驚喜與困惑，科學(xué)家意外挖到手性研究“金礦”
上世紀(jì)60年代，鎮(zhèn)靜藥物沙利度胺（Thalidomide）因未做手性純化，曾在4年內(nèi)導(dǎo)致全球超1.2萬例無頭或缺腿的畸形“海豹兒”出生。
“這讓人類深刻意識到，手性和藥物療效、生命健康的關(guān)系如此密切。”清華大學(xué)精密儀器系教授、深圳國際研究生院院長歐陽證告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
在新藥研制方面，手性指兩類分子像左右手一樣鏡像對稱但不能完全重合。自然系統(tǒng)中廣泛存在手性分子，而生命體中手性分子通常以單一手性形式存在，因此手性和手性純化對藥物研發(fā)來說意義重要。
2月9日，歐陽證和清華大學(xué)精密儀器系副教授周曉煜等人在《科學(xué)》發(fā)表論文，首次證明了不依賴高手性純度的化學(xué)環(huán)境，可以使用物理方法實(shí)現(xiàn)對映體分子的分離。這將在藥物開發(fā)和醫(yī)學(xué)診斷中發(fā)揮重要應(yīng)用，同時(shí)有望幫助人們解決不對稱合成及手性起源等基礎(chǔ)科學(xué)研究中的重要問題。
周曉煜（左）指導(dǎo)研究生；歐陽證和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的小型質(zhì)譜儀（右）。受訪者供圖
神奇且重要的“手性”
手性分子廣泛存在自然系統(tǒng)中，它們的關(guān)系類似人們的左右手，被合稱為手性對映體。神奇的是，在生命體中，手性分子通常以單一手性形式存在。例如，人體主要含有L型氨基酸，而其手性對映體D型氨基酸含量幾乎沒有。
“由于生命系統(tǒng)是高手性純度（單一手性）環(huán)境，且一種手性分子具有很好的藥效，其對映體有可能有惡性副作用。”歐陽證補(bǔ)充說，“正是有了沙利度胺的教訓(xùn)，在新藥研制過程中，都要對藥物手性對映體進(jìn)行嚴(yán)格的生物活性和毒性試驗(yàn)，以避免其中所含的一種手性分子對人體帶來傷害。”
目前，無論美國食品藥品監(jiān)督管理局還是中國國家藥品監(jiān)督管理局都規(guī)定，藥物研發(fā)中，即使某些條件下可以混用兩種手性對應(yīng)體，也要研究清楚兩個(gè)手性對應(yīng)體各自的效應(yīng)。而弄清各自效應(yīng)的前提是進(jìn)行手性純化，將其分離并對各自的活性、副作用進(jìn)行描述。
傳統(tǒng)上，人們使用化學(xué)方法進(jìn)行手性純化。化學(xué)方法首先需要添加另一種高純度的手性化合物，然后利用色譜進(jìn)行分離和分析。這個(gè)過程依賴試錯(cuò)，不但繁瑣復(fù)雜，普適性不高，而且需要的樣品量較大。有時(shí)費(fèi)了很大周折，樣品也不一定符合色譜分離條件。
在歐陽證團(tuán)隊(duì)最新的研究中，通過使用電場誘導(dǎo)氣相離子的定向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了手性物質(zhì)的高效分離和質(zhì)譜結(jié)構(gòu)分析。
“我們通過將生物分子轉(zhuǎn)化為離子，并在電場中進(jìn)行懸浮和定向旋轉(zhuǎn)，然后利用電場誘導(dǎo)離子運(yùn)動(dòng)與周圍中性分子碰撞，實(shí)現(xiàn)了手性對映體的空間分離。”周曉煜說。
傳統(tǒng)的化學(xué)分離用量要達(dá)到毫克級以上，這種物理方法在納克以下即可進(jìn)行，而且能邊分離邊進(jìn)行質(zhì)譜結(jié)構(gòu)鑒定，在一分鐘內(nèi)即可給出手性純度和分子結(jié)構(gòu)。
此外，在生命起源研究中，一個(gè)難以解釋的問題是：如果手性純化依賴已有的化學(xué)手性方法，那么造成生命體高手性純度環(huán)境的第一個(gè)化學(xué)環(huán)境從何而來？
“這實(shí)際上是個(gè)‘雞生蛋’還是‘蛋生雞’的問題。”歐陽證說，“我們的研究預(yù)示，手性純化的化學(xué)環(huán)境有可能通過物理方法實(shí)現(xiàn)，而且自然界可能存在這樣的條件（電場），這為生命起源研究提供了新思路。”
意外挖到“金礦”
該團(tuán)隊(duì)由5位獨(dú)立PI和近30名博士研究生、博士后組成。團(tuán)隊(duì)PI均從美國普渡大學(xué)回來加入清華大學(xué)精儀系和化學(xué)系，致力于基于物理新原理的儀器技術(shù)及生物分子結(jié)構(gòu)分析方法的相關(guān)研究，并將其推向?qū)嶋H應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的小型質(zhì)譜分析系統(tǒng)，在國際處于領(lǐng)先地位，并創(chuàng)辦清譜科技實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
2020年，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出使用離子阱質(zhì)譜儀實(shí)現(xiàn)超高分辨淌渡分析的方法，將分辨率大幅提高。當(dāng)時(shí)國際上最好的質(zhì)譜儀淌渡分辨率在400左右，而該團(tuán)隊(duì)研制的質(zhì)譜儀可達(dá)到10000以上。
歐陽證解釋說，淌渡分析在生物分子分析領(lǐng)域是項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，人們將分子量相同，結(jié)構(gòu)類似的兩個(gè)分子（如多肽）跟氣體碰撞，因?yàn)樗鼈兊慕孛娌煌鲎埠蟮倪\(yùn)動(dòng)速度也不一樣，從而可以將類似分子分開。
“就像兩個(gè)人，一個(gè)矮胖，一個(gè)瘦高。兩人體重一樣，但在風(fēng)中跑起來時(shí)風(fēng)阻不同。”歐陽證解釋說，“但手性對應(yīng)體中兩個(gè)分子像左右手，連結(jié)構(gòu)和橫截面都高度相似，所以通常淌渡分析技術(shù)也不能將其區(qū)分開。”
因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)研制的質(zhì)譜儀分辨率遠(yuǎn)超國內(nèi)外同行水平。抱著嘗試一下的心態(tài)，歐陽證和周曉煜指導(dǎo)博士研究生進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，并于2021年6月29日首次拿到肯定的結(jié)果。
“結(jié)果出人意料，我們發(fā)現(xiàn)兩種手性對映體能在高分辨淌度中分開。”周曉煜說。
因?yàn)榇饲皼]有任何文獻(xiàn)提及用質(zhì)譜儀能直接將手性分子分開。發(fā)現(xiàn)結(jié)果后團(tuán)隊(duì)還不敢相信：真的被分開了，還是我們觀察到某種假象？
為此，團(tuán)隊(duì)將一對手性對應(yīng)體濃度調(diào)成1：2的比例進(jìn)行淌渡分析，發(fā)現(xiàn)分析出的結(jié)果也是1:2。
“改變兩種對映體相對濃度并比較譜圖變化后，我們確信是將手性對映體分開了。”周曉煜說，“我們發(fā)現(xiàn)兩種手性對映體不但能分開，而且分離效率很高。”
“我知道這是個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槭中约兓谡麄€(gè)化學(xué)生物領(lǐng)域的意義是有共識的。能用物理方法將其分離，對制藥領(lǐng)域很有價(jià)值，對于生命起源研究也意義重大。”歐陽證補(bǔ)充說，“我意識到，我們可能挖到了一個(gè)‘金礦’。”
驚喜一瞬間，挑戰(zhàn)兩年多
欣喜若狂后，歐陽證知道，真正的挑戰(zhàn)開始了。
“做科研永遠(yuǎn)是高興就那么一瞬間。”歐陽證說，“因?yàn)榻酉聛砦仪逍训卣J(rèn)識到，當(dāng)時(shí)只是看到了現(xiàn)象，并不知道其背后的機(jī)理，不能解釋這個(gè)東西，這把我們一下子又‘拽’了回去。”
研究中，團(tuán)隊(duì)還遇到一個(gè)棘手問題：對映體的譜峰相對位置似乎不可控，有時(shí)是一個(gè)峰，有時(shí)是兩個(gè)，而且其位置、間距也會(huì)變化。
這兩個(gè)問題困擾了該團(tuán)隊(duì)兩年多。
“愛因斯坦說過，重大發(fā)現(xiàn)不大可能通過推導(dǎo)得出，而是要在概念上先突破。”歐陽證鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)，“我們要發(fā)揮想象力，大膽設(shè)想它的各種可能情況，然后再去找理論依據(jù)。”
通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研和內(nèi)部討論，團(tuán)隊(duì)猜想可能是離子阱內(nèi)的電場讓手性分子實(shí)現(xiàn)了定向自旋，導(dǎo)致與其他分子碰撞過程的差異。通過理論計(jì)算和仿真，該團(tuán)隊(duì)最終驗(yàn)證了這一假設(shè)并理解了控制離子定向自旋的物理?xiàng)l件。
此后，團(tuán)隊(duì)與清譜科技攜手，通過改裝儀器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了使用雙交流電信號共振激發(fā)的方式來控制離子的旋轉(zhuǎn)方向，從而使對映體離子產(chǎn)生穩(wěn)定的碰撞截面積差異。這樣，通過調(diào)控離子的旋轉(zhuǎn)方向和運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得了穩(wěn)定、可控的高分辨對映體譜圖。
“這是一項(xiàng)引人入勝的研究，因?yàn)槭中院褪中苑治鍪侨绱酥匾?rdquo;該論文審稿人說。另一位審稿人則認(rèn)為，該研究讓“未來發(fā)展快速、簡易確定手性組份的技術(shù)和方法成為可能”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adj8342
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