IUPAC發(fā)布2021年十項(xiàng)新興技術(shù)，有沒有你的研究領(lǐng)域？
在你的研究領(lǐng)域中，什么是最熱門的新興技術(shù)？有哪些創(chuàng)新研究正在飛速發(fā)展，或許可以改變世界？最近，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）發(fā)布了2021年的“化學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)新興技術(shù)（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜單。計(jì)劃始于2019年，以紀(jì)念I(lǐng)UPAC成立100周年暨門捷列夫元素周期表首次出版150周年。今年是該榜單發(fā)布的第三屆，旨在體現(xiàn)化學(xué)家的價(jià)值，展示化學(xué)學(xué)科為社會(huì)和地球的可持續(xù)性發(fā)展做出的貢獻(xiàn)。
具體來說，IUPAC“2021年化學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)新興技術(shù)”包括[1-3]：
? 區(qū)塊鏈技術(shù)
? 半合成生命體
? 超潤濕性
? 人工腐殖質(zhì)
? RNA和DNA的化學(xué)合成
? 聲化學(xué)涂層
? 化學(xué)發(fā)光及生物成像應(yīng)用
? 氨的可持續(xù)生產(chǎn)
? 靶向蛋白質(zhì)降解
? 單細(xì)胞代謝組學(xué)
化學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)新興技術(shù)，似乎涵蓋了化學(xué)、化工、生物、醫(yī)療、材料、制藥、農(nóng)業(yè)、通訊等各個(gè)領(lǐng)域。嘿，誰讓化學(xué)是個(gè)綜合學(xué)科呢？諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)不也是大家公認(rèn)的“理綜獎(jiǎng)”么？不過，換個(gè)角度，這也說明了化學(xué)研究已經(jīng)深入到日常生活、工業(yè)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，越來越交叉正在成為化學(xué)專業(yè)未來發(fā)展的大趨勢。
? 區(qū)塊鏈技術(shù)——化學(xué)創(chuàng)新可追溯
區(qū)塊鏈可以存儲(chǔ)不同類型的信息，其最重要特征之一是可追溯性，通過加密算法對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。迄今為止最常見的用途是作為加密貨幣協(xié)議，中本聰（Satoshi Nakamoto）于2008年提出了區(qū)塊鏈的概念，并設(shè)計(jì)了廣為人知的比特幣。由于區(qū)塊鏈?zhǔn)欠稚⒋鎯?chǔ)的，沒有任何個(gè)人或團(tuán)體擁有控制權(quán)，輸入的數(shù)據(jù)理論上是永久記錄和可訪問的。因此，在化學(xué)工業(yè)上，區(qū)塊鏈技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)試劑供應(yīng)鏈的持續(xù)追蹤；在實(shí)驗(yàn)室，區(qū)塊鏈技術(shù)可以解決科學(xué)實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性的問題。目前，化工公司，如索爾維集團(tuán)、Evonik、巴斯夫、陶氏杜邦等，正在探索區(qū)塊鏈技術(shù)在化學(xué)生產(chǎn)中的應(yīng)用。德國科學(xué)家S?nke Bartling認(rèn)為，如果將區(qū)塊鏈應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)收集，或許可以顛覆論文出版、項(xiàng)目申請(qǐng)的評(píng)估模式，從根本上提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，保護(hù)科學(xué)家們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。預(yù)計(jì)到2030年，區(qū)塊鏈將產(chǎn)生超過3萬億美元的商業(yè)價(jià)值，其在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用肯定會(huì)占很大份額。
? 半合成生命體——生物化學(xué)與醫(yī)療
2014年，美國斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）的研究者成功地開發(fā)出含有人造遺傳堿基對(duì)的工程化菌株，開啟了半合成有機(jī)體的研究 [4]。隨后，科學(xué)家們進(jìn)一步擴(kuò)展了生命密碼，使更多人工合成的堿基對(duì)在細(xì)菌細(xì)胞中完成DNA復(fù)制。攜帶這些人造核苷酸堿基的大腸桿菌，可以將其轉(zhuǎn)錄成非天然氨基酸以及特殊的蛋白質(zhì)。CRISPR/Cas9等技術(shù)（2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）的迅速進(jìn)步，最大限度地減少了轉(zhuǎn)錄過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。非天然核苷酸和氨基酸的制備，為靶向治療提供了新的化學(xué)工具。未來，化學(xué)家或許會(huì)發(fā)現(xiàn)其他人造DNA堿基，以及合成新的非天然氨基酸，擴(kuò)大我們對(duì)生命體的認(rèn)知。
? 超潤濕性——數(shù)百年前的發(fā)現(xiàn)
1805年，英國科學(xué)家托馬斯?楊（Thomas Young）第一次提出了潤濕性的定義，并利用液滴在界面上的接觸角來解釋這一概念。經(jīng)過兩個(gè)多世紀(jì)的研究，科學(xué)家們對(duì)這種現(xiàn)象有了更深入的理解。受到大自然的靈感啟發(fā)，如荷葉上滾動(dòng)的水珠、蚊子和壁虎的腳、仙人掌的汲水過程等，研究者發(fā)現(xiàn)了表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)浸潤性的影響，并學(xué)會(huì)了如何調(diào)節(jié)材料表面的親疏水性能。超潤濕性材料在能源、健康、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域表現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，如分解水、去除污染物、紡織品自清潔、油水分離等。此外，這種微納結(jié)構(gòu)表面常常表現(xiàn)出獨(dú)特的流體動(dòng)力學(xué)特性和界面相互作用，可以提高化學(xué)反應(yīng)的速率和選擇性，為更綠色、更高效的催化化學(xué)工藝開辟了新的道路。
? 人工腐殖質(zhì)——可持續(xù)高效農(nóng)業(yè)
有機(jī)物分解成腐殖質(zhì)，是碳循環(huán)中僅次于光合作用的第二大過程，也是為土壤提供養(yǎng)分的主要方式之一。然而，該過程產(chǎn)生大量二氧化碳、甲烷等溫室氣體，據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和土地利用幾乎占所有溫室氣體排放量的三分之一?；瘜W(xué)家們提出了人工腐殖質(zhì)的設(shè)想，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳過程。目前，有幾種方法可以加速有機(jī)物的分解，其中水熱腐殖化是最有吸引力的方法之一。該技術(shù)模擬了自然過程，產(chǎn)生與天然腐殖質(zhì)相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品混合物，整個(gè)反應(yīng)易于控制，具有可持續(xù)性、高效率、清潔、安全等特點(diǎn)。目前，歐洲的研究所正致力于開發(fā)大規(guī)模制備人工腐殖物質(zhì)的試驗(yàn)工廠，這或許是抵消氣候變化負(fù)面影響的一個(gè)有吸引力的方案。
? RNA和DNA的化學(xué)合成——后疫情時(shí)代的未來
基于mRNA的新冠疫苗的研發(fā)成功，為未來攻克其他疾病，包括癌癥、艾滋病、流感和糖尿病等方面提供了新的途徑。經(jīng)過五十多年的磷酰胺化學(xué)的發(fā)展，RNA和DNA的合成已實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。該技術(shù)仍在不斷進(jìn)步，例如使用噴墨打印原理將DNA沉積到硅芯片上，并應(yīng)用于化學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前，微軟和Western Digital等大型IT公司目前正在探索化學(xué)合成DNA用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可能性。
? 聲化學(xué)涂層——更安全、耐用的材料
在一些獨(dú)特的條件下，化學(xué)品往往表現(xiàn)出令人驚訝的性能，產(chǎn)生以前無法想象的反應(yīng)能力。在這些現(xiàn)象中，利用聲波觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)尤為突出，并應(yīng)用于抗菌涂層或智能涂層等功能材料的制備。例如，利用聲化學(xué)技術(shù)將抗菌金屬納米顆粒（如銀、鋅）覆蓋于紡織品上，可以殺死99%以上的細(xì)菌和病毒，減少醫(yī)院感染的發(fā)生。而且，聲化學(xué)涂層更加耐用，可以承受多次洗滌仍保持性能。有些聲化學(xué)涂層檢測到致病細(xì)菌時(shí)，會(huì)改變顏色，這使其在食品安全等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，可以檢測食品狀態(tài)，延長食品的保質(zhì)期。
? 化學(xué)發(fā)光及生物成像應(yīng)用——提升檢測速度和靈敏度
無論是在犯罪現(xiàn)場檢測血液（比如，魯米諾），還是在顯微鏡下點(diǎn)亮生物樣本（比如，綠色熒光蛋白），發(fā)光分子都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。如今，科學(xué)家們?nèi)灾铝τ诟咝Щ瘜W(xué)探針的開發(fā)，例如基于二氧雜環(huán)丁烷衍生物的探針材料，即使在有水的情況下也能發(fā)出明亮的光，不需要有機(jī)溶劑的幫助，特別適合用于生命系統(tǒng)進(jìn)行成像。這類探針對(duì)沙門氏菌和李斯特菌等表現(xiàn)出超靈敏性，在檢測某些類型的腫瘤方面也顯示出巨大的應(yīng)用潛力。
? 氨的可持續(xù)生產(chǎn)——綠色替代方案
Harber-Bosch工藝奠定了現(xiàn)代合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)，極大的促進(jìn)了化肥工業(yè)，推動(dòng)了20世紀(jì)人口的增長。盡管經(jīng)過了一百多年的改進(jìn)，能耗高、大量排放二氧化碳一直是其難以解決的問題。為了改變這一現(xiàn)狀，化學(xué)家們正在尋找更有效的合成方法，例如受藍(lán)藻中的固氮酶啟發(fā)，開發(fā)出新型的催化劑。另一種方法是通過電化學(xué)合成，利用電能打破氮-氮三鍵，同時(shí)從水中獲取氫原子，實(shí)現(xiàn)工業(yè)合成氨。這里的主要挑戰(zhàn)是如何降低所需的電勢，同時(shí)最大限度地提高活性和選擇性。盡管到目前為止，該方案還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到Harber-Bosch工藝的水平，但綠色的愿景、合成氨工業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)效益都在推動(dòng)這一領(lǐng)域向前發(fā)展。
?靶向蛋白質(zhì)降解——“細(xì)胞機(jī)制”改變制藥業(yè)
靶向蛋白質(zhì)降解（TPD），是一種在制藥行業(yè)具有巨大潛力的化學(xué)工具。該技術(shù)原理很簡單，利用我們自己的細(xì)胞來消除有害蛋白質(zhì)。在TPD之前，阻斷蛋白質(zhì)的策略主要局限于抑制劑，而TPD技術(shù)提供了更多治療優(yōu)勢，單一降解藥物甚至可以通過蛋白酶降解破壞多種致病蛋白。這項(xiàng)研究在癌癥治療中顯示出巨大的前景，已經(jīng)吸引了各大型制藥公司的投資，包括睿躍生物、Kymera、Nurix、輝瑞、拜耳、諾華和安進(jìn)等，并正在催生更多的初創(chuàng)企業(yè)。臨床試驗(yàn)顯示，該技術(shù)或許可以徹底治療與蛋白質(zhì)積累有關(guān)的疾病，如帕金森病和阿爾茨海默病。
? 單細(xì)胞代謝組學(xué)——每次只分析一個(gè)細(xì)胞
隨著成像和質(zhì)譜等設(shè)備的發(fā)展，以及靈敏度的提高，化學(xué)家們可以觀察單個(gè)細(xì)胞的代謝情況，并同時(shí)分析幾種代謝產(chǎn)物，獲得有關(guān)細(xì)胞途徑、生物機(jī)制以及細(xì)胞樣品的獨(dú)特指紋信息，這為單細(xì)胞代謝組學(xué)的研究發(fā)展提供了可能。特別是在新冠大流行的背景下，單細(xì)胞代謝組學(xué)展示出巨大的應(yīng)用潛力，可以幫助科學(xué)家更好的解釋入侵病毒與細(xì)胞之間的相互作用，深入研究病毒的感染過程，為疾病特效藥的研發(fā)提供了更可靠的實(shí)驗(yàn)支持。
IUPAC評(píng)選出的十項(xiàng)新興技術(shù)，兼具前瞻性和創(chuàng)新性，或許正在顛覆化學(xué)科學(xué)和其他領(lǐng)域。負(fù)責(zé)榜單評(píng)選的IUPAC副總裁Javier García Martínez說，“這十項(xiàng)新興技術(shù)，為創(chuàng)新的新機(jī)會(huì)、研究和工業(yè)的新途徑提供了全新的視角”。那么，你的研究領(lǐng)域，是否出現(xiàn)在本年度的榜單中呢？
參考文獻(xiàn)：
[1] Top Ten Emerging Technologies in Chemistry
https：//iupac.org/what-we-do/top-ten/
[2] Fernando Gomollón-Bel。 IUPAC Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2021。 Chemistry International， 2021， 43， 13-20。 DOI： 10.1515/ci-2021-0404
[3] Chemistry union reveals its latest top 10 emerging technologies
[4] D。 Malyshev， et al。 A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet。 Nature， 2014， 509， 385-388。 DOI： 10.1038/nature13314
[5] F。-V。 Amparo， et al。 Sonochemical coating of Prussian Blue for the production of smart bacterial-sensing hospital textiles。 Ultrason。 Sonochem。， 2021， 70， 105317。
[6] M。 Powell， et al。 Targeted Protein Degradation： The New Frontier of Antimicrobial Discovery？ ACS Infect。 Dis。， 2021， 7， 2050-2067。
DOI： 10.1021/acsinfecdis.1c00203
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（本文由小希供稿）