化學研究路上的偶然與選擇

謝應龍集化學與電算於一身

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。

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。

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。

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