2017年化學領域重要成果回顧

　　2018-01-31 07:00化學/藥物/微生物

　　本文轉自：科學公園

　　2017年化學領域重要成果回顧

　　

　　源|科學化工新聞編譯|魏昕宇

　　化學領域著名的媒體《化學化工新聞》在其2017年的最後一期刊物中評選出了當年化學領域重要的研究成果。筆者現將這些研究進展編譯如下，以供有興趣的讀者參考。

　　計算化學越過新的里程碑

　　計算機一直是化學家們不可或缺的好幫手，而在剛剛過去的一年，計算機對於化學研究的重要作用進一步凸顯。其中一個值得關注的領域是機器學習在化學研究中的應用。機器學習是人工智慧的一個重要分支，它使得計算機程序能夠超越簡單的編程設定，具備學習的能力。在2017年，多個研究小組報道了機器學習在化學研究中的應用。例如來自美國華盛頓大學的DavidBaker等人利用機器學習確定了600多種蛋白質的結構[1]。來自美國洛克菲勒大學、IBM公司等機構的研究人員利用機器學習成功預測了化合物的氣味[2]。來自美國和德國的研究人員則通過機器學習，無需複雜的計算就可以預測化合物的電子結構[3]。

　　2017年另一個值得關注的計算化學領域是量子計算機。由於原理有別於傳統的電子計算機，量子計算機被認為有望解決現有方法難以勝任的一些問題。雖然量子計算機仍然處於較為初級的研發階段，來自世界各地的研究人員仍然取得了許多進展。例如來自IBM的科學家們利用由7個量子位元組成的量子計算機計算了氫化鋰和氫化鈹的能級結構[4]。此前類似的計算僅僅局限於含有氫或者氦的分子，因此此次的研究無疑將量子計算機向前推動了一大步。

　　

　　來自IBM的研究人員使用的含有7個量子位元（圖中深色方塊）的處理器

　　電合成為化學家帶來幫助

　　在化學合成中，電流是一個非常重要的工具，常常能夠幫助實現其它條件下難以順利進行的化學反應。儘管有著這樣的優勢，電合成此前並不大為化學家們所重視。但在2017年，這種狀況開始發生變化。一個典型的例子是德國美茵茨大學的SiegfriedR. Waldvogel教授與贏創工業(Evonik Industries)合作，開發出一步合成二元醇、二元胺等重要化工原料的電合成技術[5]。Waldvogel教授此前曾與實驗儀器設備生產商IKA合作，推出供實驗室使用的電合成系統ElectraSyn Flow. 在2017年，美國斯克里普斯研究所的Phil S. Baran又幫助IKA對這一系統進行了升級。

　　在未來，化學合成面臨的一大挑戰是如何以更加經濟、安全、環保的方法合成結構更加複雜的分子。電合成無疑將為化學家們提供很好的幫助。

　　振奮人心的酶催化領域

　　作為天然存在的催化劑，酶一直是化學、食品、生物技術等工業關注的重點，也是化學研究的前沿領域之一。據《化學化工新聞》統計，在剛剛過去的2017年，幾乎每一期刊物中都會涉及與酶相關的研究進展。因此，酶催化領域的新發現當之無愧地成為2017年化學領域重要進展之一。在眾多的研究中，《化學化工新聞》列舉了其中幾項有代表性的工作：

　　苯環的烷基化是非常重要的化學反應。1877年，法國化學家查爾斯·傅里德和美國化學家詹姆斯·克拉夫茨發現鹵代烷在路易斯酸催化下能夠實現苯環的烷基化，這就是有機化學中著名的傅-克反應。在2017年，美國哈佛大學Emily Balskus教授帶領的研究團隊發現藍菌中的一種酶也可以實現類似的烷基化反應[6]。目前他們正在測定這種酶的結構，希望能夠對這種酶進行進一步的改造以擴大其應用範圍。

　　將烯烴氧化為醛也是一類重要的有機化學反應，但目前能夠催化這一反應的酶大多存在效率低或者立體構型選擇性差等缺點。為了尋找性能更加卓越的催化劑，來自美國加州理工學院的Frances H. Arnold等研究人員利用被稱為「定向進化」（directed evolution）的方法，模擬蛋白質在自然選擇作用下不斷進化的過程，對一種名為P450LA1的酶進行了改造。這種酶本來的功能是將烯烴氧化為環氧化物，但發生變異后，能夠較好地完成將烯烴氧化為醛的反應[7]。

　　來自法國原子能和替代能源委員會的研究人員在微生物藻類中發現了一種新的酶。這種酶能夠利用光能將脂肪酸中的羧酸基團移除，從而得到脂肪族烴類。這種新發現的酶或許可以在未來的化工生產中派上用場[8]。

　　流動化學合成應用於藥物生產

　　一條龍式的流動化學合成經常用於大宗化學品的合成，但藥物活性成分的合成由於工藝複雜、需求量少等原因，長期以來使用的是更加費時費力的批次合成。但近些年來，隨著流動化學合成設備的小型化，這一技術在藥物生產中的重要性開始受到重視。在2017年，著名製藥企業禮來公司的研究人員不僅利用流動化學合成技術合成出24千克的藥物活性成分，而且將流動化學合成裝置與質量控制系統銜接起來，保證了藥物的合成符合藥物良好生產規範。相關論文發表在頂級學術刊物《科學》上[9]。這一研究的負責人Kevin P. Cole指出，他們此次負責合成的藥物分子有著很強的細胞毒性，如果使用傳統的批次合成方法，合成完畢后，反應容器必須經過繁瑣的清洗，以免殘留的藥物污染其它產品。相反，他們使用的流動化學合成裝置在任務完成後可以直接丟棄，從而避免了上述問題。

　　

　　禮來公司使用的流動化學合成設備

　　同樣在2017年，來自Snapdragon Chemistry公司的研究人員利用流動化學合成技術，成功幫助輝瑞公司將一種藥物中間體的合成從六步簡化為兩步。新的合成路線需要使用的一種有機鋰化合物性質極其活潑，因而反應必須在-78 °C的低溫下進行。這樣的低溫在傳統的批次合成中難以實現，但通過流動化學合成，問題就迎刃而解了[10]。

　　值得一提的是，《化學化工新聞》評選出的2016年重要化學進展就包含流動化學合成在藥物生產中的應用。時隔一年，這一領域的研究成果再度入圍當年重要化學研究成果，可見這一新興方法的重要性。

　　分子機器向前邁出一大步

　　所謂分子機器，指的是能夠利用外部能量完成指定操作的分子或者分子的集合體。2016年，三位科學家由於在分子機器領域的研究而獲得當年的諾貝爾化學獎，從而使得這一原本較為陌生的概念開始為公眾所了解。

　　借著諾貝爾獎的東風，在過去的一年裡，分子機器領域湧現出不少令人矚目的進展。在去年4月，來自全球各地的六個研究小組進行了世界上首次「納米汽車」的競賽。由美國和奧地利研究人員合成的分子機器」Nanoprix」在29小時內前進了1微米，以最長的距離和最快的速度拔得頭籌。並列第一的由瑞士研究人員開發的分子機器則在6小時30分鐘內前進了133納米。

　　除了這場別具一格的競賽，還有幾項分子機器相關的研究成果也值得一提。來自美國萊斯大學的研究人員合成的分子機器能夠吸附在細胞膜上，然後在紫外線照射下發生轉動。轉動的結果是細胞膜被破壞，從而導致細胞死亡。這或許可以用來殺滅癌細胞[11]。來自英國曼徹斯特大學的研究人員合成的分子機器則通過分子的轉動來實現不同結構化合物的合成[12]。2016年諾貝爾化學獎得主之一，荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費林加以發明在光照下沿著一個方向旋轉的分子馬達而聞名。在2017年，他帶領研究團隊合成出更加複雜的分子馬達[13]。來自法國斯特拉斯堡大學的研究人員將兩種不同的分子機器結合在一起，在光照作用下，它們能夠將聚合物的分子纏繞在一起再打開。由於這種作用，整塊材料在光照下能夠表現出收縮和膨脹[14]。來自韓國的研究人員開發出一種新的聚合物材料。這種材料的結構頗似日常生活中常見的滑輪：相鄰的聚合物分子既相互連接，彼此之間又可以發生滑動。這種結構的一個潛在應用是作為鋰離子電池的電極時，能夠更好地緩衝電池充放電導致電極的膨脹和收縮，從而提高電池的性能[15]。

　　

　　在光照驅動下能夠在細胞膜上打洞的分子機器

　　模擬女性生殖系統的裝置

　　美國西北大學Teresa K. Woodruff教授帶領的團隊將體外培養的女性生殖系統和肝臟的組織（其中的卵巢細胞來自小鼠）通過微流控設備連接起來。這種被稱為Evatar的裝置能夠模擬女性的月經周期[16]。研究人員表示，這種模擬女性生殖系統的裝置不僅可以幫助人們更好地認識相關的疾病，而且有朝一日，患者或許可以將自己的細胞在體外培養，從而幫助醫生更好地量體裁衣、對症下藥。

　　

　　在體外模擬女性生殖系統的裝置Evatar

　　同樣在2017年，Woodruff和西北大學Ramille N. Shah教授帶領的研究團隊合作，成功開發出「人造卵巢」。他們首先利用3D列印加工出一個明膠製成的骨架，再將小鼠的卵泡植入骨架中。實驗表明，這種人造卵巢在植入事先移除了卵巢的雌性小鼠體內后能夠正常發揮作用，幫助小鼠完成交配和生育的過程[17]。Woodruff教授表示，利用同樣的方法模擬人的卵巢難度更大，但也並非不可能。如果這一目標得以實現，將有望為那些由於疾病而導致生育能力受損的女性帶來福音。

　　單分子實驗揭示高分子化合物的形成過程

　　天然的高分子化合物在生命現象中扮演著關鍵的角色，人工合成的高分子化合物更是我們不可或缺的材料，因此研究高分子化合物的形成過程有著重要的意義。在2017年，來自美國的研究人員在這一領域做出了突破性的發現。

　　高分子化合物由無數的小分子(即通常所說的單體)聚合而來。但高分子究竟是如何「長大」的，由於實驗技術的限制，很難直接觀察。但來自美國康奈爾大學的Peng Chen, Geoffrey W. Coates和Fernando A.Escobedo三位科學家帶領他們的團隊通過巧妙的實驗設計，成功觀察到了高分子化合物單個分子的形成過程。他們發現，隨著聚合的進行，高分子化合物的分子並非簡單地變長，而是會形成一個高度糾纏的「線團」。經過一段時間后，「線團」打開，高分子化合物的分子由蜷縮變成舒展，而一個新的「線團」又開始形成，如此往複[18]。

　　

　　康奈爾大學研究人員通過巧妙的實驗設計（上）觀察到的高分子化合物單個分子的形成過程（下）

　　這一發現無疑讓我們更好地認識高分子化合物的性質，這不僅有助於開發性能更加優越的材料，還有可能更好地理解生命現象。

　　益生菌用於疾病治療獲得成功

　　我們體內生活著大量的微生物。科學家們一直致力於弄清體內微生物對人體生理活動的影響，並嘗試通過微生物來治療或者預防疾病。2017年的一項研究為這一領域帶來了新的希望。

　　一項在印度進行的臨床試驗表明，口服植物乳桿菌這種細菌和一種名為果寡糖的糖類能夠將嬰兒敗血症的發生和死亡率降低40%[19]。由於實驗結果非常令人滿意，這項由美國內布拉斯加大學醫學中心PinakiPanigrahi教授主持的臨床試驗提早結束，因為管理方認為繼續給對照組的嬰兒服用安慰劑已經有違醫學倫理。

　　一位業內人士指出，這項臨床試驗之所以能夠取得很好的結果，是因為研究人員進行了充分的前期工作，不僅篩選出了合適的菌種，還找到了能夠幫助細菌繁殖的糖類。這位業內人士還指出，這項研究增強了人們通過控制和改造腸道微生物來防治疾病的信心。

　　（原文見https://cen.acs.org/articles/95/ ... the-year-2017.html.文中插圖均來自原報道）

　　參考文獻

　　[1] Sergey Ovchinnikov等, 「Protein structure determination using metagenome sequence data」,Science, 2017, 355, 294

　　[2] Andreas Keller等,「Predicting human olfactory perception from chemical features ofodor molecules」, 2017, 355, 820

　　[3] Felix Brockherde等,「Bypassing the Kohn-Sham equations withmachine learning」, Nature Communications, 2017, doi:10.1038/s41467-017-00839-3

　　[4] Abhinav Kandala等, 「Hardware-efficient variational quantum eigensolver for smallmolecules and quantum magnets」, Nature, 2017, 549, 242

　　[5] Stephen K. Ritter, 「Electrosynthesisgives organic chemists more power」, Chemical and Engineering News, 2017,95(11), 23

　　[6] Hitomi Nakamura等,「A new strategy for aromatic ringalkylation in cylindrocyclophane biosynthesis」, Nature Chemical Biology, 2017, 13, 916

　　[7] Stephan C. Hammer等,「Anti-Markovnikov alkene oxidation bymetal-oxo–mediated enzyme catalysis」,Science,2017, 358, 215

　　[8] Damien Sorigué等, 「An algal photoenzyme converts fatty acids to hydrocarbons」,Science, 2017, 357, 903

　　[9] Kevin P. Cole等,「Kilogram-scale prexasertibmonolactate monohydrate synthesis undercontinuous-flow CGMP conditions」, Science, 2017, 356, 6343

　　[10] Hui Li等, 「Flow Asymmetric Propargylation: Development of ContinuousProcesses for the Preparation of a Chiral β-Amino Alcohol」, AngewandteChemieInternational Edition, 2017, 56, 9425

　　[11] Víctor García-López等, 「Molecular machines open cell membranes」, Nature, 2017, 548, 567

　　[12] Salma Kassem等,「Stereodivergent synthesis with a programmable molecular machine」,Nature, 2017, 549, 374

　　[13] Peter Štacko等, 」 Locked synchronous rotor motion in a molecular motor」, Science,2017, 356, 964

　　[14] Justin T. Foy等,「Dual-light control of nanomachines thatintegrate motor and modulator subunits」, NatureNanotechnology, 2017, 12, 540

　　[15] Sunghun Choi等,「Highly elastic binders integratingpolyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries」, Science, 2017, 357, 279

　　[16] Shuo Xiao等, 「A microfluidic culture model of the human reproductive tract and28-day menstrual cycle」, Nature Communication, 2017, doi:10.1038/ncomms14584

　　[17] Monica M. Laronda等, 」A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffoldsrestores ovarian function in sterilized mice」, Nature Communication, 2017, doi:10.1038/ncomms15261

　　[18] Chunming Liu等, 「Single polymer growth dynamics」, Science, 2017, 358, 352

　　[19] Pinaki Panigrahi等,「A randomized synbiotic trial to prevent sepsis among infants inrural India」, Nature, 2017, 548, 40