美国化学会C&EN评选出2016年顶级科研成果
过程化学：冰箱大小的药物生产机器 提到药物制造，很多人都会想起洁净宽阔的厂房、精密运转的大型机器和众多全副武装的技术人员。的确，目前制药公司通常在大型工厂中批量生产药物，生产过程往往漫长而复杂，不同的步骤甚至有可能在不同的地方完成。不过，制药业也在出现一种新趋势，即通过使用小型连续流系统(continuous-flow system)根据需要定制药物，以降低基础设施的成本。 今年，麻省理工学院(MIT)的Timothy F. Jamison、Klavs F. Jensen、Allan S. Myerson和同事设计了一个冰箱大小的连续流系统设备，作为“迷你工厂”以最终制剂的形式来生产临床上直接可用的药物(点击阅读详细)。该系统将药物生产体系上游的化学反应器单元与下游的沉淀、过滤、重结晶和制剂等单元组合在一起，还具有用于质量控制和过程评估的化学分析和计算模块。这种“迷你工厂”比传统的设备小得多，而且更便宜，可以在大约两个小时内按需要制备数百或甚至数千份剂量的药物，特别适合用于制备保质期较短的药物，病人群体很小的“孤儿药”，或者受突发公共卫生事件影响的少部分患者群体的药物。此外，它将会减少对药物运输和存储的需求，让药物生产更加灵活和有针对性，会更受小公司或发展中国家青睐。连续流系统药物生产机器。图片来源：MIT 目前，该系统已经可以生产苯海拉明、盐酸利多卡因、地西泮、盐酸氟西汀的口服和外用液体制剂。下一步，MIT的科学家们希望将系统体积再缩小40%，增加合成更复杂药品的能力，并且将这种专利技术商业化。 On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable system Science, 2016, 352, 61-67, DOI: 10.1126 /science.aaf1337 高分子：首个“吃”PET塑料的细菌 聚对苯二甲酸乙酯(polyethylene terephthalate，PET)是最常见的塑料之一，和其他塑料一样，在给人类生活带来很大便利的同时，也会给环境带来很大的压力。全世界的PET塑料年产量超过4500万吨，被生产成矿泉水瓶、色拉盒、花生酱罐以及其它各式各样的产品。PET在美国已经是回收最多的塑料，但是仍有超过一半的PET塑料最终只能进入垃圾填满场，而这种聚合物中的酯键很强，很难自然降解。 日本京都工艺纤维大学的小田康平(Kohei Oda)和庆应义塾大学的宫本贤治(Kenji Miyamoto)等人今年报道了一种利用细菌来帮助降解PET的新方法，这是迄今发现的第一种可以“吃掉”PET塑料的细菌，它将PET作为其主要的碳源和能量来源(点击阅读详细)。他们的研究小组筛选了来自一个塑料回收厂的样本，包括沉积物、土壤、废水和活性污泥，经过微生物筛选发现一种细菌能够在PET薄膜上成长。这种首个被发现能“吃掉”PET的细菌被命名为Ideonella sakaiensis。在两种酶的帮助下，能“吃”PET的细菌。图片来源：Science PET可通过化学水解方法得到单体进行回收，但该方法需要高温和高压。而这种细菌在温和的30 ℃温度条件下就能够“切割”PET聚合物，得到单体对苯二甲酸和乙二醇。研究人员发现，有两种酶对于这种细菌的PET降解能力十分关键：一种被称为PETase，将PET降解为中间产物单(2-羟乙基)对苯二甲酸(MHET) 另一种被称为MHETase，将MHET水解成单体对苯二甲酸和乙二醇。 不过，这种细菌目前还是个“挑食的吃货”，更喜欢无定形PET，而不是大多数产品中使用的结晶态PET。另外，两种关键酶的作用也太慢，目前也不太适于在工业上。不过没关系，随着科学家进一步优化和改进，纯生物手段的PET高效率无污染回收，或许不用等待太久。 A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate) Science, 2016, 351, 1196-1199, DOI: 10.1126/science.aad6359 材料学：液态金属的新应用 看到“液态金属”这四个字，除了水银，很多读者脑海里可能都会冒出电影《终结者2》中液态金属终结者机器人T-1000的身影。在科幻电影之外，液态金属也是科学家们长期以来很感兴趣的课题。今年，液态金属的一些新应用再次引起了人们的关注。 镓及其一些合金是一种液态金属，当暴露于空气中时，会自发形成薄的氧化物外皮，从而稳定液滴形态以及研究人员创造的其他任意图案。如果这种材料被挤压，氧化物外皮破裂，金属会恢复流动，直到重新生成氧化物外皮。液态镓基合金形成的图案。图片来源：Michael Dickey/NCSU 北卡罗来纳州立大学(NCSU)Michael D. Dickey领导的团队利用镓(Ga)基合金的这种特性，制造了最小可到10 μ m的聚合物包覆的eGaIn线，eGaIn是镓和铟的共晶混合物，熔点15.5 ° C，在室温下是液体。与普通的电线不同，由eGaIn制成的线可以很容易地被拉伸、弯曲和成形，同时还能保持导电性。 Drawing liquid metal wires at room temperature Extreme Mech. Lett., 2016, 7, 55-63, DOI: 10.1016/j.eml.2016.03.010 在今年的另一项研究中，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Stéphanie P. Lacour和同事们设计了一种两相材料，包含固体AuGa2簇和散布其中的液体镓微液滴。他们使用这种材料通过喷墨打印，在手套上制造包含LED和传感器堆叠层的可拉伸装置，能够追踪手指的细微运动(如下图)。 图片来源：Adv. Mater. Intrinsically Stretchable Biphasic (Solid–Liquid) Thin Metal Films Adv. Mater., 2016, 28, 4507-4512, DOI: 10.1002/adma.201506234 爱荷华州立大学的Martin Thuo团队利用铋-铟-锡和相关合金自发形成的氧化物外皮，从而使液态金属微液滴即使在低于其熔点的温度下也不会凝固。对液滴施加温和的力就能破坏氧化物外皮，使得金属在外皮重新形成之前可以短暂地流动。研究人员利用这种特殊的性能可以在室温下将金属部件结合在一起，也就是说，可以在没有电或加热的情况下进行焊接。Bi-In-Sn合金微液滴。图片来源：Sci. Rep. Mechanical Fracturing of Core-Shell Undercooled Metal Particles for Heat-Free Soldering Sci. Rep., 2016, 6, 21864, DOI: 10.1038/srep21864 C-H键活化：亚甲基活化的新高度 美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute，TSRI)余金权(Jin-Quan Yu)教授和加州大学洛杉矶分校(UCLA)K. N. Houk教授等化学家今年实现了一个长久以来都未曾实现的目标：选择性活化有机化合物中最常见的基团之一——亚甲基(CH2)中特定的碳氢键并将其转化为手性中心。余金权教授(左)和K. N. Houk教授。图片来源：TSRI/UCLA 具体来说，这篇论文中化学家们通过使用乙酰基保护的胺乙基喹啉配体，实现了单一亚甲基碳中心上前手性碳氢键的不对称钯插入，他们还把这些钯复合物用于了脂肪族酰胺的β -位碳氢键不对称官能团化，使用双齿配体来加速碳氢键的活化对于避免底物诱导的环钯化背景反应是至关重要的，从而可以保证高的对映选择性。作者还将这一配体促进的碳氢键活化反应用于了简单羧酸底物的β -位碳氢键芳基化，而不需要再引入导向基。亚甲基C-H键选择性活化。图片来源：Science 瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)不对称合成专家Erick M. Carreira评论说：“余的团队把之前认为不可能的事情变成了现实。” 这篇论文的背后，是余金权教授14年的努力和坚持。对映选择性的活化β -亚甲基“是我第一个独立工作的项目，那还是在2002年，我还在剑桥大学，”余金权在接受采访时说，“花了14年才终于完成目标。” 论文刊登之后，余金权教授和他的同事们还在进一步扩展他们的方法，例如在其他官能团(如烷基胺)附近创建手性中心。与余教授课题组有合作的百时美施贵宝(BMS)的化学家，已经在用这个反应合成药物候选分子，“但还需要优化以提高复杂底物反应的收率，”余教授说，“我们可能会将这项技术授权给一家化学品开发公司，目前正在谈判。” Ligand-accelerated enantioselective methylene C(sp3)–H bond activation Science, 2016, 353, 1023-1027, DOI: 10.1126/science.aaf4434 诊断学：今年流行可穿戴传感器 智能手环、智能手表以及有些手机App可以让人们记录他们的心率、血压以及跑了多远，一些研究人员希望更进一步，开发能够分析人的汗水或环境中化学物质的设备，以监测健康状态、锻炼效果甚至化学品暴露风险。 韩国首尔大学Dae-Hyeong Kim教授领导的研究团队报告了基于石墨烯的可穿戴设备在糖尿病治疗领域的新用途(点击阅读详细)。糖尿病人需要长期监控血糖水平并服用药物，目前的常见的测血糖方法大都需要抽取血液，麻烦且有健康风险。Kim等人发明的这种可穿戴贴片(如下图)，贴在皮肤上，通过涉及酶葡萄糖氧化酶的电化学反应测量人体汗水中的葡萄糖含量来检测血糖水平，不会造成任何创伤。另外，与微针阵列相结合，这种可穿戴设备还能够通过皮肤输送治疗糖尿病的药物。图片来源：Nat. Nanotechnol. A graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapy Nat. Nanotechnol., 2016, 11, 566-572, DOI: 10.1038/nnano.2016.38 加州大学伯克利分校Ali Javey领导的研究小组开发了一种可穿戴设备，包括柔性PET片上的电路板和传感器阵列，可以检测使用者汗液中的盐水平、乳酸盐和葡萄糖。这样，使用者就有可能在出现健康问题之前接收到警报，例如脱水、肌肉痉挛甚至糖尿病。Javey认为，该设备将来的生产成本有可能控制在10美元左右。图片来源：Nature Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis Nature, 2016, 529, 509-514, DOI: 10.1038/nature16521 麻省理工学院Timothy M. Swager领导的化学家们设计了一种无线徽章，以检测类似化学武器(如神经毒剂)的分子，灵敏度达十亿分之一。该装置基于浸没在离子液体中的碳纳米管，如果有亲电靶分子存在，它们的电阻会发生改变。图片来源：Joseph Azzarelli/MIT Wireless Hazard Badges to Detect Nerve-Agent Simulants Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 9662-9666, DOI: 10.1002/anie.201604431 药物发现：加强抗生素的“军火库” 传染性病菌和人类之间的战斗持续了成千上万年，而今年人类有可能稍稍占据优势，这是因为有两组科学家设法升级了我们的抗菌“军火库”——一组制造了新的大环内酯类化合物，另一组则是在我们的鼻子里寻找新抗生素。 哈佛大学Andrew G. Myers研究小组的化学家想出了如何用全合成的方法来增加大环内酯类药物的数量(点击阅读详细)。大环内酯类抗生素是含有14至16个碳原子的大环，包括红霉素和阿奇霉素，Myers等人的“积木式”策略使得他们能够制备之前难以获得的大环内酯类化合物。Myers已经成立了一家名为Macrolide Pharmaceuticals的公司，到目前为止，使用该策略全合成了近1,000种大环内酯类化合物。其中许多对革兰氏阴性病原体具有前所未见的活性，包括对目前使用的几种抗生素耐药的大肠杆菌和克雷伯菌。“积木式”大环内酯全合成策略。图片来源：Nature A platform for the discovery of new macrolide antibiotics Nature, 2016, 533, 338-345, DOI: 10.1038/nature17967 德国蒂宾根大学微生物学家Andreas Peschel和Bernhard Krismer领导的团队通过人类鼻孔中的细菌筛选，发现了一种能杀死耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的化合物(点击阅读详细)。该分子是一种新的含有噻唑烷的环状肽，称为路邓素(lugdunin)，由人类鼻子里面的一种细菌——路邓葡萄球菌Staphylococcus lugdunensis分泌，而这种菌落在约70%的人鼻子中都存在。路邓素代表着一种新的抗菌剂种类，是第一个来自主要生活于人体内的细菌的抗生素。这个发现可能刺激科学家在我们身体的其他地方寻找新的武器，以抗击细菌侵入者。鼻子里的强力抗生素。图片来源：C&EN Human commensals producing a novel antibiotic impair pathogen colonization Nature, 2016, 535, 511-516, DOI: 10.1038/nature18634 生物催化：酶法构建C-Si键 硅是地球上位列氧之后第二丰富的元素，但C-Si键在自然界却从未出现过，无论是生物有机硅化合物，还是生成它们的生物合成途径。加州理工学院(Caltech)的研究人员今年发现，如果提供一些合适的起始材料，一些血红素蛋白可以立体特异性地形成C-Si键。 “因为我们提供了合适的前体，自然的铁血红素化学就实现了这一转化，”领导此项工作的Frances H. Arnold说，“这是一个令人印象深刻的例证，大自然可以很容易的进行创新。” 先前，Arnold实验室以及其他地方的工作已经表明，血红素蛋白可以通过插入N-H和S-H键催化非天然卡宾转移反应。在新的实验中，加州理工学院的研究人员筛选了一系列血红素蛋白，以找到那些能够催化2-重氮基丙酸乙酯插入二甲基(苯基)硅烷Si-H键反应的蛋白。 来自于在冰岛海底温泉中发现的细菌Rhodothermus marinus的细胞色素c催化反应的对映选择性达到97% ee，但转换数较低。不过，细胞色素c蛋白通常不催化化学反应，它们通常在细胞中的生物分子之间转移电子。细胞色素c中的血红素蛋白可催化C-Si键形成。图片来源：Science 通过定向进化，加州理工学院团队发现R. marinus细胞色素c的三个突变可以将新酶的对映选择性提高到大于99% ee，并将其转换数提高约15倍。 “这一发现或许可以用于促进工业相关的反应，例如烯烃的氢硅烷化。”柏林工业大学的Hendrik F. T. Klare和Martin Oestreich在同期发表的观点文章的评论道。 Directed evolution of cytochrome c for carbon–silicon bond formation: Bringing silicon to life Science, 2016, 354, 1048-1051, DOI: 10.1126/science.aah6219 催化：单原子催化剂 金属氧化物或其它固体载体上负载的催化材料(通常是贵金属，例如铂)对工业规模化学过程非常重要，例如将原油转化为汽油。与常规的多原子催化剂相比，采用单原子分散的金属进行催化反应的单原子催化剂的利用率非常高(理论上达100%)，大大降低昂贵和稀缺的贵金属的消耗。此外，原子尺度均匀性使不需要的反应和副产物最小化，并使得研究人员能更简单地推断反应机理，这对改善催化剂至关重要。 在今年的一项研究中，新墨西哥大学的Abhaya K. Datye及同事们发现，将铂纳米颗粒暴露于热氧化条件可导致铂形成挥发性PtO2，可从纳米颗粒解吸附(点击阅读详细)。研究人员指出，在高温处理时Pt以PtO2的形式气化，又因与邻近CeO2表面的强相互作用而被CeO2捕获，并以高度分散的形式负载在CeO2载体表面，得到了原子级分散的Pt催化剂，在高温下保持稳定而不团聚，并表现出了一定的CO氧化活性。CeO2捕获气化的Pt氧化物物种示意图。图片来源：University of New Mexico Thermally stable single-atom platinum-on-ceria catalysts via atom trapping Science, 2016, 353, 150-154, DOI: 10.1126/science.aaf8800 另一项单原子催化剂研究中，由中国科学院大连化学物理研究所所长张涛院士领导的小组开发了一种制备单原子钴催化剂的湿化学方法。这种催化剂避免了贵金属的使用，可催化氢化和其他反应。但在此之前，关于这类催化剂中活性位点的详细知识难以捉摸，这也阻碍了它们的发展。张涛院士课题组确定了催化剂的活性位点结构，钴原子与石墨层中的四个吡啶氮原子配位，并由两个弱吸附的O2分子封端。该催化剂负载量高达3.6 wt.%，可高活性、高选择性地催化硝基苯加氢偶联制备偶氮苯的反应。钴单原子催化剂和催化的反应。图片来源：Chem. Sci. Single-atom dispersed Co–N–C catalyst: structure identification and performance for hydrogenative coupling of nitroarenes Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764, DOI: 10.1039/c6sc02105k 结构生物学：三个生物大分子的结构 结构生物学家通过冷冻电子显微镜、X射线晶体学和其他技术来解析生物大分子的结构，这里列出了C&EN选择的今年三个“明星”生物大分子结构。 DNA酶(DNAzyme)的结构在今年以前一直是个谜，因为研究人员无法结晶这种类型的生物催化剂。德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的ClaudiaH?bartner和Vladimir Pena领导的团队解决了这个问题，他们报告了DNAzyme 9DB1的结构，该酶可以连接RNA链(Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature16471)。图片来源：Claudia H?bartner 核孔复合物非常巨大，对细胞核也很重要，它负责着数千种蛋白质、RNA分子和营养物质的进出。两个独立的团队，一个由欧洲分子生物学实验室的Martin Beck领导，另一个由加州理工学院的André Hoelz领导，分别解析了这个包括30种核孔蛋白的超大型细胞机器(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf0643 DOI: 10.1126/science.aaf1015)。图片来源：Science 组蛋白脱乙酰酶6(HDAC6)的原子分辨率结构对药物开发非常重要，这个蛋白是癌症化疗的“热点靶标”。两个独立的研究小组，一个由宾夕法尼亚大学的David W. Christianson领导，另一个由弗雷德里希?米歇尔生物医学研究所的Patrick Matthias领导，分别解析了HDAC6的结构(Nat. Chem. Biol., 2016, DOI: 10.1038/nchembio.2140 DOI: 10.1038/nchembio.2134)。图片来源：Nat. Chem. Biol.
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