如果你问马克·莱文(Mark Levin)，是什么让他对自己的工作感到兴奋，这位芝加哥大学(University of Chicago)的化学副教授可以兼做诗人。他兴奋地说:“我们是唯一一个核心是制造宇宙中其他地方从未存在过的东西的科学领域之一，如果我们不干预，这些东西就不会存在。”“我们可以在原子水平上操纵物质，把它塑造成我们能想到的任何目的。”
这些东西中有一些本不可能存在，但对人类却有着巨大的价值。从合成染料到赛璐珞，从材料到药物，合成化学使我们的世界变得更加丰富，并帮助我们活得更久，享受生活。
只要付出足够的努力，今天的化学家几乎可以合成任何可以想象的分子，但他们的方法是有限的，依赖于可用的分子构建块，并且可能需要许多步骤。加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的化学家里士满·萨蓬(Richmond Sarpong)教授解释说:“目前采用的方法是在已经存在的分子上添加其他化学基团，这只会改变它的外围。”
当涉及到从根本上改变现有分子时——比如在许多有机化合物中心的碳原子环内——莱文将这些原子和键比作儿童小叮当玩具中的连接器和棒:“很明显，当你看着玩具时，改变它的最好方法就是把你不想要的部分抽出来，然后把新的放进去，”他说。“这一直困扰着我，因为我们没有能力用化学方法做到这一点。”
也就是说，直到现在。
部分受到革命性的基因组编辑技术Crispr-Cas9的启发，莱文和萨普恩等少数化学家正在开发插入、删除和交换分子内单个原子的新方法。他们称之为“骨骼编辑”，他们希望这将改变他们的领域——以及我们的世界。
“编辑”这个词让人想起化学家用纳米镊子改变原子，但这远远不够高效。“如果你想制造一摩尔，”莱文解释说，“你必须用那把镊子做1023次。”一摩尔是化学中使用的测量单位。
相反，在这种新方法中，他们利用化学试剂、催化剂或光来进行成千上万次的编辑。莱文解释说:“我们本质上做的是设计像镊子一样的分子。”
从这个意义上说，骨骼编辑是已建立的合成化学的延续——与其说是一个单一的工具，不如说是一个不断增长的工具箱。“这不是一件事，”萨蓬说。“这是一种概念，一种思维方式，它激发了一种看待事物的新方式，并产生了我五年前无法想象的结果。”
一些最令人兴奋的结果，至少对萨普昂和莱文来说，是在药物设计方面。
科学家们通常通过确定在疾病中起作用的生物靶标来制造新药，然后筛选数十万个分子，找到可能与之相互作用的“命中”化合物。辉瑞公司合成、炎症、免疫学和抗感染化学主管大卫·布莱克莫尔承认:“为药物发现项目制造分子需要许多化学步骤和大量时间。”
近几十年来，这项工作越来越多地由计算机完成，而所谓的硅筛选技术现在如此先进，以至于合成化学有时很难跟上。
剑桥大学首席执行官罗伯特·斯科芬博士说:“我可以设计出一种看起来合理的分子，或者遵循所有化学规则。药物研发公司Cresset说，“合成药物的人会看到它，然后说:‘对不起，我真的做不到，否则你会花很多钱，真的不值得去做。’”
o一旦他们成功地拼凑出一种他们想要研究的分子，药物化学家就必须对其进行优化，以提高疗效并减少副作用——将“热门”化合物转化为“先导”化合物。
这可能很费力。例如，化学家通常会用氮原子占据其结构中每个可能位置的分子版本进行测试，虽然编辑分子外围的原子相对简单，但改变其核心的原子可能就像叠叠游戏的最后一轮一样棘手。
“是时候了需要改变中心支架本身，”布莱克莫尔解释说。“我们通常需要从零开始制造一个新的支架，这通常需要很多步骤。”
莱文说:“这就像拆掉你的房子，重建它只是为了改造一个浴室。”“这类应用中的一切都是关于速度，当你和毒品打交道的时候，你说的是关于等待治愈或更好治疗的病人。”
骨架编辑可以极大地加快药物发现的速度，瑞士联邦理工学院比尔·莫兰迪教授团队的博士生朱莉娅·赖森鲍尔(Julia Reisenbauer)和费城坦普尔大学(Temple University)的萨拉·温格里纽克(Sarah Wengryniuk)教授等化学家现在已经开发出了可以将单个氮原子和氧原子插入某些分子中心环的反应，从而避免了从头开始的需要。
牛津大学(Oxford University)有机化学教授马丁?史密斯(Martin Smith)表示:“这将提高我们制造产品的速度，并增加我们可以制造的产品的多样性。”“这绝对是药物发现过程的一部分，也将是材料发现过程的一部分。”
为了制造一种新的合成材料，化学家们通常不需要分子——可以是0的小分子它们连在一起，并重复多次形成聚合物。这种让渡Nal方法限制了他们的设计使用0只有可用的单体，难以获得或不可持续。
“另一种方法是什么时候北卡罗来纳大学教堂山分校(University of North Carolina at Chapel Hill)化学助理教授亚历山大·朱霍夫维茨基(Aleksandr Zhukhovitskiy)说:“当你遇到问题时，你可以设计一种不受这些限制的聚合物。”“(骨架)编辑将允许你从其他东西中获得材料，然后可以更容易地获取这些材料，或者可能通过更可持续的构建块来获取这些材料。”
Zhukhovitskiy的实验室已经开发出一种骨骼编辑反应来合成乙烯基聚合物——从有机玻璃到油漆的所有东西都使用乙烯基单体，有效地制造出不需要石化产品的石化塑料。
然而，随着地球已经被过量的塑料所窒息，制造更多塑料的方法不一定有吸引力。除了人类的疏忽之外，众所周知，塑料很难回收利用，因为它的塑料链很长ng博原子构成了它们的骨干。这些波NDS有时可以被极端高温打破，但这个过程很难持续下去。朱霍夫维茨基说:“即使它能起作用，也需要大量的能量输入。”
他的团队现在正在研究一种骨骼编辑反应，可以插入弱的l油墨的主干是塑料聚乙烯，使得那些坚韧的薄板有可能断裂NDS在相对温和的条件下。“突然之间，你的聚合物在许多方面仍然表现得像聚乙烯，但变得更容易切割，”他说。“我认为这是一个非常令人兴奋的目标，也是一个非常具有挑战性的目标。”
朱霍夫维茨基的团队即将完成一项由政府资助的项目，利用骨骼编辑技术回收橡胶，工业领域对这些技术的兴趣越来越大，尤其是制药行业。
辉瑞公司的大卫?布莱克莫尔表示:“目前，我们正在研究现有的骨骼编辑方法，看看它在广泛的分子范围内的适用性，以帮助我们了解范围和局限性。”“我们已经有了一个项目我们已经使用骨骼编辑反应来制作一个简单的支架，并将其加工成先导化合物。”
布莱克莫尔说，现在“还处于早期阶段”，并补充说，他们的项目只是演示说明了骨骼编辑的“潜在力量”。确实是0直到2018年，Sarpong的团队才成为第一批开始研究这些反应的团队之一，大多数进展都发生在过去两年，但进展很快。莱文估计，一个用于药物发现的完整的骨骼编辑工具箱可能涉及1000种不同的反应，现在是一个大约5%满了。“但你必须记住，这已经两年了，”他说，“你知道，5%并不坏;事实上，5%已经很不错了。”
尽管如此，这些反应中有一些可能是无效的只生产少量的产品，许多使用挥发性试剂可能对药物发现有用，但不适合工业使用，而有些反应可能更环保比起现有的方法，其他方法在精神上的可持续性可能更差。批评人士也可能会说，这5%是唾手可得的成果，而剩下的95%可能是唾手可得的成果即使不是不可能，也要困难得多。
“我认为这是一个原因除非有其他证据，否则我无法胜任。”“而我的实验室的全部目标就是证明事实并非如此。”
全球越来越多的实验室加入了他的行列，这些实验室的努力正在迅速加快发现的步伐。他说:“如果我想象中的工具箱真的实现了，它将真正取代我们做化学的很多方法。”
一个完整的骨架编辑工具箱可以做得更多。理论上，它可能会导致未来的发明，如自动合成实验室，甚至人向医学。
斯考芬建议，例如，在癌症治疗中，当“每个肿瘤都是不同的:你可以想象一个世界你可以设计出正确的分子去攻击特定的肿瘤，你有一个合成器你可以画出那个分子，点击一个按钮，它就形成了。这为这类人打开了一个巨大的可能性世界精准医疗。”
我们可能永远不会到达那个阶段，但每一种新的骨骼编辑反应都可能为更多更好的药物、新材料、更好的作物保护以及一系列其他问题的解决方案打开大门。然而，萨蓬认为这些都是“相当短视的预测”。
“我想得最多重要的是它改变了化学家的思维方式，”他说。“这意味着可能性是无限的。”
对莱文来说，这些可能性又回到了对操纵物质的纯粹迷恋，创造出原本可能永远不存在的东西。
“我们已经到了合成化学的地步人们真诚地相信大多数分子都是co只要有足够的时间和精力，就能搞定。”“但也有几个明显的例外。我想如果我们能演示一下如果我们能够制作一些带有骨架编辑的游戏，那就太棒了。”
莱文不愿透露具体是哪些例外，但他的团队已经看到了两个例外。骨骼编辑能使我们无法实现的分子变为现实吗以前只能想象?
“我们离目标越来越近了，”他说。“我们正在接近目标。”
