身在植物化学实验室 是不是真的冷到没朋友?| 走进实验室

昆明植物研究所 鞠鹏 2018-10-25

  充满危险的世界,植物们是怎么生存下来的?它们或者凭借着强大的繁殖能力,或者依靠着变态特化的植物器官,更有高级者通过制造“化学武器”来保护自己。

  植物为了生存、繁衍或适应环境产生了各种各样的化学物质,植物中的化学成分的“进化”拉开了自然界中各类物种的军备竞赛,“有毒”与“解毒”,“生存”与“死亡”,进化在竞争中展开。各物种的协同进化,推动了生物的不断演化,直到今天我们见到的模样。

 

  危险而又美丽多彩的自然是孕育植物化学成分的“摇篮”(图片来源于网络) 

  隐秘而伟大,这就是植物中的化学成分。而只需要点出几个历史的片段,就会发现它们无处不在:

  “鸦片”,来源于植物罂粟,一度影响了中国的现代史。

  “青蒿素”,来源于植物黄花蒿,抑制着非洲大陆疟疾泛滥的功臣化合物。

  “紫杉醇”,来源于植物红豆杉,治疗肿瘤的世界知名化学成分。

  “尼古丁”,来源于烟草,让人又爱又恨争议最多。

  “阿司匹林”,史诗级的具有开创性的药物。

  还有征服了世界的咖啡、茶叶、各种香料……

 

  与植物化学相关的生活用品(图片来源于网络) 

  我们的实验室——植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室就是研究植物中奇妙化学成分的殿堂。

  要想了解我们实验室,就来看看“日常三部曲”和“三个问题”吧。

 

  一间普通而又经典的植物化学实验室 

  实验室日常三部曲 

  那么这个奇妙的实验室是如何开展研究的呢?按照研究阶段的进行划分可分为提取-分离-鉴定 

  提取 

  提取阶段以溶剂为核心,目的是为了将物质从植物的组织中“抽提出来”,得到植物化学成分的混合物。

  这个阶段看似简单但却与日常生活最为相关:如小餐馆里各类药材泡酒,生活中冲泡的咖啡、茶叶,甚至做菜用的各类调料,都是通过溶剂(如水)将化学成分从肉眼可见的“物质外壳”里“抽出来”。

 

  提取步骤:新鲜植物——溶剂提取(化学成分)——回收溶剂——提取浸膏 

  当然这个阶段我们只能发现溶剂颜色或者气味发生了变化,植物外形本身可能变化不大(颜色和气味除外)。民众对这个阶段的认识不够,也没有有效的手段去监控,因此才有了部分不良商户通过这个方法对药材进行提取后再将药渣晒干返卖给消费者的事。

  分离 

  上一步我们从植物里提取的成分其实是混合物,如来源于植物的中药材(如甘草)通过煎煮得到一大碗棕色的“汤药”,其中可能有数十甚至上百种化学成分。

  这时,就要利用植物中化学成分不同的性质,通过不同的填料、溶剂系统、分离方法将不同的成分从混合物中分离得到单体。

  分离阶段就是把一群“样貌各异”“骨骼清奇”并“各具特长”的化合物,通过各种“体育比赛”筛选出来,或短跑“苏炳天”,或跨栏“刘翔”,或女排“朱婷”,并将所有参赛情况记录下来,以便逐一找出不同特点达到明确区分的目的。

 

  分离前的化学成分                        各类分离方法 

  我们可以先对混合物“以貌取人”:先用石油醚萃取一下,比较“胖”的“亲油”化合物被分组到一堆;“微胖界”的被乙酸乙酯分到一组;特别“瘦”的、没什么脂肪的都溶解在水中聚在一起,再通过葡聚糖凝胶层析柱让它们来个3000米跨栏跑。总之,我们通过不同的项目最终将这群“人”一一区分出来并逐一登记下它们走到“终点”的情况。

  当然也会遇到一些常见的“极端”情况:样貌相似的孪生兄弟(手性分子),身材能力性格都差不多,通过了各个项目后还能同时到达终点。这时需要更为严苛的项目来仔细区分它们微小的差别,如手性分离材料、高效液相色谱,好比负重30公里越野铁人三项,总归能把细小的能力差别放大成距离差异,最终孪生兄弟也会先后通过终点被记录下来。

  在这个阶段,充满了“枯燥重复而又漫长”的科学实验,你可以看见或者检测到各种各样填料中那些不同的成分在“运动”中显露出自己的本色,也可以通过各种显色方法或者仪器检测观察出微观世界的比赛进展。

  鉴定 

  鉴定阶段以分析仪器检测为核心,目的是为了对不同时间“冲过终点”的单一化学成分进行判别,比如“身高”几许,“体重”如何,“肤白貌美”还是“骨骼清奇”。 

 

  植化界的“天眼”:各类化学成分结构信息检测仪器 

  我们首先用核磁共振仪、质谱仪、X-晶体衍射仪、气-质联用仪从某一个方面检测出这些化学成分的“外貌”信息,然后汇总信息,分析出这些化学成分外貌图。

  然后我们需要把外貌图和其他植物化学成分进行比对,看看它们是否也存在于其他植物里面;如果在其他植物里没有发现过这个化合物,那么恭喜你,你可能中了大奖:在人类史上首次从植物中观察并得到新结构的分子

  新药研究 终极三问 

  我们探索的脚步是否就停止在“日常三部曲”呢?这些灿若星斗的分子,如繁星般缀满我们知识的宇宙,是否只是为我们人类提供了一个美丽的幕帐呢?当然不是! 

 

  我们的“星辰大海”:来自植物的天然产物 

  它们从何而来?它们将要何去?它们可有何用? 

  如果你脑海中出现了以上三个问题,恭喜你理解了我们的学科并开始思考科学问题了。为了求知而进行研究是一种科学研究的状态,为了求知来改善我们的生活则是另外一种。

  学科之间的交叉、衍伸、融合从没有像今天一样剧烈而频繁。如果单从植物化学学科来看,系统高效地发掘植物中这些奇异的分子,研究它们的结构特点、了解它们的分布规律,本身就是一门纯粹的科学。但如果将其放到新药发现的科学研究中,它们就变成了新药研究中源头创新的重要一环,即为新药的研究提供了众多的候选分子个体

  药理学家们通过对这些化学成分进行细胞筛选、动物体内筛选、志愿者体内筛选、病患者临床试验,一步步把这些具有“治疗效果”(生物活性)的化合物筛选出来,再通过化学家的修饰甚至合成,制造出我们日常使用的药品来。

  如果把疾病看作一把锁,打开这个锁就表示治愈。那么这些化学分子就是一把把的钥匙,有的齿孔不对根本打不开(无效),有的可能齿孔基本能对得上,需要化学家再打磨一下齿孔(修饰一下结构)。比如本实验室研究的“抗抑郁症天然药物1类新药奥生乐赛特”,其分子来源于传统中药,经过活性筛选、结构修饰、动物实验后发现其治疗抑郁症效果明显,因此获得临床试验的批件,为近五年我国批准的3个1类单体天然药物之一,也是国家重大新药专项4个十三五重点推进的项目之一,并入选国家制造强国建设战略咨询委员会发布的《中国制造2025》重点领域技术路线图。

 

  活性筛选             结构修饰 

  我们就是这样在浩繁的植物世界中发掘并鉴定着宝贵的天然分子,记录着它们的信息。虽然科学的历程总是荆棘满路,有趣的科学实验室重复一千遍也会变得枯燥乏味,但是我们总是记得孙汉董院士的寄语:“做研究,尤其是我们做基础科研的一定要有坐‘冷板凳’的精神”。

  植物化学冷问答 冷到没朋友! 

  植物随处可见,于是就随时有朋友问我们一些奇奇怪怪的问题,然而,我们的回答不一定能让他们满意…… 

 

  (图片来源于网络) 

  1.三、五十万的投入?咱再聊聊 

  问:老师,我们家乡有个植物可以治疗肿瘤,你们实验室是不是可以化验一下?看看能不能做成药赚钱?

  答:可以呀,但是要找到里面确定的化学成分再去做生物活性再按照国家标准做临床试验时间有点长哦,你等得起吗?还要花点钱呀。

  问:要等多久?花钱没事呀,三、五十万的还是给得起的。

  答:前期采样、分离鉴定时间短,运气好大概一年半到两年吧,后面临床前研究稍长点也要个两三年吧,临床试验时间长要七八年,拿到批件可以上市的话就比较快了。三、五十万,是每月吗?不错可以的……诶,朋友别走呀,咱再聊聊,这个药物做成的概率还是比买彩票强好几十倍的呀……

  2.就算把杯子煮了吃下去也没用 

  问:儿子呀,微信朋友圈在传用红豆杉木杯喝水可以预防和治疗癌症,是不是真的呀?

  答:老妈,首先红豆杉是国家保护植物不能乱砍,另外它的化学成分紫杉醇也没有预防肿瘤的效果,再者这个成分含量很低,就算把这个木头杯子煮了吃下去这个量也非常少,达不到治疗效果,况且一天一个您也消化不了呀。还是用保温杯泡点枸杞喝喝吧,至少味道好呀。 

  3.运气不好的不要试 

  问:最近经常熬夜加班,身体有点虚。听朋友说附子炖排骨可以大补,还有一些民间有毒的植物也是如此,可以预防感冒,预防各类疾病都效果奇好,是真的吗?

  答:大补不大补的我不知道,炖得不好要命可是真的。在没有搞清楚植物里面的化学成分和生物活性之前,运气不好的最好不要去试。还是多锻炼身体,有规律的休息吧! 

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  (责任编辑:李雪)