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聚焦重点领域 系统谋划未来产业发展******

　　作者：鹿文亮、王晓明（中国科学院科技战略咨询研究院）

　　近年来，我国在新能源汽车、人工智能、量子信息、绿色低碳、基因技术等领域取得了一系列重大科技创新成果，培养了一批科技领军人才，孵化了一批科技创新型企业，这些都为我国开辟新赛道、谋划未来产业发展创造了能力和条件。

　　我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出，前瞻谋划未来产业。在类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。国家层面高度重视，多部委提出要布局和发展未来产业。科技部、教育部发文确定了10个未来产业科技园建设试点以及1个建设试点培育。进一步明确未来产业重点领域，推进典型应用场景示范，培育产业创新生态，系统谋划未来产业发展具有重要意义。

　　我国已具备发展未来产业的能力和条件

　　近年来，我国在新能源汽车、人工智能、量子信息、绿色低碳、基因技术等领域取得了一系列重大科技创新成果，培养了一批科技领军人才，孵化了一批科技创新型企业，这些都为我国开辟新赛道、谋划未来产业发展创造了能力和条件，具体表现在以下几个方面：

　　在科技创新方面，我国已经构建了从国家到区域的科技创新体系，不断强化战略科技力量。先后布局了一批大科学装置，为我国在基因技术、未来网络、绿色低碳等未来产业方向的技术突破奠定了基础。国家层面支持有条件的地方建设综合性国家科学中心或区域科技创新中心，使之成为世界科学前沿领域和新兴产业技术创新的高地和创新要素的汇聚地，构建了“国家+区域”的科技创新体系。形成了由国家科研机构、高水平研究型大学、科技领军企业构成的国家战略科技力量，并不断强化战略科技力量的创新能力。

　　在产业发展方面，近十年战略性新兴产业的持续发展在部分领域形成了全球影响力。我国在5G、北斗、高铁、特高压、新能源汽车等领域取得了显著成绩。新能源汽车实现弯道超车，构建了完整的产业链条，产销量连续多年位于全球第一。我国还建成了全球最大的5G网络，中国企业声明的5G标准必要专利占比达到38.2%，并逐步拓展5G在工业、交通、制造等多个行业的融合应用。我国在战略性新兴产业方面取得的成就，为我们开展前沿技术创新及发展未来产业奠定了基础。

　　从发展经验来看，我国初步探索了前沿技术创新的发展模式和路径，积累了培育未来产业的经验。过去十年来，依托区域创新体系建设和战略性新兴产业发展，我国在创新主体和平台建设、科技成果转化等方面，建立了包括人才、知识产权、风险投资等在内的要素和市场体系。在云计算、大数据、人工智能、5G等领域发挥了民营企业和平台公司的创新作用，在高铁、特高压等高端装备领域探索新型举国体制，积累了培育发展未来产业的经验。

　　面向重点领域布局未来产业生态体系

　　未来产业具有依托新技术、引领新需求、创造新动力和扩展新空间的“四新”特征。发展未来产业要充分考虑国家发展战略需求，还要考虑到未来产业的前瞻性和不确定性。为此，要统筹布局，把握未来产业发展方向，在不确定性中寻找确定性，通过推进科技成果转化来实现未来产业落地发展。在特定区域先行先试，通过创新政策、创新场景培育一批“新物种”企业，构建未来产业生态。

　　首先，面向国家发展战略需求，明确我国未来产业重点领域和发展方向。未来产业是由重大前沿技术创新驱动，对我国经济社会具有支撑引领作用，当前处于萌芽或产业化初期的前瞻性新兴产业。未来产业的发展具有不确定性，但从技术发展趋势和未来消费需求升级来看，未来产业的发展又有一定的确定性。以“十四五”规划中未来产业的六大领域为重点，中央经济工作会议进一步明确，加快推进新能源、人工智能、生物制造、绿色低碳、量子计算等前沿技术研发和应用推广。确定优先发展的未来产业方向，进一步组织攻关一批需要重点突破的关键核心技术。

　　其次，加快推进前沿技术的产业化落地，建设一批“未来+”应用场景。将未来产业的创新技术与行业需求进行匹配，探索未来产业技术和产品的重点应用领域。面向“未来+”场景，推进“技术创新—产品研发—场景应用”的融合创新，打造未来城市、未来能源、未来交通、未来制造、未来农业、未来健康等重点场景。发挥场景创新的牵引作用，率先引导一批技术成熟度高、产业化能力强、市场需求旺盛的未来产业前沿技术在应用场景和行业领域产业化落地。

　　最后，遵循产业发展规律，培育未来产业创新生态。遵循从前沿技术创新到产业化应用的发展规律，以原始创新为引领，按照“技术创新—成果转化—示范应用—生态培育”的发展思路，制定一批创新政策和管理规范，攻克一批战略性和引领性的前沿技术，孵化一批未来产业“专精特新”和“新物种”企业，建成一批未来产业示范应用新场景，培育竞争力强、经济效益好、具备一定国际竞争力的未来产业创新生态。

　　为未来产业配置资源要素和发展空间

　　发展未来产业具有战略意义，但由于未来产业成熟度较低，回报周期长，早期应给予引导与支持。一方面是将资金、人才等要素向未来产业技术研发和产业化倾斜，提升产业成熟度；另一方面则是通过模式创新和领域开放，为未来产业提供发展空间。具体可以从以下几方面发力：

　　一是引导科技研发项目向未来产业重点领域倾斜，突破一批关键核心技术。科技政策聚焦自立自强，完善新型举国体制，发挥政府在关键核心技术攻关中的组织作用。面向我国未来产业发展需求，推动相关部门、研发机构和科技企业自上而下地布局科研项目向未来产业重点领域倾斜。针对产业发展的短板环节和可能形成战略长板的领域方向，引导战略科技力量增加研发投入。

　　二是建立未来产业创新激励政策，汇集未来产业资源要素。制定财税、金融、人才等产业政策，并在未来产业先导区先行先试，利用产业政策汇集人才、资金等要素，并探索政策的精准性和效能。政府层面设立未来产业“母基金”，并与市场资金共同设立专项“子基金”进行投资，同时发挥政府引导作用和市场选择作用。发展与安全并举，加强金融监管，推动形成“科技—产业—金融”良性循环发展。

　　三是鼓励模式创新与新兴领域探索，为未来产业提供发展空间。在涉及国家战略的未来产业领域，发挥新型举国体制的技术攻关组织和产业化推动作用。在关系到国家安全的未来产业自主创新领域，发挥政府采购等的作用，为新技术、新产品提供市场空间。

诺奖问答| 2022 年诺贝尔化学奖授予点击化学和生物正交化学，有哪些信息值得关注？******

　　相比起今年诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖的高冷，今年诺贝尔化学奖其实是相当接地气了。

　　你或身边人正在用的某些药物，很有可能就来自他们的贡献。

　　2022 年诺贝尔化学奖因「点击化学和生物正交化学」而共同授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西、丹麦化学家莫滕·梅尔达、美国化学家巴里·夏普莱斯（第5位两次获得诺贝尔奖的科学家）。

　　一、夏普莱斯：两次获得诺贝尔化学奖

　　2001年，巴里·夏普莱斯因为「手性催化氧化反应[1] [2] [3]」获得诺贝尔化学奖，对药物合成（以及香料等领域）做出了巨大贡献。

　　今年，他第二次获奖的「点击化学」，同样与药物合成有关。

　　1998年，已经是手性催化领军人物的夏普莱斯，发现了传统生物药物合成的一个弊端。

　　过去200年，人们主要在自然界植物、动物，以及微生物中能寻找能发挥药物作用的成分，然后尽可能地人工构建相同分子，以用作药物。

　　虽然相关药物的工业化，让现代医学取得了巨大的成功。然而随着所需分子越来越复杂，人工构建的难度也在指数级地上升。

　　虽然有的化学家，的确能够在实验室构造出令人惊叹的分子，但要实现工业化几乎不可能。

　　有机催化是一个复杂的过程，涉及到诸多的步骤。

　　任何一个步骤都可能产生或多或少的副产品。在实验过程中，必须不断耗费成本去去除这些副产品。

　　不仅成本高，这还是一个极其费时的过程，甚至最后可能还得不到理想的产物。

　　为了解决这些问题，夏普莱斯凭借过人智慧，提出了「点击化学（Click chemistry）」的概念[4]。

　　点击化学的确定也并非一蹴而就的，经过三年的沉淀，到了2001年，获得诺奖的这一年，夏普莱斯团队才完善了「点击化学」。

　　点击化学又被称为“链接化学”，实质上是通过链接各种小分子，来合成复杂的大分子。

　　夏普莱斯之所以有这样的构想，其实也是来自大自然的启发。

　　大自然就像一个有着神奇能力的化学家，它通过少数的单体小构件，合成丰富多样的复杂化合物。

　　大自然创造分子的多样性是远远超过人类的，她总是会用一些精巧的催化剂，利用复杂的反应完成合成过程，人类的技术比起来，实在是太粗糙简单了。

　　大自然的一些催化过程，人类几乎是不可能完成的。

　　一些药物研发，到了最后却破产了，恰恰是卡在了大自然设下的巨大陷阱中。

　　　夏普莱斯不禁在想，既然大自然创造的难度，人类无法逾越，为什么不还给大自然，我们跳过这个步骤呢？

　　大自然有的是不需要从头构建C-C键，以及不需要重组起始材料和中间体。

　　在对大型化合物做加法时，这些C-C键的构建可能十分困难。但直接用大自然现有的，找到一个办法把它们拼接起来，同样可以构建复杂的化合物。

　　其实这种方法，就像搭积木或搭乐高一样，先组装好固定的模块（甚至点击化学可能不需要自己组装模块，直接用大自然现成的），然后再想一个方法把模块拼接起来。

　　诺贝尔平台给三位化学家的配图，可谓是形象生动[5] [6]：

　　夏普莱斯从碳-杂原子键上获得启发，构想出了碳-杂原子键（C-X-C）为基础的合成方法。

　　他的最终目标，是开发一套能不断扩展的模块，这些模块具有高选择性，在小型和大型应用中都能稳定可靠地工作。

　　「点击化学」的工作，建立在严格的实验标准上：

　　反应必须是模块化，应用范围广泛

　　具有非常高的产量

　　仅生成无害的副产品

　　反应有很强的立体选择性

　　反应条件简单(理想情况下，应该对氧气和水不敏感)

　　原料和试剂易于获得

　　不使用溶剂或在良性溶剂中进行(最好是水)，且容易移除

　　可简单分离，或者使用结晶或蒸馏等非色谱方法，且产物在生理条件下稳定

　　反应需高热力学驱动力（>84kJ/mol）

　　符合原子经济

　　夏尔普莱斯总结归纳了大量碳-杂原子，并在2002年的一篇论文[7]中指出，叠氮化物和炔烃之间的铜催化反应是能在水中进行的可靠反应，化学家可以利用这个反应，轻松地连接不同的分子。

　　他认为这个反应的潜力是巨大的，可在医药领域发挥巨大作用。

　　二、梅尔达尔：筛选可用药物

　　夏尔普莱斯的直觉是多么地敏锐，在他发表这篇论文的这一年，另外一位化学家在这方面有了关键性的发现。

　　他就是莫滕·梅尔达尔。

　　梅尔达尔在叠氮化物和炔烃反应的研究发现之前，其实与“点击化学”并没有直接的联系。他反而是一个在“传统”药物研发上，走得很深的一位科学家。

　　为了寻找潜在药物及相关方法，他构建了巨大的分子库，囊括了数十万种不同的化合物。

　　他日积月累地不断筛选，意图筛选出可用的药物。

　　在一次利用铜离子催化炔与酰基卤化物反应时，发生了意外，炔与酰基卤化物分子的错误端（叠氮）发生了反应，成了一个环状结构——三唑。

　　三唑是各类药品、染料，以及农业化学品关键成分的化学构件。过去的研发，生产三唑的过程中，总是会产生大量的副产品。而这个意外过程，在铜离子的控制下，竟然没有副产品产生。

　　2002年，梅尔达尔发表了相关论文。

　　夏尔普莱斯和梅尔达尔也正式在“点击化学”领域交汇，并促使铜催化的叠氮-炔基Husigen环加成反应（Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition），成为了医药生物领域应用最为广泛的点击化学反应。

　　三、贝尔托齐西：把点击化学运用在人体内

　　不过，把点击化学进一步升华的却是美国科学家——卡罗琳·贝尔托西。

　　虽然诺奖三人平分，但不难发现，卡罗琳·贝尔托西排在首位，在“点击化学”构图中，她也在C位。

　　诺贝尔化学奖颁奖时，也提到，她把点击化学带到了一个新的维度。

　　她解决了一个十分关键的问题，把“点击化学”运用到人体之内，这个运用也完全超出创始人夏尔普莱斯意料之外的。

　　这便是所谓的生物正交反应，即活细胞化学修饰，在生物体内不干扰自身生化反应而进行的化学反应。

　　卡罗琳·贝尔托西打开生物正交反应这扇大门，其实最开始也和“点击化学”无关。

　　20世纪90年代，随着分子生物学的爆发式发展，基因和蛋白质地图的绘制正在全球范围内如火如荼地进行。

　　然而位于蛋白质和细胞表面，发挥着重要作用的聚糖，在当时却没有工具用来分析。

　　当时，卡罗琳·贝尔托西意图绘制一种能将免疫细胞吸引到淋巴结的聚糖图谱，但仅仅为了掌握多聚糖的功能就用了整整四年的时间。

　　后来，受到一位德国科学家的启发，她打算在聚糖上面添加可识别的化学手柄来识别它们的结构。

　　由于要在人体中反应且不影响人体，所以这种手柄必须对所有的东西都不敏感，不与细胞内的任何其他物质发生反应。

　　经过翻阅大量文献，卡罗琳·贝尔托西最终找到了最佳的化学手柄。

　　巧合是，这个最佳化学手柄，正是一种叠氮化物，点击化学的灵魂。通过叠氮化物把荧光物质与细胞聚糖结合起来，便可以很好地分析聚糖的结构。

　　虽然贝尔托西的研究成果已经是划时代的，但她依旧不满意，因为叠氮化物的反应速度很不够理想。

　　就在这时，她注意到了巴里·夏普莱斯和莫滕·梅尔达尔的点击化学反应。

　　她发现铜离子可以加快荧光物质的结合速度，但铜离子对生物体却有很大毒性，她必须想到一个没有铜离子参与，还能加快反应速度的方式。

　　大量翻阅文献后，贝尔托西惊讶地发现，早在1961年，就有研究发现当炔被强迫形成一个环状化学结构后，与叠氮化物便会以爆炸式地进行反应。

　　2004年，她正式确立无铜点击化学反应（又被称为应变促进叠氮-炔化物环加成），由此成为点击化学的重大里程碑事件。

　　贝尔托西不仅绘制了相应的细胞聚糖图谱，更是运用到了肿瘤领域。

　　在肿瘤的表面会形成聚糖，从而可以保护肿瘤不受免疫系统的伤害。贝尔托西团队利用生物正交反应，发明了一种专门针对肿瘤聚糖的药物。这种药物进入人体后，会靶向破坏肿瘤聚糖，从而激活人体免疫保护。

　　目前该药物正在晚期癌症病人身上进行临床试验。

　　不难发现，虽然「点击化学」和「生物正交化学」的翻译，看起来很晦涩难懂，但其实背后是很朴素的原理。一个是如同卡扣般的拼接，一个是可以直接在人体内的运用。

「　　点击化学」和「生物正交化学」都还是一个很年轻的领域，或许对人类未来还有更加深远的影响。（宋云江）

　　参考

　　https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2001/press-release/

　　Pfenninger, A. Asymmetric Epoxidation of Allylic Alcohols: The Sharpless Epoxidation[J]. Synthesis, 1986, 1986(02):89-116.

　　Rao A S . Addition Reactions with Formation of Carbon–Oxygen Bonds: (i) General Methods of Epoxidation - ScienceDirect[J]. Comprehensive Organic Synthesis, 1991, 7:357-387.

　　Kolb HC, Finn MG, Sharpless KB. Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions. Angew Chem Int Ed Engl. 2001 Jun 1;40(11):2004-2021.

　　https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-chemistryprize2022.pdf

　　https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-chemistryprize2022.pdf

　　Demko ZP, Sharpless KB. A click chemistry approach to tetrazoles by Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition: synthesis of 5-acyltetrazoles from azides and acyl cyanides. Angew Chem Int Ed Engl. 2002 Jun 17;41(12):2113-6. PMID: 19746613.

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）