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化學研究路上的偶然與選擇

謝應龍集化學與電算於一身

(Keith Hiro攝)

愛恩斯坦曾經說過:上帝不會擲骰子。他的意思是大自然自有其物理定律,任何事物的發生都不是偶然的。在分子化學的世界中,有一條定律叫「手性定律」。

教授兩門本科物理化學課的中大化學系謝應龍教授,以人類的手掌作比喻:我們的左手與右手,雖然如鏡子的兩面非常相似,但無論怎樣都不可能重叠在一起。同樣地,很多可以出現生物作用的分子均屬手性,包括天然的胺基酸(蛋白質的構成成分)與糖分子。分子的左右兩半均有着共同的物理屬性(如沸點),但對光及其他生物過程則會出現截然不同的反應。

圖一:S-檸檬烯化合物與R-檸檬烯化合物

圖一的兩種化合物像一面鏡子的兩面,各有相同的原子,原子與原子之間的角度跟距離也一樣,但它們不可以重叠在一起。左邊的化合物S-檸檬烯給人檸檬的香氣;右邊的化合物R-檸檬烯則給人帶來橙的香氣。

謝教授從分子層面解釋嗅覺的由來:「化學物與我們體内的神經接收器產生作用,向大腦輸出信息,於是有了各種香氣。至於產生何種作用,則要視乎化學物與接收器之間的手性是否吻合。」

謝教授再以一個鎖與鑰匙的比喻說明。每一條獨特的鑰匙,都可開到獨特的鎖,以取得特定的結果。S-檸檬烯的分子,就像一條獨特的鑰匙,在神經接收器開啟出大腦對檸檬香氣的信息。R-檸檬烯的分子則是另一把鑰匙,開啟出的是橙香氣的信息。

圖二:生物基質要按功能發揮作用,必需具有相應的對稱性與酵素的主反應部分結合<br>
(圖片來源:<a href="https://riasparklebiochemistry.wordpress.com/2013/03/31/reflection-14lock-key-vs-induced-fit-hypothesis/" target="_blank">https://riasparklebiochemistry.wordpress.com/2013/03/31/reflection-14lock-key-vs-induced-fit-hypothesis/</a>)

化學手性對藥物的研發意義不言而喻。要達到想要的治療效果,必須考慮到藥物的分子手性,手性不對或不夠,不單止藥到病不除,甚至可能出現不良作用。

由於手性決定成效,所以化合物只有某一邊或部分才對特定的化學效果有用,而另一邊或其他部分則是沒用或是有負面作用的。在藥物的研發上,因而有必要把符合特定手性的部分分離出來。但現實是,由於化合物的化學結構非常接近,分離的過程相當艱鉅。試想想,假設一對雙胞胎的性別及外貌特徵幾乎一樣的話,要分辨他們會是多麽困難的事。

由系主任楊英洋教授率領,謝教授及其他學者參與在内的中大化學系團隊另闢蹊徑,他們不靠擲骰子,而是嘗試有針對性地合成單一手性的化合物,為此特別研發出一套製備新「鹵代螺環化合物」的催化系統。

鹵代螺環化合物是由一個原子連結兩個分子組成的化學單位。這些單位是建構更大化學結構的基本單位,作用有如樂高積木一樣。只要把一個鹵素(屬於元素周期表第17族的元素,較為人熟知的成員包括氯和碘)的原子加入一個鹵代螺環化合物中,前者的活躍性便會如一把鉤一般,把化合物連結上另外一些化合物,令化學家可以設計出不同的化學母題,從而構築起結構龐雜的化合物。

圖三:一個代表鹵代螺環分子的簡單圖表

中大團隊的新研發系統,是以催化劑改良鹵代螺環化合物的生產過程,優勝之處是既可製造出鹵代螺環,加入鹵素原子,更可造出理想的手性,為新藥的設計提供有力的新工具。團隊的發現已經在權威科學期刊Nature Catalysis發表。

謝教授在團隊中的角色是運算多於實驗,他在美國陶森大學攻讀計算機科學的經驗令他的貢獻舉足輕重。不論在實驗室還是在自然界,一個化學反應動輒牽涉天文數字的分子,數目輕易超過100,000,000,000,000,000,000,000。要把所有原子及分子都計算在内幾乎是不可能的,而且也沒絕對必要。一個實驗成功與否,並不需要仔細掌握每一個分子所有部分的動態。

謝教授說:「不相關的,我們不需要透徹了解,甚至不用把它們計算在内。我們只需對研究系統需要何種程度的細節有個化學上的大概,以便集中心神在重要及可實際參詳的部分上。」

利用化學系先進的計算設備,謝教授得以解決了深奧的量子力學程式,對研究的化合物的行為反應得出數值上的最佳估算,為新系統的開發提供了堅實的理論基礎。

左起:謝應龍教授及楊英洋教授(Keith Hiro攝)

一路走來,謝教授好像眾裏尋他,得失難定,但他其實也不用擲骰子。他一直以來都知道自己想要想做的,而且莫離莫棄。當然,年輕人也會懷疑自己。他說:「和其他選讀科學的香港學生一樣,我也因為擔心前途問題,所以在陶森大學唸本科時不選基礎科學而選了計算機科學,但由於真的鍾情化學,所以一有機會便盡量修讀化學的課。

「我修化學課取得不錯成績,而化學系也給予我不少機會。慢慢地我相信自己應該跟興趣走。有了計算機科學與化學的訓練,計算或理論化學很自然地成了我下一站的目標,我於是去了史丹福大學唸理論化學博士,然後到芝加哥大學在這個領域進行博士後研究。」

謝教授在2015年來到中大任教,他的學生包括本科及研究院的。雖然他看不透學術潮流和就職趨勢,但他還是相當關心學生的選擇及發展。大自然的手性定律決定了分子在微觀世界的軌跡,他相信在個人學術的茫茫客旅上,尋到水窮處亦自必有廣闊天地。

文/tommycho@cuhkcontents

標籤
謝應龍 鹵代螺環化合物 烯化合物 催化系統 楊英洋 化學系