在你的研究領域中，什么是最熱門的新興技術？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，國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）發(fā)布了2021年的“化學領域的十項新興技術（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜單。計劃始于2019年，以紀念IUPAC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)化學家的價值，展示化學學科為社會和地球的可持續(xù)性發(fā)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(qū)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
? 聲化學涂層
? 化學發(fā)光及生物成像應用
? 氨的可持續(xù)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(yī)療、材料、制藥、農業(yè)、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”么？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(yè)發(fā)展的各個領域，越來越交叉正在成為化學專業(yè)未來發(fā)展的大趨勢。
? 區(qū)塊鏈技術——化學創(chuàng)新可追溯
區(qū)塊鏈可以存儲不同類型的信息，其最重要特征之一是可追溯性，通過加密算法對用戶數(shù)據(jù)進行管理。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，并設計了廣為人知的比特幣。由于區(qū)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(shù)據(jù)理論上是永久記錄和可訪問的。因此，在化學工業(yè)上，區(qū)塊鏈技術可以實現(xiàn)化學試劑供應鏈的持續(xù)追蹤；在實驗室，區(qū)塊鏈技術可以解決科學實驗可重復性的問題。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(qū)塊鏈技術在化學生產中的應用。德國科學家S?nke Bartling認為，如果將區(qū)塊鏈應用于實驗記錄和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的可靠性，保護科學家們的知識產權。預計到2030年，區(qū)塊鏈將產生超過3萬億美元的商業(yè)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(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的工程化菌株，開啟了半合成有機體的研究 [4]。隨后，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復制。攜帶這些人造核苷酸堿基的大腸桿菌，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(xiàn)的錯誤。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工具。未來，化學家或許會發(fā)現(xiàn)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(shù)百年前的發(fā)現(xiàn)
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，并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(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)了表面微納結構對浸潤性的影響，并學會了如何調節(jié)材料表面的親疏水性能。超潤濕性材料在能源、健康、農業(yè)等領域表現(xiàn)了廣闊的應用前景，如分解水、去除污染物、紡織品自清潔、油水分離等。此外，這種微納結構表面常常表現(xiàn)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辟了新的道路。
? 人工腐殖質——可持續(xù)高效農業(yè)
有機物分解成腐殖質，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，該過程產生大量二氧化碳、甲烷等溫室氣體，據(jù)統(tǒng)計，農業(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家們提出了人工腐殖質的設想，該技術可以實現(xiàn)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?shù)漠a品混合物，整個反應易于控制，具有可持續(xù)性、高效率、清潔、安全等特點。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——后疫情時代的未來
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。經過五十多年的磷酰胺化學的發(fā)展，RNA和DNA的合成已實現(xiàn)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沉積到硅芯片上，并應用于化學、生物技術和醫(yī)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用于數(shù)據(jù)存儲的可能性。
? 聲化學涂層——更安全、耐用的材料
在一些獨特的條件下，化學品往往表現(xiàn)出令人驚訝的性能，產生以前無法想象的反應能力。在這些現(xiàn)象中，利用聲波觸發(fā)化學反應尤為突出，并應用于抗菌涂層或智能涂層等功能材料的制備。例如，利用聲化學技術將抗菌金屬納米顆粒（如銀、鋅）覆蓋于紡織品上，可以殺死99%以上的細菌和病毒，減少醫(yī)院感染的發(fā)生。而且，聲化學涂層更加耐用，可以承受多次洗滌仍保持性能。有些聲化學涂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(tài)，延長食品的保質期。
? 化學發(fā)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(xiàn)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，綠色熒光蛋白），發(fā)光分子都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。如今，科學家們仍致力于高效化學探針的開發(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，不需要有機溶劑的幫助，特別適合用于生命系統(tǒng)進行成像。這類探針對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用潛力。
? 氨的可持續(xù)生產——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，極大的促進了化肥工業(yè)，推動了20世紀人口的增長。盡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(xiàn)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(fā)，開發(fā)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(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，該方案還遠遠沒有達到Harber-Bosch工藝的水平，但綠色的愿景、合成氨工業(yè)巨大的經濟效益都在推動這一領域向前發(fā)展。
?靶向蛋白質降解——“細胞機制”改變制藥業(yè)
靶向蛋白質降解（TPD），是一種在制藥行業(yè)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于抑制劑，而TPD技術提供了更多治療優(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。這項研究在癌癥治療中顯示出巨大的前景，已經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、諾華和安進等，并正在催生更多的初創(chuàng)企業(yè)。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(fā)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，并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(fā)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(fā)提供了更可靠的實驗支持。
IUPAC評選出的十項新興技術，兼具前瞻性和創(chuàng)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(chuàng)新的新機會、研究和工業(yè)的新途徑提供了全新的視角”。那么，你的研究領域，是否出現(xiàn)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
[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）