart教授逐步把这个设计理念发展扩大，目前为止合成除了可以控制更多复杂的动作的化合物，并且成功应用到了功能性材料上。例如在2004年，在拥有三个”脚手架”的金属表面上，合成出了底座可以升降的[分子电梯](下图所示绿色分子可以上下移动)。另外Stoddart组还在进行具有变形能力的分子肌肉、通过分子层级的氧化还原进行信息记录的超高密度分子记忆存储等的开发。

分子电梯

分子肌肉与超高密度分子记忆存储的应用

由于这些超分子的合成费用消耗比较高，说实话目前为止还没有能够实现实用化，从视觉感官上很容易理解，也确实是非常有趣的科学。

合成分子马达！：Bernard Feringa

不同于上述的利用轮烷・索烃作为分子开关的研究，Feringa教授利用完全不同的机械分子机制合成了分子马达。

详细的来说，Feringa教授的代表作是世界首次合成了利用光照射驱动的单一方向旋转的光驱动型分子马达（1999年）。最初期合成的是立体位阻比较大的轴手性分子。这种带有双键轴的化合物在紫外线的照射下，双键的一部分断裂，并且以此为轴开始旋转。这种性质在很早以前就已经被广为所知。但是Feringa教授利用这种性质进一步巧妙地设计了新的分子，使得该分子只能朝着单一方向旋转（下图所示）。旋转的能量来自于光或者热，而旋转方向由手性碳的手性环境决定。通过对分子结构的最优化后，该分子可以以相当高的速度旋转（室温下，MHz order），是一个非常有发展前景的分子马达。

Fearing教授把该分子马达产生的旋转力运用到了宏观情况。下图所示分子1在液晶薄膜上排列，在光照下，其产生的旋转力可以使得薄膜上放置的物体（毫米长）朝一个方向旋转。也就是说，实现了对数万倍以上物体的力的传输，确实是一项十分巧妙有趣的设计。

另一方面，还设计出了搭载有”轮胎”的分子马达，被称作「纳米四轮驱动」。利用电能使得分子马达朝一个方向旋转，可以使得分子在金属表面上“跑”。该“跑动”通过显微镜得到了确认。

结语

这次诺奖的研究与以往注重实用性不同，是趣味性很强的研究，实在是完全出乎了小编的意料，不知道大家是否有预测到呢？但是另一方面这也是值得令人振奋的，他们的研究在分子的层面上唤起了科研人员的童心。创造出这么多有意思的，颜值很高的分子也会让人心情愉悦。

相比于目前过于强调使用性的主流来说，回归科研本身，从事一些十分有创造性的研究也不失为一股清流。最后再次祝贺三位获奖教授！同时期待我国能早日出现第二个自然科学的诺奖！

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