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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-11-10 21:38
第三屆世界科技與發(fā)展論壇當(dāng)天下午在北京閉幕，中國化學(xué)會副理事長帥志剛在閉幕式上發(fā)布最新評出的“2021年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”，它們分別是：
區(qū)塊鏈技術(shù)
數(shù)字化的進(jìn)步使化學(xué)創(chuàng)新更具可重復(fù)性和可追蹤性
Solvay、Evonik和BASF是一些正在探索區(qū)塊鏈技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中處于世界領(lǐng)先的公司。此外，許多人認(rèn)為，由于區(qū)塊鏈的主要內(nèi)置功能之一——可追溯性，它是實現(xiàn)科學(xué)研究變得具有更多重復(fù)性的關(guān)鍵。早在2008年，中本聰就構(gòu)思和設(shè)計了區(qū)塊鏈。盡管許多其他計算機科學(xué)家在20世紀(jì)80年代和90年代也提出過類似的想法。中本聰設(shè)計了深受人們喜愛的加密貨幣比特幣，其本質(zhì)是一份數(shù)字金融記錄和貨幣交易的清單，用加密算法連接，并由分布式點對點的用戶網(wǎng)絡(luò)來管理。此后，專家們將這種技術(shù)用于開發(fā)其他應(yīng)用，如智能合約、數(shù)字股票和藝術(shù)品中重要的真實性證明。根據(jù)設(shè)計，區(qū)塊鏈提供了一個不可改變的儲存庫來記錄任何種類的交易，這在整個科學(xué)研究過程中提供了巨大的可能性。由于交易的原始記錄在嚴(yán)格的加密保護(hù)下被安全地保存在整個計算機網(wǎng)絡(luò)中，欺詐性的改動很快就會被發(fā)現(xiàn)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所以及其他著名機構(gòu)認(rèn)為，區(qū)塊鏈可以使所有領(lǐng)域的科學(xué)家受益，并解決諸如可重復(fù)性等重要問題。例如，英國的化學(xué)家已經(jīng)探索了利用區(qū)塊鏈來追蹤一系列簡單的計算結(jié)果。他們的初步結(jié)果表明，這種類型的加密環(huán)境可以同時提高透明度和可獲得性，因為該過程的每一步都被記錄下來并在數(shù)字賬本中共享。
德國研究員Sönke Bartling相信，區(qū)塊鏈對研究的好處不僅僅在于安 全的實驗室記錄本和數(shù)據(jù)收集，還能增進(jìn)研究工作的出版、資助、評估和認(rèn)可。事實上，世界知識產(chǎn)權(quán)組織正在探索區(qū)塊鏈改造知識產(chǎn)權(quán)（IP）行業(yè)的潛力——從發(fā)明者的證明材料到版權(quán)費的管理?；瘜W(xué)公司在這一方面希望保持領(lǐng)先地位；許多公司已經(jīng)創(chuàng)建了基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)，以實現(xiàn)其供應(yīng)鏈的現(xiàn)代化。這項技術(shù)保證了所有各方的安全交易，將可追溯性提高到前所未有的詳細(xì)程度。“智能合同”是完全自動化的，能夠持續(xù)跟蹤化學(xué)品從原材料到市場貨架的情況。歐洲化學(xué)品制造商也在探索區(qū)塊鏈推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可能性——通過更容易、更可靠的生命周期評估，區(qū)塊鏈將可能提高可回收性，改善資源的利用，并最終降低整體成本。區(qū)塊鏈在化學(xué)領(lǐng)域的可能性的另一個證明是，歐盟委員會通過不同的資助項目支持的初創(chuàng)公司的大量出現(xiàn)，包括ChemChain等。這家公司通過其去中心化的加密賬本，來確?；?學(xué)品的數(shù)據(jù)和信息得到充分保護(hù)，這吸引了陶氏-杜邦等領(lǐng)先企業(yè)的關(guān)注。預(yù)計到2030年，區(qū)塊鏈將產(chǎn)生超過3萬億美元的商業(yè)價值，而其在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用肯定會占其中的很大份額。
半合成生命體
拓展生物化學(xué)和治療學(xué)的新字母
煉金術(shù)士們夢想將鉛轉(zhuǎn)化為金。如今，化學(xué)家們幻想著擴(kuò)展生命的密碼——一個隱藏生物信息的通用系統(tǒng)。在過去的幾年里，這個領(lǐng)域已經(jīng)成為現(xiàn)實，并且已經(jīng)取得了一些了不起的里程碑。經(jīng)過幾十年的失敗嘗試，Scripps研究所的一個研究小組終于在2014年成功地將兩個人造字母添加到基因字母表中，其綽號分別為X和Y。從 那時起，科學(xué)家們進(jìn)一步擴(kuò)大了基因字母表，增加了B、P、S和Z等新堿基。所有這些合成的核苷酸可以在我們的基因組中填充新的“詞匯”、新的想法——例如創(chuàng)造用于診斷、治療以及其他方面的拯救生命的蛋白質(zhì)所需的信息。最終，化學(xué)家們還設(shè)計了新的生物系統(tǒng)來解釋和利用這些非自然的字母。大腸桿菌的基因工程菌株在其DNA中攜帶這些人工核苷酸堿基，并將其編碼的信息轉(zhuǎn)錄為不尋常的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)還具有非傳統(tǒng)的氨基酸，如吡咯賴氨酸和偶氮苯丙氨酸。如今，化學(xué)家們正在研究如何完善這些人工生化機器，開發(fā)新的系統(tǒng)以盡量減少轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中出現(xiàn)錯誤的數(shù)量，這得益于贏得諾貝爾獎的 CRISPR/Cas9等技術(shù)的迅速發(fā)展。這些發(fā)現(xiàn)的意義超越了化學(xué)本身——生命的基本構(gòu)筑單元超出了我們本身所擁有的范圍，這引發(fā)了對地外生命可能是什么樣子的新思考。除了哲學(xué)問題，非天然核苷酸和氨基酸為設(shè)計靶向治療藥物提供了新的化學(xué)工具，包括THOR-707，一種目前正在進(jìn)行臨床試驗的針對轉(zhuǎn)移性實體腫瘤的藥劑。引領(lǐng)這項技術(shù)的公司之一是Synthorx公司，由合成生命學(xué)先驅(qū)FloydRomesberg建立。它在2019年底被法國制藥巨頭Sanofi（賽諾 菲）公司以25億美元的價格收購——這顯示了對這項新興技術(shù)的商 業(yè)興趣。在未來，化學(xué)家可能會發(fā)現(xiàn)其他人工DNA字母，以及合成新的非天然氨基酸，拓展我們已知生命的局限性，并實現(xiàn)一系列全新的、更好的療法和醫(yī)療解決方案。
超浸潤性
一個世紀(jì)之久的發(fā)現(xiàn)提供了新的機會
英國科學(xué)家ThomasYoung（托馬斯-楊）主要因雙縫實驗而聞名， 該實驗支持了光是一種波的觀點。然而，他也開創(chuàng)了其他重要的科學(xué)領(lǐng)域，包括對浸潤性的研究——液體與固體表面保持接觸的能力。1805年，楊基于液滴在界面上形成的接觸角第一次提出了這個概念的定義。真正浸潤的液體會采用相當(dāng)平坦的形狀和小的接觸角，而不浸潤的液體則形成幾乎是球形的結(jié)構(gòu)和大的接觸角。經(jīng)過兩個世紀(jì)對這一現(xiàn)象的研究，科學(xué)家們獲得了更好的理解，甚至掌握了如何隨意調(diào)整浸潤性，設(shè)計出具有特殊性能的新材料。其中，超浸潤性在能源、健康、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。其中一些進(jìn)展在很大程度上受到自然界微納米結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，如壁虎和青蛙的腳、蚊子的眼睛、仙人掌和玫瑰的表面。在這些例子的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們已經(jīng)在金屬、聚合物、織物等材料構(gòu)建出具有納米結(jié)構(gòu)的表面。當(dāng)然，化學(xué)是這些設(shè)計的基礎(chǔ)，這些設(shè)計都需要精巧的制造技術(shù)。超浸潤性結(jié)構(gòu)已經(jīng)導(dǎo)致了驚人的反應(yīng)性能。這種表面表現(xiàn)出獨特的流體動力學(xué)性質(zhì)，從而提高了一類界面相互作用扮演關(guān)鍵因素的化學(xué)反應(yīng)的效率，特別是光催化和電催化反應(yīng)。比如，高活性的水分解、環(huán)氧化、酯化和縮合反應(yīng)等。此外，這類納米結(jié)構(gòu)催化劑通常表現(xiàn)出更高的耐久性、可回收性和選擇性，為符合聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中更綠色、更高效的化學(xué)工藝過程鋪平了道路。超浸潤性表面在傳感器、綠色打印、能量存儲、廢液處理、淡水收集等領(lǐng)域均具有重要用途。來自中國和韓國公司正在探索其在自清潔紡織品、油水分離和相變液體冷卻等領(lǐng)域的應(yīng)用。雖然在制造 技術(shù)方面仍然存在許多挑戰(zhàn)，但研究人員相信，這項技術(shù)將徹底改變材料科學(xué)，新的機會正在不斷涌現(xiàn)。
人工腐殖質(zhì)
為可持續(xù)和高效農(nóng)業(yè)設(shè)計負(fù)碳解決方案
農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和土地使用幾乎占所有溫室氣體排放的三分之一。除了造成令人擔(dān)憂的氣候危機外，這些都直接影響到作物產(chǎn)量。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的報告預(yù)測，我們將在2030年達(dá)到一個關(guān)鍵的狀況。再一次，化學(xué)可以給出一個有希望的答案，一個人工替代腐殖質(zhì)的方法，以便更好地管理我們土壤中稀缺的資源。雖然隱藏在我們腳下，但有機物分解成腐殖質(zhì)是碳循環(huán)的第二大過程，僅次于光合作用。因此，設(shè)計策略以使其更有效是目前的一個優(yōu)先事項。此外，人工腐化過程保證了能完全控制整個反應(yīng)過程，這可以得到更清潔、更安全和更綠色的施肥解決方案。目前，有幾種方法可以加速有機物的分解，其中熱液腐化正在成為其中最吸引人的方案之一。根據(jù)Fan Yang和MarkusAntonietti的設(shè)想，該技術(shù)是在有灰燼存在的熱水中"煮"有機物。這些過程中的特定條件模擬了自然界的地球化學(xué)過程，并產(chǎn)生了與自然腐殖質(zhì)殘留物相當(dāng)?shù)幕旌衔锂a(chǎn)物。最近的實驗室實驗表明，這些人工腐殖質(zhì)可以改善土壤質(zhì)量和健康，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，這是抵消氣候變化負(fù)面影響的一個有吸引力的選擇。這種提高來自于人工腐殖質(zhì)的諸多好處。研究表明，它能改善水和肥料的結(jié)合，從而提高資源的利用率，減少富營養(yǎng)化等副作用，并能刺激土壤微生物，有利于礦物質(zhì)的吸收和消化。此外，與自然界生物化學(xué)分解過程中不可避免地排放出二氧化碳和甲烷等溫室氣體不同，人工腐殖質(zhì)基本上是負(fù)碳的。專家們認(rèn)為，這些碳固定解決方案將有助于循環(huán)經(jīng)濟(jì)，與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)SDG 13保持一致，并形成碳中和社會。目前，歐洲的一些機構(gòu)正在努力開發(fā)第一批試驗工廠，用以大規(guī)模制備人工腐殖質(zhì)。人工腐殖質(zhì)與IUPAC十大新興技術(shù)如納米農(nóng)藥、納米傳感器和人工智能一起，將為更可持續(xù)和高效的農(nóng)業(yè)過程鋪平道路。
RNA和DNA的化學(xué)合成
COVID疫苗后核酸在藥物化學(xué)中的應(yīng)用前景
去年，IUPAC強調(diào)了RNA疫苗在結(jié)束COVID-19方面的潛力，并很可能在未來用于許多其他疾病，包括癌癥、艾滋病和流感。這些疫苗適應(yīng)性強、用途廣泛，而且制造速度相對較快。據(jù)《OurWorldinData》的數(shù)據(jù)，到2021年7月底美國已經(jīng)使用了超過3.25億劑量的mRNA疫苗。然而，如果沒有化學(xué)合成核酸方面的突破，這一切都不可能發(fā)生?，F(xiàn)在，經(jīng)過50多年的技術(shù)發(fā)展，RNA和DNA的制造已經(jīng)完全自動化和大眾化，以至于一些“臺式”合成設(shè)備已在市場上出售。在本次十大技術(shù)的選擇中，這可能是市場化最成熟的一個。它已經(jīng)成功地從以亞磷酰胺化學(xué)為核心的基礎(chǔ)實驗室反應(yīng)過渡到上個世紀(jì)的創(chuàng)新里程碑。如今，核酸的合成已經(jīng)進(jìn)步到足以產(chǎn)生接近科幻小說的結(jié)果。2019 年，中國研究人員報道了一個概念驗證性的合成器，它使用了與傳統(tǒng)噴墨打印機相同的原理。利用這項技術(shù)，科學(xué)家們將不同的DNA鏈直接并精確地打印到硅基微反應(yīng)器中——這些設(shè)備在化學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)方面有無數(shù)的應(yīng)用。大型IT公司，如微軟和WesternDigital，目前正在探索將化學(xué)合成的DNA用于數(shù)據(jù)存儲的可能性，結(jié)果非常有希望。最新的結(jié)果表明，核酸比傳統(tǒng)的基于磁性材料的解決方案能更持久、更密集地儲存信息，根據(jù)最近的研究，每克核酸的信息容量可達(dá)到17個字節(jié)（1018）。除了這些技術(shù)進(jìn)步之外，自動化學(xué)合成可以帶來具有巨大潛力的新療法。截至2020年，美國食品和藥物管理局已經(jīng)批準(zhǔn)了11種基于寡核苷酸的藥物，目前還有幾種藥物正在進(jìn)行醫(yī)學(xué)試驗。領(lǐng)先的化學(xué)和制藥公司——Biogen、Merck、Bausch&Lomb等正在研究這項技術(shù)，在基于mRNA的COVID疫苗取得勝利后，這項技術(shù)正變得越來越流行。目標(biāo)包括癌癥、傳染病、糖尿病等，所有這些都包含在可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)SDG 3中。最后，這些有幾十年歷史的化學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了令人振奮的結(jié)果，再次證明重視基礎(chǔ)科學(xué)研究是至關(guān)重要的。
聲化學(xué)涂層
更安全、更耐用、具有增值特性的材料
之前評出的一些 IUPAC十大新興技術(shù)，如機械化學(xué)、液體門控和高壓無機化學(xué)都是受物理刺激所控制。在特定條件下，化學(xué)品的表現(xiàn)往往令人驚訝，產(chǎn)生以前無法想象的特性和性能。聲化學(xué)使用（超）聲波來觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，在這些現(xiàn)象中脫穎而出，特別是它在制造具有增值特性的創(chuàng)新功能材料中的巨大潛力。今年IUPAC強調(diào)了聲化學(xué)在表面涂層方面的潛力，這是一項直接有助于實現(xiàn)若干可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的技術(shù)。這種類型的處理方法可以賦予特定的表面各種不同的特性——磁性、熒光和抗菌等等。后者在COVID-19疫情期間被證明特別重要，因為醫(yī)院、公共場所以及我們?nèi)粘Ｉ钪信c之打交道的不同表面需要有效的抗病毒特性來消除SARS-CoV-2的殘留物。聲化學(xué)涂層采用銀、銅和鋅等金屬的抗菌納米顆粒覆蓋紡織品，所有這些都能減少醫(yī)院感染的發(fā)生。此外，一些研究表明，抗菌聲化學(xué)涂層可以經(jīng)受多次洗滌而不降低性能。這在現(xiàn)實生活應(yīng)用中是很關(guān)鍵的，因為服裝經(jīng)常要在高溫下進(jìn)行專業(yè)清洗。Sonovia是一家以色列初創(chuàng)公司，根據(jù)他們的網(wǎng)站，在可重復(fù)使用的口罩上使用鋅納米顆粒聲化學(xué)涂層，可以殺死99%以上的細(xì)菌、病毒和真菌。此外，某些涂層可以產(chǎn)生了“智能”材料。例如，西班牙研究人員用普魯士藍(lán)納米顆粒覆蓋紡織品，通過簡單的顏色變化就可以檢測致病菌的菌株；他們預(yù)計這一發(fā)展可以預(yù)防醫(yī)院以外的擁擠環(huán)境中的細(xì)菌感染。聲化學(xué)涂層在食品安全和能源領(lǐng)域也有優(yōu)勢，用抗菌化合物覆蓋草莓可以延長其保質(zhì)期，鋰離子電池的涂層可以提供高性能和穩(wěn)定性。由于這些原因，一些公司正在探索新的可能性，以將這項技術(shù)擴(kuò)大到工業(yè)環(huán)境中，并開發(fā)能夠連續(xù)生產(chǎn)涂層材料的滾筒制備法（roll-to-rollmethods）。歐盟委員會還用超過800萬歐元資助了SONO項目來實現(xiàn)這一目標(biāo)。作為一項新興技術(shù)，聲化學(xué)涂層現(xiàn)在應(yīng)該要度過"死亡之谷"，成功克服與工業(yè)界的“代溝”。
生物用化學(xué)發(fā)光
水溶性二氧雜環(huán)丁烷提高了生物檢測的速度和靈敏度
發(fā)光一直讓人類著迷，欣賞螢火蟲的綠光和海藻的藍(lán)光簡直是一種魔法。科學(xué)家們已經(jīng)學(xué)會了利用這些化學(xué)反應(yīng)的力量。比如熒光劑，來幫助犯罪現(xiàn)場調(diào)查人員檢測血液，以及獲得2008年諾貝爾獎的綠色熒光蛋白（GFP）來點亮生物樣本，簡化了顯微鏡檢查。然而，科學(xué)家們還在不斷地改進(jìn)發(fā)光分子，以應(yīng)用于高效二極管、安全信號、生物研究等方面。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)了高效的化學(xué)發(fā)光探針，在生物學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)方面具有巨大的應(yīng)用潛力?；诙蹼s環(huán)丁烷、四元的飽和氧雜環(huán)，這些分子在生理條件下閃耀著驚人的光芒，有時比以前的解決方案要亮數(shù)千倍。最重要的是，二氧雜環(huán)丁烷在水中也能完美地履行其職責(zé)，而不像其他競爭對手那樣需要有機溶劑。這可加速分析過程，因為化學(xué)發(fā)光過程是在體內(nèi)進(jìn)行的，就像基于酶的方案一樣，且具有相當(dāng)?shù)牧孔赢a(chǎn)率。這項新興技術(shù)目前仍處于早期階段，然而許多有趣的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)。其中二氧雜環(huán)丁烷探針在檢測某些類型的腫瘤方面顯示出了巨大的前景，甚至有助于區(qū)分癌癥亞型。它們還能超靈敏地檢測致病菌，如沙門氏菌和李斯特菌，這些細(xì)菌與嚴(yán)重的食源性疾病有關(guān)，即使在今天也會造成嚴(yán)重的健康問題。此外，二氧雜環(huán)丁烷為活細(xì)胞成像領(lǐng)域帶來了有趣的機會，可以加速對基本生物化學(xué)過程的理解，并提供新的靈敏診斷工具。一些分子甚至表現(xiàn)出近紅外區(qū)域的發(fā)光，這一波長比可見光具有更大的穿透力，為非侵入性診斷和局部治療打開了大門。值得注意的是，Biosynth，一家最近與 Carbosynth合并的公司，對這些新型二氧雜環(huán)丁烷化學(xué)發(fā)光化合物表示出興趣，并將很快開始其商業(yè)化。在一份官方新聞稿中，Biosynth的總裁表示，這項技術(shù)的潛力是巨大的，可能會顯著提高生物檢測的速度。日常生活中的熒光棒也是由于二氧雜環(huán)丁烷而發(fā)光，也許水溶性的二氧雜環(huán)丁烷探針將變得同樣流行。
氨的可持續(xù)生產(chǎn)
Harber-Bosch工藝的綠色替代品
用于合成氨的Harber-Bosch工藝是有史以來最成功的化學(xué)反應(yīng)之一。它使大氣中的氮氣（由于具有雙原子分子中第二強的化學(xué)鍵其通常為惰性）能夠轉(zhuǎn)化為氨，然后是硝酸鹽和亞硝酸鹽，這些物質(zhì)被用于制造化肥、塑料、纖維、制冷劑等。這個單一的反應(yīng)推動了20世紀(jì)的人口增長，目前每年的氨產(chǎn)量超過2億噸。然而，所有這一切都要付出高昂的代價。在不考慮所有后續(xù)轉(zhuǎn)化為不同化學(xué)品的情況下，合成氨所排放的二氧化碳比任何其他工業(yè)過程都多。當(dāng)然，我們需要改變這種狀況，化學(xué)家們需要一種可持續(xù)的替代途徑來生產(chǎn)氨，并消除合成氨與化石燃料和溫室氣體排放的強烈關(guān)聯(lián)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，他們設(shè)想了兩種互補的戰(zhàn)略。一方面，他們從大自然中尋找靈感，特別是細(xì)菌和藍(lán)藻中的固氮酶，由于有了鐵和鉬的輔酶，它們可以減少氮氣。最近的研究只是展示了進(jìn)化的智慧，很少有金屬能超越這兩種自然存在于酶中的金屬的性能。盡管如此，這些催化劑也有利于產(chǎn)生氫氣，但這是一個不想要的競爭反應(yīng)，只有合理地設(shè)計催化劑才能提高合成氨反應(yīng)的選擇性。一些解決方案包括將催化劑負(fù)載在層狀材料上或?qū)⑵浞庋b在沸石籠中。另一方面，化學(xué)家也利用電的力量來打破三重氮-氮鍵，同時從水中獲取氫原子。如果使用的能源來自可再生資源——風(fēng)能、水電、太陽能，這個過程就會變得加倍的可持續(xù)，因為它避免了對從化石燃料中獲得氫氣的依賴。這里的主要挑戰(zhàn)是減少所需的電動勢，同時使活性和選擇性最大化。到目前為止，現(xiàn)有的解決方案遠(yuǎn)沒有解決對 Harber-Bosch 反應(yīng)的依賴，因此一些公司和資助機構(gòu)正在支持研究，以使氫氣生產(chǎn)更加綠色。此外，從技術(shù)上說，氨能“儲存”氫，氫是一種綠色燃料，燃燒時只產(chǎn)生水，它甚至可以單獨成為化石燃料的替代品。與氫氣不同，氨氣在溫和條件下容易液化，這將簡化儲存和運輸。澳大利亞的研究人員很樂觀，他們設(shè)想到2040年將會有一個成功的氨經(jīng)濟(jì)。在此之前，我們將開發(fā)碳捕獲技術(shù)，以減少Harber-Bosch生產(chǎn)的影響，然后將這一過程轉(zhuǎn)移到可再生氫氣資源。在其路線圖的最后階段，氨將完全來自氮氣的電化學(xué)還原，這消除了整個過程中的碳排放。盡管許多基礎(chǔ)研究仍在進(jìn)行中，但生產(chǎn)綠色氨的某些解決方案已達(dá)到較高的技術(shù)就緒水平，包括Yara（澳大利亞）、HiringaEnergy（新西蘭）、Topsoe（丹麥）和Iberdrola（西班牙）這些公司自己的努力。綠色肥料、塑料和燃料將與可持續(xù)氨一起，為從清潔能源和高效農(nóng)業(yè)，到可持續(xù)城市和負(fù)責(zé)任的生產(chǎn)等全面的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。
靶向蛋白質(zhì)降解
利用我們的細(xì)胞機制來革新制藥業(yè)
如前所述，化學(xué)家和生物化學(xué)家經(jīng)常在大自然中找到靈感。靶向蛋白降解（targetedprotein degradation, TPD）的情況也是如此，這是一種具有巨大治療潛力的創(chuàng)新化學(xué)工具。其原理相當(dāng)簡單：利用我們自己細(xì)胞的降解途徑，以根除有問題的蛋白質(zhì)。這項技術(shù)已經(jīng)吸引了數(shù)十億的投資，刺激了許多初創(chuàng)企業(yè)的誕生，甚至開始了多樣化的臨床試驗。TPD的關(guān)鍵是觸發(fā)蛋白質(zhì)水解的小分子，通常被稱為PROTACs。它們的結(jié)構(gòu)被巧妙地設(shè)計來劫持蛋白質(zhì)分解酶，并將其與特定的目標(biāo)連接起來，隨后這個目 標(biāo)將代替原來的蛋白被消除掉。這對于藥物化學(xué)領(lǐng)域的潛力是巨大的。在TPD之前，我們阻斷蛋白質(zhì)的策略大多限于抑制劑，這需要一個特定的結(jié)合口袋。然而，只有四分之一的蛋白質(zhì)展示了上述功能，在這里TPD 提供了一個治療優(yōu)勢，它能引發(fā)有害結(jié)構(gòu)的消除。此外，它能直接追蹤蛋白質(zhì)，從而避免了使用基因工程或在體內(nèi)往往不穩(wěn)定的小核酸敲除它們的復(fù)雜替代方法。合理設(shè)計的PROTACs（以及其他具有類似效果的分子）在治療癌癥領(lǐng)域顯示出巨大的前景。耶魯大學(xué)的先鋒衍生公司Arvinas已經(jīng)使用基于TPD分子的抗乳腺癌和前列腺癌候選藥物進(jìn)入臨床試驗，為這一技術(shù)提供了有史以來第一個人體數(shù)據(jù)。其他公司很快跟進(jìn)，包括Cullgen、Kymera、Zexin和 Nurix。大型制藥公司，如Pfizer（輝瑞）、Bayer（拜耳）、Novartis（諾華）和Amgen（安進(jìn)）等也看到了TPD 的潛力，并投入大量資金進(jìn)一步開發(fā)這類新藥。除了癌癥，研究人員還探索 TPD 用于治療與蛋白質(zhì)堆積有關(guān)的疾病的可能性，包括神經(jīng)退行性疾病，如帕金森癥和阿爾茨海默癥。初步研究顯示，PROTAC介導(dǎo)的TPD是一個很好的策略，可以觸發(fā)消除某些蛋白質(zhì)的聚集——其中包括與阿爾茨海默癥有關(guān)的致病性tau蛋白。TPD專家、Arvinas公司的聯(lián)合創(chuàng)始人CraigCrews預(yù)測，這些結(jié)果只是制藥業(yè)新革命的開始。的確，這是一項充滿希望的新興技術(shù)。
單細(xì)胞代謝組學(xué)
分析生物分子，一次一個細(xì)胞
去年，IUPAC的十大新興技術(shù)認(rèn)識到納米傳感器在檢測單分子方面的潛力，通常被稱為“終極靈敏度”。的確，化學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展使分析的精確度達(dá)到了前所未有的水平。在這個方向上，今年的十大新興技術(shù)認(rèn)識到了單細(xì)胞代謝組學(xué)方面的進(jìn)展。在成像手段和技術(shù)方面，例如質(zhì)譜等技術(shù)的進(jìn)步為認(rèn)識單個細(xì)胞提供了新的視角。由于目前質(zhì)譜儀的分辨率和靈敏度的增強，化學(xué)家們可以同時分析幾種代謝物，獲得關(guān)于細(xì)胞學(xué)通路、生物學(xué)機制，以及細(xì)胞和樣品的獨特指紋圖譜。為了優(yōu)化更少量樣本的結(jié)果，質(zhì)譜儀需要一次性提取單個細(xì)胞的所有組成。電噴霧器和激光（輔助的電離方法）都是很好的離子化方法。更具體的，使用微萃取技術(shù)、毛細(xì)管采樣以及更先進(jìn)的色譜-電泳聯(lián)用分離方法，能夠分析特定的細(xì)胞部分。最精細(xì)的聯(lián)用技術(shù)不僅提供了關(guān)于代謝物性質(zhì)的信息，還提供了關(guān)于其濃度和特殊排列的細(xì)節(jié)。這些技術(shù)對于揭開未知的生化機制的潛力是非同尋常的。如今，研究人員正在尋求降低檢出限的方法，以及開發(fā)數(shù)字化工具。這些將服務(wù)于許多目的：從擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫幫助加速代謝物的鑒定，再到強化算法用以將噪音和人為因素從實際生物差異中區(qū)分出來。在冠狀病毒泛濫或在未來可能會爆發(fā)的未知情況的背景下，單細(xì)胞代謝組學(xué)將展示其巨大的可能性。一些研究利用它們的力量來更好地了解感染過程以及入侵的病毒與我們的細(xì)胞之間的相互作用。對于一些專家來說，這個領(lǐng)域仍然年輕，未來充滿了復(fù)雜的挑戰(zhàn)。然而，科學(xué)家們正在逐步解決這些挑戰(zhàn)，并進(jìn)一步驗證這一新興技術(shù)，它可以為基本的生物化學(xué)秘密帶來合理的答案。
未來的光明前景
用化學(xué)來解決突出的社會挑戰(zhàn)
IUPAC 的 "化學(xué)十大新興技術(shù)"項目意義非常。年復(fù)一年，它突出展示了各領(lǐng)域中最令人激動的發(fā)展，從新興的發(fā)現(xiàn)到已經(jīng)被充滿冒險精神的初創(chuàng)企業(yè)和大膽的工業(yè)所采用的成熟技術(shù)。世界各地的科學(xué)家們建議并遴選了一個合集——到目前已經(jīng)收集了30個具有改變我們社會的巨大潛力的新興創(chuàng)新技術(shù)。有幾項創(chuàng)新解決了環(huán)境挑戰(zhàn)，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的世界鋪平了道路。另一些創(chuàng)新設(shè)想了新的系統(tǒng)，以更好地減少使用、再利用和回收資源，來走向零廢棄物、循環(huán)經(jīng)濟(jì)。最后，前十名中的一些創(chuàng)新促進(jìn)了我們從可怕的冠狀病毒疫情過渡到新常態(tài)。其中，許多創(chuàng)新讓我們?yōu)榧磳⒈l(fā)的疾病和未來的病原體做好準(zhǔn)備。化學(xué)是避免未來健康危機的關(guān)鍵，是從材料到制藥科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵。
來源：中國化學(xué)會，高分子科學(xué)
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