B村资讯丨诺奖尘埃落定！他们发现身体如何感知世界、改变药物分子的合成……

十一国庆期间，备受关注的2021年诺贝尔奖也在大洋彼岸火热揭晓中。其中，来自加州大学旧金山分校的David Julius教授和斯克里普斯研究所的Ardem Patapoutian教授因在“发现感知温度和触觉的受体”上的突出贡献，斩获2021年诺贝尔生理学或医学奖。另外，来自马克斯·普朗克研究所的Benjamin List教授与普林斯顿大学的David MacMillan教授因为在“不对称有机催化”上的突破性贡献，斩获今年诺贝尔化学奖的殊荣。

对于这两项诺奖的评选，诺奖委员会表示，“发现感知温度和触觉的受体”不仅让我们理解身体如何感知这个世界，也被用于开发多种治疗疾病的药物，实实在在将科学转化为了造福人类的工具。而在化学领域，分子合成永远不是一件容易的事。但“不对称有机催化”的创新发明，带来了一种极为精准的合成新工具，对医药研究和绿色化学有极为重要的意义。

感知温度

相信摸过辣椒的人都知道，辣椒素会“灼烧”皮肤，并引起疼痛。但它发挥作用的机制一直是一个未解之谜。二十世纪90年代末， Julius教授和同事创建了一个包含数百万个DNA片段的数据库，这些DNA片段对应的是在感觉神经元中表达的基因，它们可以对疼痛、热、触觉作出反应。并提出假说认为，这个数据库中就包含了编码能对辣椒素作出响应的蛋白质的DNA片段。经过漫长而艰辛的搜寻，Julius教授团队终于找到了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因——TRPV1。当Julius教授在研究这种蛋白质如何感知热量时，他意识到，他无意间发现了一种热敏受体——在感受痛觉的温度下，受体被激活了。

在辣椒中的辣椒素找到了TRPV1，这是一种能被疼痛时的热量激活的离子通道。此后，更多相关的离子通道陆续被找到。现在，我们能够理解不同的温度如何在神经系统中诱导产生电信号。

TRPV1的发现也为揭示其他温度感应受体提供了线索。Julius教授和Patapoutian教授后来分别独立地使用薄荷醇鉴别出TRPM8，这是一种在寒冷时能被激活的受体。其他与TRPV1和TRPM8相关的离子通道也陆续被发现，它们能在一系列不同的温度下被激活。

感受压力

尽管感受温度的机制在科学家们的探索下逐渐明晰，但是机械性刺激能如何转换成触觉和压力，仍然是个不解之谜。在斯克里普斯研究所工作的Ardem Patapoutian教授决心在这一领域上做出突破。

Patapoutian教授和合作者首先发现了能够在被微针穿刺时释放电信号的细胞系。他们推测能被机械性外力刺激的受体是离子通道，接下来他们一共筛选出72种编码受体的候选基因，然后挨个对其进行激活，用于找到真正和机械性感受相关的基因。在大量的工作后， Patapoutian教授和同事终于找到了他们的答案：当Piezo1基因被沉默时，会使得细胞不再对微针的刺激具备敏感度。Piezo1是一个全新的离子通道，以希腊语中的压力为名。 

通过与Piezo1的相似性比对，第二个相关基因也被发现了，被命名为Piezo2。感受神经元会表达高水平的Piezo2，而后续的研究进一步证实了两者都是离子通道，可以被细胞膜表面的压力给激活。Patapoutian教授的发现带来了一系列的论文发表工作，他们证明了Piezo2离子通道对触觉感受至关重要。另外，Piezo2对身体姿势和运动的感受也非常关键。在未来的工作中，Piezo1和Piezo2还被证明对生理过程有很大作用，包括血压、呼吸和膀胱控制等。

通过培养对机械压力敏感的细胞找到了会被机械力激活的离子通道。这些工作带来了Piezo1和Piezo2的发现

在诺奖颁奖现场， David Julius教授和Ardem Patapoutian教授都提到了一点：无论是感知触觉，还是感知温度，人们都已经习以为常，并不觉得这些感觉有什么奇怪。但在生物学家眼里，这却是非常重要的问题。如果没有触觉，我们的脚就不知道是否脚踏实地，无法站立或是行走。而如果感受不了温度，就很容易置身危险的环境而不自知。

革新合成分子方式

分子构建是一门困难的艺术。许多研究和工业领域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，在电池中储存能量，甚至抑制疾病的进展。这项工作需要催化剂的参与。在化学反应中，催化剂可以控制和加速反应，但不会成为最终产物的一部分。例如，汽车中所用的催化剂能将废气中的有毒物质转化为无害分子。我们的身体中也含有数以千计的催化剂——酶，它们可以分解出生命所必需的分子。

因此，催化剂是化学家的基本工具，但研究人员长期以来一直认为，原则上只有两类催化剂：金属和酶。在2000年， Benjamin List教授和David MacMillan开发了“有机催化”这种全新而巧妙的分子构建工具，不仅可以被用来研发新药，还能让化学更环保。

有机催化剂具有一个由碳原子组成的稳定架构，搭配较具活性的化学物质，包括常见的元素如氧、氮、硫、磷等，因此这类催化剂较不伤害环境，成本也较低。此外，有机催化剂不仅通常由简单的分子组成，在一些情况下它们还可以像工厂传动带那样连续工作，因为生产过程中的几个步骤经常可以连续不间断地进行。这就是所谓的“级联反应”，它可以大大减少化学品生产中的浪费。

利用有机催化，研究人员现在可以相对简单地制造大量不同的不对称分子。例如，他们可以人工生产具有潜在疗效的分子，而非只能从稀有植物或深海生物中少量的分离。在制药公司，这种方法也被用来简化现有药品的生产，包括用于治疗焦虑和抑郁症的帕罗西汀，以及用于治疗呼吸道感染的抗病毒药物奥司他韦。

而有机催化剂之所以能够广泛运用，关键就在于它们具有“不对称催化”的能力。分子建构过程中，经常会出现两种互为镜像（mirror image，左旋与右旋，就像左手与右手）的可能性，而不对称催化可以帮助化学家做选择。 诺贝尔化学委员会主席Johan Åqvist说:“催化的概念既简单又巧妙，事实上，许多人都想知道为什么我们没有更早地考虑这一领域。”

两种互为镜像的分子，左旋柠烯（S-Limonene）与右旋柠烯（R-Limonene）（图片来源：诺奖官方推特）

于无声处听惊雷。从普通人见怪不怪的地方找到突破点，正是科学大家的与众不同之处。在诺贝尔奖成立 120 周年之际，“感知温度和压力”、“革新分子合成方式”斩获诺奖殊荣，这不仅是对科学家研究工作的最好认可，也是对科学发展卓越贡献的见证。我们共同期待明年诺奖的到来，也期待更多科学的火花引燃产业的发展。

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