IUPAC發佈2021年十項新興技術,有沒有你的研究領域?

2021年11月14日10:50

  來源:X-MOL資訊

  在你的研究領域中,什麼是最熱門的新興技術?有哪些創新研究正在飛速發展,或許可以改變世界?最近,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)發佈了2021年的“化學領域的十項新興技術(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry)”榜單。計劃始於2019年,以紀念IUPAC成立100週年暨門捷列夫元素週期表首次出版150週年。今年是該榜單發佈的第三屆,旨在體現化學家的價值,展示化學學科為社會和地球的可持續性發展做出的貢獻。

  具體來說,IUPAC“2021年化學領域的十項新興技術”包括[1-3]:

  ▸ 區塊鏈技術

  ▸ 半合成生命體

  ▸ 超潤濕性

  ▸ 人工腐殖質

  ▸ RNA和DNA的化學合成

  ▸ 聲化學塗層

  ▸ 化學發光及生物成像應用

  ▸ 氨的可持續生產

  ▸ 靶向蛋白質降解

  ▸ 單細胞代謝組學

  化學領域的十項新興技術,似乎涵蓋了化學、化工、生物、醫療、材料、製藥、農業、通訊等各個領域。嘿,誰讓化學是個綜合學科呢?諾貝爾化學獎不也是大家公認的“理綜獎”麼?不過,換個角度,這也說明了化學研究已經深入到日常生活、工業發展的各個領域,越來越交叉正在成為化學專業未來發展的大趨勢。

  ▸ 區塊鏈技術——化學創新可追溯

  區塊鏈可以存儲不同類型的信息,其最重要特徵之一是可追溯性,通過加密算法對用戶數據進行管理。迄今為止最常見的用途是作為加密貨幣協議,中本聰(Satoshi Nakamoto)於2008年提出了區塊鏈的概念,並設計了廣為人知的比特幣。由於區塊鏈是分散存儲的,沒有任何個人或團體擁有控制權,輸入的數據理論上是永久記錄和可訪問的。因此,在化學工業上,區塊鏈技術可以實現化學試劑供應鏈的持續追蹤;在實驗室,區塊鏈技術可以解決科學實驗可重複性的問題。目前,化工公司,如索爾維集團、Evonik、巴斯夫、陶氏杜邦等,正在探索區塊鏈技術在化學生產中的應用。德國科學家Sönke Bartling認為,如果將區塊鏈應用於實驗記錄和數據收集,或許可以顛覆論文出版、項目申請的評估模式,從根本上提高實驗數據的可靠性,保護科學家們的知識產權。預計到2030年,區塊鏈將產生超過3萬億美元的商業價值,其在化學領域的應用肯定會占很大份額。

  ▸ 半合成生命體——生物化學與醫療

  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出含有人造遺傳堿基對的工程化菌株,開啟了半合成有機體的研究 [4]。隨後,科學家們進一步擴展了生命密碼,使更多人工合成的堿基對在細菌細胞中完成DNA複製。攜帶這些人造核苷酸堿基的大腸杆菌,可以將其轉錄成非天然氨基酸以及特殊的蛋白質。CRISPR/Cas9等技術(2020年諾貝爾化學獎)的迅速進步,最大限度地減少了轉錄過程中可能出現的錯誤。非天然核苷酸和氨基酸的製備,為靶向治療提供了新的化學工具。未來,化學家或許會發現其他人造DNA堿基,以及合成新的非天然氨基酸,擴大我們對生命體的認知。

  ▸ 超潤濕性——數百年前的發現

  1805年,英國科學家托馬斯•楊(Thomas Young)第一次提出了潤濕性的定義,並利用液滴在界面上的接觸角來解釋這一概念。經過兩個多世紀的研究,科學家們對這種現像有了更深入的理解。受到大自然的靈感啟發,如荷葉上滾動的水珠、蚊子和壁虎的腳、仙人掌的汲水過程等,研究者發現了表面微納結構對浸潤性的影響,並學會了如何調節材料表面的親疏水性能。超潤濕性材料在能源、健康、農業等領域表現了廣闊的應用前景,如分解水、去除汙染物、紡織品自清潔、油水分離等。此外,這種微納結構表面常常表現出獨特的流體動力學特性和界面相互作用,可以提高化學反應的速率和選擇性,為更綠色、更高效的催化化學工藝開闢了新的道路。

  ▸ 人工腐殖質——可持續高效農業

  有機物分解成腐殖質,是碳循環中僅次於光合作用的第二大過程,也是為土壤提供養分的主要方式之一。然而,該過程產生大量二氧化碳、甲烷等溫室氣體,據統計,農業、畜牧業和土地利用幾乎占所有溫室氣體排放量的三分之一。化學家們提出了人工腐殖質的設想,該技術可以實現負碳過程。目前,有幾種方法可以加速有機物的分解,其中水熱腐殖化是最有吸引力的方法之一。該技術模擬了自然過程,產生與天然腐殖質相當的產品混合物,整個反應易於控制,具有可持續性、高效率、清潔、安全等特點。目前,歐洲的研究所正致力於開發大規模製備人工腐殖物質的試驗工廠,這或許是抵消氣候變化負面影響的一個有吸引力的方案。

  ▸ RNA和DNA的化學合成——後疫情時代的未來

  基於mRNA的新冠疫苗的研發成功,為未來攻克其他疾病,包括癌症、愛滋病、流感和糖尿病等方面提供了新的途徑。經過五十多年的磷酰胺化學的發展,RNA和DNA的合成已實現完全自動化。該技術仍在不斷進步,例如使用噴墨打印原理將DNA沉積到矽芯片上,並應用於化學、生物技術和醫學領域。目前,微軟和Western Digital等大型IT公司目前正在探索化學合成DNA用於數據存儲的可能性。

  ▸ 聲化學塗層——更安全、耐用的材料

  在一些獨特的條件下,化學品往往表現出令人驚訝的性能,產生以前無法想像的反應能力。在這些現象中,利用聲波觸發化學反應尤為突出,並應用於抗菌塗層或智能塗層等功能材料的製備。例如,利用聲化學技術將抗菌金屬納米顆粒(如銀、鋅)覆蓋於紡織品上,可以殺死99%以上的細菌和病毒,減少醫院感染的發生。而且,聲化學塗層更加耐用,可以承受多次洗滌仍保持性能。有些聲化學塗層檢測到致病細菌時,會改變顏色,這使其在食品安全等領域具有應用潛力,可以檢測食品狀態,延長食品的保質期。

  ▸ 化學發光及生物成像應用——提升檢測速度和靈敏度

  無論是在犯罪現場檢測血液(比如,魯米諾),還是在顯微鏡下點亮生物樣本(比如,綠色螢光蛋白),發光分子都表現出優異的性能。如今,科學家們仍致力於高效化學探針的開發,例如基於二氧雜環丁烷衍生物的探針材料,即使在有水的情況下也能發出明亮的光,不需要有機溶劑的幫助,特別適合用於生命系統進行成像。這類探針對沙門氏菌和李斯特菌等表現出超靈敏性,在檢測某些類型的腫瘤方面也顯示出巨大的應用潛力。

  ▸ 氨的可持續生產——綠色替代方案

  Harber-Bosch工藝奠定了現代合成氨工業的基礎,極大的促進了化肥工業,推動了20世紀人口的增長。儘管經過了一百多年的改進,能耗高、大量排放二氧化碳一直是其難以解決的問題。為了改變這一現狀,化學家們正在尋找更有效的合成方法,例如受藍藻中的固氮酶啟發,開發出新型的催化劑。另一種方法是通過電化學合成,利用電能打破氮-氮三鍵,同時從水中獲取氫原子,實現工業合成氨。這裏的主要挑戰是如何降低所需的電勢,同時最大限度地提高活性和選擇性。儘管到目前為止,該方案還遠遠沒有達到Harber-Bosch工藝的水平,但綠色的願景、合成氨工業巨大的經濟效益都在推動這一領域向前發展。

  ▸靶向蛋白質降解——“細胞機制”改變製藥業

  靶向蛋白質降解(TPD),是一種在製藥行業具有巨大潛力的化學工具。該技術原理很簡單,利用我們自己的細胞來消除有害蛋白質。在TPD之前,阻斷蛋白質的策略主要局限於抑製劑,而TPD技術提供了更多治療優勢,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。這項研究在癌症治療中顯示出巨大的前景,已經吸引了各大型製藥公司的投資,包括睿躍生物、Kymera、Nurix、輝瑞、拜耳、諾華和安進等,並正在催生更多的初創企業。臨床試驗顯示,該技術或許可以徹底治療與蛋白質積累有關的疾病,如帕金森病和阿爾茨海默病。

  ▸ 單細胞代謝組學——每次只分析一個細胞

  隨著成像和質譜等設備的發展,以及靈敏度的提高,化學家們可以觀察單個細胞的代謝情況,並同時分析幾種代謝產物,獲得有關細胞途徑、生物機制以及細胞樣品的獨特指紋信息,這為單細胞代謝組學的研究發展提供了可能。特別是在新冠大流行的背景下,單細胞代謝組學展示出巨大的應用潛力,可以幫助科學家更好的解釋入侵病毒與細胞之間的相互作用,深入研究病毒的感染過程,為疾病特效藥的研發提供了更可靠的實驗支援。

  IUPAC評選出的十項新興技術,兼具前瞻性和創新性,或許正在顛覆化學科學和其他領域。負責榜單評選的IUPAC副總裁Javier García Martínez說,“這十項新興技術,為創新的新機會、研究和工業的新途徑提供了全新的視角”。那麼,你的研究領域,是否出現在本年度的榜單中呢?

  參考文獻:

  [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

  https://www.chemistryworld.com/news/chemistry-union-reveals-its-latest-top-10-emerging-technologies/4014664.article

  [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

  [7] K。 D。 Duncan, et al。 Advances in mass spectrometry based single-cell metabolomics。 Analyst, 2019, 144, 782-793。 DOI: 10.1039/C8AN01581C

  (本文由小希供稿)

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