IUPAC发布2021年十项新兴技术，有没有你的研究领域？

在你的研究领域中，什么是最热门的新兴技术？有哪些创新研究正在飞速发展，或许可以改变世界？最近，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）发布了2021年的“化学领域的十项新兴技术（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）”榜单。计划始于2019年，以纪念IUPAC成立100周年暨门捷列夫元素周期表首次出版150周年。今年是该榜单发布的第三届，旨在体现化学家的价值，展示化学学科为社会和地球的可持续性发展做出的贡献。

具体来说，IUPAC“2021年化学领域的十项新兴技术”包括^[1-3]：

▸ 区块链技术

▸ 半合成生命体

▸ 超润湿性

▸ 人工腐殖质

▸ RNA和DNA的化学合成

▸ 声化学涂层

▸ 化学发光及生物成像应用

▸ 氨的可持续生产

▸ 靶向蛋白质降解

▸ 单细胞代谢组学

化学领域的十项新兴技术，似乎涵盖了化学、化工、生物、医疗、材料、制药、农业、通讯等各个领域。嘿，谁让化学是个综合学科呢？诺贝尔化学奖不也是大家公认的“理综奖”么？不过，换个角度，这也说明了化学研究已经深入到日常生活、工业发展的各个领域，越来越交叉正在成为化学专业未来发展的大趋势。

▸ 区块链技术——化学创新可追溯

区块链可以存储不同类型的信息，其最重要特征之一是可追溯性，通过加密算法对用户数据进行管理。迄今为止最常见的用途是作为加密货币协议，中本聪（Satoshi Nakamoto）于2008年提出了区块链的概念，并设计了广为人知的比特币。由于区块链是分散存储的，没有任何个人或团体拥有控制权，输入的数据理论上是永久记录和可访问的。因此，在化学工业上，区块链技术可以实现化学试剂供应链的持续追踪；在实验室，区块链技术可以解决科学实验可重复性的问题。目前，化工公司，如索尔维集团、Evonik、巴斯夫、陶氏杜邦等，正在探索区块链技术在化学生产中的应用。德国科学家Sönke Bartling认为，如果将区块链应用于实验记录和数据收集，或许可以颠覆论文出版、项目申请的评估模式，从根本上提高实验数据的可靠性，保护科学家们的知识产权。预计到2030年，区块链将产生超过3万亿美元的商业价值，其在化学领域的应用肯定会占很大份额。

图片来源于网络

▸ 半合成生命体——生物化学与医疗

2014年，美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）的研究者成功地开发出含有人造遗传碱基对的工程化菌株，开启了半合成有机体的研究 ^[4]。随后，科学家们进一步扩展了生命密码，使更多人工合成的碱基对在细菌细胞中完成DNA复制。携带这些人造核苷酸碱基的大肠杆菌，可以将其转录成非天然氨基酸以及特殊的蛋白质。CRISPR/Cas9等技术（2020年诺贝尔化学奖）的迅速进步，最大限度地减少了转录过程中可能出现的错误。非天然核苷酸和氨基酸的制备，为靶向治疗提供了新的化学工具。未来，化学家或许会发现其他人造DNA碱基，以及合成新的非天然氨基酸，扩大我们对生命体的认知。

图片来源：Chemistry International ^[2]

▸ 超润湿性——数百年前的发现

1805年，英国科学家托马斯•杨（Thomas Young）第一次提出了润湿性的定义，并利用液滴在界面上的接触角来解释这一概念。经过两个多世纪的研究，科学家们对这种现象有了更深入的理解。受到大自然的灵感启发，如荷叶上滚动的水珠、蚊子和壁虎的脚、仙人掌的汲水过程等，研究者发现了表面微纳结构对浸润性的影响，并学会了如何调节材料表面的亲疏水性能。超润湿性材料在能源、健康、农业等领域表现了广阔的应用前景，如分解水、去除污染物、纺织品自清洁、油水分离等。此外，这种微纳结构表面常常表现出独特的流体动力学特性和界面相互作用，可以提高化学反应的速率和选择性，为更绿色、更高效的催化化学工艺开辟了新的道路。

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▸ 人工腐殖质——可持续高效农业

有机物分解成腐殖质，是碳循环中仅次于光合作用的第二大过程，也是为土壤提供养分的主要方式之一。然而，该过程产生大量二氧化碳、甲烷等温室气体，据统计，农业、畜牧业和土地利用几乎占所有温室气体排放量的三分之一。化学家们提出了人工腐殖质的设想，该技术可以实现负碳过程。目前，有几种方法可以加速有机物的分解，其中水热腐殖化是最有吸引力的方法之一。该技术模拟了自然过程，产生与天然腐殖质相当的产品混合物，整个反应易于控制，具有可持续性、高效率、清洁、安全等特点。目前，欧洲的研究所正致力于开发大规模制备人工腐殖物质的试验工厂，这或许是抵消气候变化负面影响的一个有吸引力的方案。

图片来源：Chemistry International ^[2]

▸ RNA和DNA的化学合成——后疫情时代的未来

基于mRNA的新冠疫苗的研发成功，为未来攻克其他疾病，包括癌症、艾滋病、流感和糖尿病等方面提供了新的途径。经过五十多年的磷酰胺化学的发展，RNA和DNA的合成已实现完全自动化。该技术仍在不断进步，例如使用喷墨打印原理将DNA沉积到硅芯片上，并应用于化学、生物技术和医学领域。目前，微软和Western Digital等大型IT公司目前正在探索化学合成DNA用于数据存储的可能性。

图片来源：Chemistry International ^[2]

▸ 声化学涂层——更安全、耐用的材料

在一些独特的条件下，化学品往往表现出令人惊讶的性能，产生以前无法想象的反应能力。在这些现象中，利用声波触发化学反应尤为突出，并应用于抗菌涂层或智能涂层等功能材料的制备。例如，利用声化学技术将抗菌金属纳米颗粒（如银、锌）覆盖于纺织品上，可以杀死99%以上的细菌和病毒，减少医院感染的发生。而且，声化学涂层更加耐用，可以承受多次洗涤仍保持性能。有些声化学涂层检测到致病细菌时，会改变颜色，这使其在食品安全等领域具有应用潜力，可以检测食品状态，延长食品的保质期。

声化学涂层工艺。图片来源：Ultrason. Sonochem. ^[5]

▸ 化学发光及生物成像应用——提升检测速度和灵敏度

无论是在犯罪现场检测血液（比如，鲁米诺），还是在显微镜下点亮生物样本（比如，绿色荧光蛋白），发光分子都表现出优异的性能。如今，科学家们仍致力于高效化学探针的开发，例如基于二氧杂环丁烷衍生物的探针材料，即使在有水的情况下也能发出明亮的光，不需要有机溶剂的帮助，特别适合用于生命系统进行成像。这类探针对沙门氏菌和李斯特菌等表现出超灵敏性，在检测某些类型的肿瘤方面也显示出巨大的应用潜力。

图片来源：Chemistry International ^[2]

▸ 氨的可持续生产——绿色替代方案

Harber-Bosch工艺奠定了现代合成氨工业的基础，极大的促进了化肥工业，推动了20世纪人口的增长。尽管经过了一百多年的改进，能耗高、大量排放二氧化碳一直是其难以解决的问题。为了改变这一现状，化学家们正在寻找更有效的合成方法，例如受蓝藻中的固氮酶启发，开发出新型的催化剂。另一种方法是通过电化学合成，利用电能打破氮-氮三键，同时从水中获取氢原子，实现工业合成氨。这里的主要挑战是如何降低所需的电势，同时最大限度地提高活性和选择性。尽管到目前为止，该方案还远远没有达到Harber-Bosch工艺的水平，但绿色的愿景、合成氨工业巨大的经济效益都在推动这一领域向前发展。

图片来源：Chemistry International ^[2]

▸靶向蛋白质降解——“细胞机制”改变制药业

靶向蛋白质降解（TPD），是一种在制药行业具有巨大潜力的化学工具。该技术原理很简单，利用我们自己的细胞来消除有害蛋白质。在TPD之前，阻断蛋白质的策略主要局限于抑制剂，而TPD技术提供了更多治疗优势，单一降解药物甚至可以通过蛋白酶降解破坏多种致病蛋白。这项研究在癌症治疗中显示出巨大的前景，已经吸引了各大型制药公司的投资，包括睿跃生物、Kymera、Nurix、辉瑞、拜耳、诺华和安进等，并正在催生更多的初创企业。临床试验显示，该技术或许可以彻底治疗与蛋白质积累有关的疾病，如帕金森病和阿尔茨海默病。

靶向蛋白质降解策略。图片来源：ACS Infect. Dis. ^[6]

▸ 单细胞代谢组学——每次只分析一个细胞

随着成像和质谱等设备的发展，以及灵敏度的提高，化学家们可以观察单个细胞的代谢情况，并同时分析几种代谢产物，获得有关细胞途径、生物机制以及细胞样品的独特指纹信息，这为单细胞代谢组学的研究发展提供了可能。特别是在新冠大流行的背景下，单细胞代谢组学展示出巨大的应用潜力，可以帮助科学家更好的解释入侵病毒与细胞之间的相互作用，深入研究病毒的感染过程，为疾病特效药的研发提供了更可靠的实验支持。

用于单细胞代谢物分析的环境电离质谱示意图。图片来源：Analyst ^[7]

IUPAC评选出的十项新兴技术，兼具前瞻性和创新性，或许正在颠覆化学科学和其他领域。负责榜单评选的IUPAC副总裁Javier García Martínez说，“这十项新兴技术，为创新的新机会、研究和工业的新途径提供了全新的视角”。那么，你的研究领域，是否出现在本年度的榜单中呢？

参考文献：

[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）