詳細解析2021年度化學領域十大新興技術

　　2021年度化學領域十大新興技術7日下午以第三屆世界科技與發展論壇為平臺對外發布，區塊鏈技術、半合成生命體等10項技術入選。

　　第三屆世界科技與發展論壇當天下午在北京閉幕，中國化學會副理事長帥志剛在閉幕式上發布最新評出的“2021年度化學領域十大新興技術”，它們分別是：

　　區塊鏈技術

　　----數字化的進步使化學創新更具可重復性和可追蹤性

　　Solvay、Evonik 和 BASF是一些正在探索區塊鏈技術在化學領域 應用中處于世界領先的公司。此外，許多人認為，由于區塊鏈的主要內置功能之一——可追溯性，它是實現科學研究變得具有更多重復性的關鍵。早在 2008年，中本聰就構思和設計了區塊鏈——盡管許多其他計算機科學家在20世紀80年代和90年代也提出過類似的想法。中本聰設計了深受人們喜愛的加密貨幣比特幣，其本質是一份數字金融記錄和貨幣交易的清單，用加密算法連接，并由分布式點對點的用戶網絡來管理。此后，專家們將這種技術用于開發其他應用，如智能合約、數字股票和藝術品中重要的真實性證明。根據設計，區塊鏈提供了一個不可改變的儲存庫來記錄任何種類的交易，這在整個科學研究過程中提供了巨大的可能性。由于交易的原始記錄在嚴格的加密保護下被安全地保存在整個計算機網絡中，欺詐性的改動很快就會被發現。美國國家標準和技術研究所以及其他著名機構認為，區塊鏈可以使所有領域的科學家受益，并解決諸如可重復性等重要問題[4]。例如，英國的化學家已經探索了利用區塊鏈來追蹤一系列簡單的計算結果。他們的初步結果表明，這種類型的加密環境可以同時提高透明度和可獲得性，因為該過程的每一步都被記錄下來并在數字賬本中共享[5]。

　　德國研究員S?nke Bartling相信，區塊鏈對研究的好處不僅僅在于安 全的實驗室記錄本和數據收集，還能增進研究工作的出版、資助、評估和認可。事實上，世界知識產權組織正在探索區塊鏈改造知識產權（IP）行業的潛力——從發明者的證明材料到版權費的管理[6]。化學公司在這一方面希望保持領先地位；許多公司已經創建了基于區塊鏈的系統，以實現其供應鏈的現代化。這項技術保證了所有各方的安全交易，將可追溯性提高到前所未有的詳細程度。“智能合同”是完全自動化的，能夠持續跟蹤化學品從原材料到市場貨架的情況。歐洲化學品制造商也在探索區塊鏈推進循環經濟的可能性——通過更容易、更可靠的生命周期評估，區塊鏈將可能提高可回收性，改善資源的利用，并最終降低整體成本[7]。區塊鏈在化學領域的可能性的另一個證明是，歐盟委員會通過不同的資助項目支持的初創公司的大量出現，包括 ChemChain等。這家公司通過其去中心化的加密賬本，來確保化 學品的數據和信息得到充分保護，這吸引了陶氏-杜邦等領先企業的關注。預計到2030 年，區塊鏈將產生超過3萬億美元的商業價值[8]，而其在化學領域的應用肯定會占其中的很大份額。

　　半合成生命體

　　----拓展生物化學和治療學的新字母

　　煉金術士們夢想將鉛轉化為金。如今，化學家們幻想著擴展生命的密碼——一個隱藏生物信息的通用系統。在過去的幾年里，這個領域已經成為現實，并且已經取得了一些了不起的里程碑。經過幾十年的失敗嘗試，Scripps研究所的一個研究小組終于在2014年成功地將兩個人造字母添加到基因字母表中——其綽號分別為 X 和Y[9]。從 那時起，科學家們進一步擴大了基因字母表，增加了B、P、S和Z等新堿基[10]。所有這些合成的核苷酸可以在我們的基因組中填充新的“詞匯”、新的想法——例如創造用于診斷、治療以及其他方面的拯救生命的蛋白質所需的信息。最終，化學家們還設計了新的生物系統來解釋和利用這些非自然的字母。大腸桿菌的基因工程菌株在其DNA 中攜帶這些人工核苷酸堿基，并將其編碼的信息轉錄為不尋常的蛋白質，這些蛋白質還具有非傳統的氨基酸，如吡咯賴氨酸和偶氮苯丙氨酸[11]。如今，化學家們正在研究如何完善這些人工生化機器，開發新的系統以盡量減少轉錄和翻譯過程中出現錯誤的數量，這得益于贏得諾貝爾獎的 CRISPR/Cas9等技術的迅速發展。這些發現的意義超 越了化學本身——生命的基本構筑單元超出了我們本身所擁有的范圍，這引發了對地外生命可能是什么樣子的新思考。除了哲學問題，非天然核苷酸和氨基酸為設計靶向治療藥物提供了新的化學工具，包括THOR-707，一種目前正在進行臨床試驗的針對轉移性實體腫瘤的藥劑。引領這項技術的公司之一是Synthorx公司，由合成生命學先驅FloydRomesberg建立。它在2019年底被法國制藥巨頭Sanofi（賽諾 菲）公司以 25億美元的價格收購——這顯示了對這項新興技術的商 業興趣。在未來，化學家可能會發現其他人工DNA字母，以及合成 新的非天然氨基酸，拓展我們已知生命的局限性，并實現一系列全新的、更好的療法和醫療解決方案。

　　超浸潤性

　　----一個世紀之久的發現提供了新的機會

　　英國科學家ThomasYoung（托馬斯-楊）主要因雙縫實驗而聞名， 該實驗支持了光是一種波的觀點。然而，他也開創了其他重要的科學領域，包括對浸潤性的研究——液體與固體表面保持接觸的能力。1805 年，楊基于液滴在界面上形成的接觸角第一次提出了這個概念的定義。真正浸潤的液體會采用相當平坦的形狀和小的接觸角，而不浸潤的液體則形成幾乎是球形的結構和大的接觸角[12]。經過兩個世 紀對這一現象的研究，科學家們獲得了更好的理解，甚至掌握了如何隨意調整浸潤性，設計出具有特殊性能的新材料。其中，超浸潤性在能源、健康、農業等領域具有巨大的應用前景。其中一些進展在很大程度上受到自然界微納米結構的啟發，如壁虎和青蛙的腳、蚊子的眼睛、仙人掌和玫瑰的表面。在這些例子的基礎上，科學家們已經在金屬、聚合物、織物等材料構建出具有納米結構的表面。當然，化學是這些設計的基礎，這些設計都需要精巧的制造技術。超浸潤性結構已經導致了驚人的反應性能。這種表面表現出獨特的流體動力學性質，從而提高了一類界面相互作用扮演關鍵因素的化學反應的效率，特別是光催化和電催化反應。比如，高活性的水分解、環氧化、酯化和縮合反應等。此外，這類納米結構催化劑通常表現出更高的耐久性、可回收性和選擇性，為符合聯合國可持續發展目標中更綠色、更高效的化學工藝過程鋪平了道路[13]。超浸潤性表面在傳感器、綠色打印、能量存儲、廢液處理、淡水收集等領域均具有重要用途。來自中國和韓國公司正在探索其在自清潔紡織品、油水分離和相變液體冷卻等領域的應用。雖然在制造 技術方面仍然存在許多挑戰，但研究人員相信，這項技術將徹底改變材料科學，新的機會正在不斷涌現[14]。

　　人工腐殖質

　　為可持續和高效農業設計負碳解決方案

　　農業、畜牧業和土地使用幾乎占所有溫室氣體排放的三分之一。除了造成令人擔憂的氣候危機外，這些都直接影響到作物產量——政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的報告預測，我們將在2030年達 到一個關鍵的狀況。再一次，化學可以給出一個有希望的答案，一個人工替代腐殖質的方法，以便更好地管理我們土壤中稀缺的資源。雖然隱藏在我們腳下，但有機物分解成腐殖質是碳循環的第二大過程，僅次于光合作用。因此，設計策略以使其更有效是目前的一個優先事項。此外，人工腐化過程保證了能完全控制整個反應過程，這可以得到更清潔、更安全和更綠色的施肥解決方案。目前，有幾種方法可以加速有機物的分解——其中熱液腐化正在成為其中最吸引人的方案之一。根據Fan Yang和MarkusAntonietti的設想，該技術是在有灰燼存在的熱水中"煮"有機物。這些過程中的特定條件模擬了自然界的地球化學過程，并產生了與自然腐殖質殘留物相當的混合物產物[15]。最近的實驗室實驗表明，這些人工腐殖質可以改善土壤質量和健康，以及農業生產力——這是抵消氣候變化負面影響的一個有吸引力的選擇。這種提高來自于人工腐殖質的諸多好處。研究表明，它能改善水和肥料的結合，從而提高資源的利用率，減少富營養化等副作用，并能刺激土壤微生物，有利于礦物質的吸收和消化。此外，與自然界生物化學分解過程中不可避免地排放出二氧化碳和甲烷等溫室氣體不同，人工腐殖質基本上是負碳的[16]。專家們認為，這些碳固定解決方案將有助于循環經濟，與可持續發展目標 SDG 13 保持一致，并形成碳中和社會。目前，歐洲的一些機構正在努力開發第一批試驗工廠，用以大規模制備人工腐殖質。人工腐殖質與IUPAC十大新興技術如納米農藥、納米傳感器和人工智能一起，將為更可持續和高效的農業過程鋪平道路。

　　RNA和DNA的化學合成

　　----COVID疫苗后核酸在藥物化學中的應用前景

　　去年，IUPAC強調了RNA疫苗在結束COVID-19方面的潛力，并很可能在未來用于許多其他疾病，包括癌癥、艾滋病和流感[17]。這些疫苗適應性強、用途廣泛，而且制造速度相對較快。據《OurWorldinData》的數據，到2021年7月底美國已經使用了超過3.25億劑量的mRNA疫苗。然而，如果沒有化學合成核酸方面的突破，這一切都不可能發生。現在，經過50多年的技術發展，RNA和DNA的制造已經完全自動化和大眾化，以至于一些“臺式”合成設備已在市場上出售。在本次十大技術的選擇中，這可能是市場化最成熟的一個。它已經成功地從以亞磷酰胺化學為核心的基礎實驗室反應過渡到上個世紀的創新里程碑。如今，核酸的合成已經進步到足以產生接近科幻小說的結果。2019 年，中國研究人員報道了一個概念驗證性的合成器，它使用了與傳統噴墨打印機相同的原理。利用這項技術，科學家們將不同的DNA 鏈直接并精確地打印到硅基微反應器中——這些設備在化學、生物技術和醫學方面有無數的應用[18]。大型IT公司，如微軟和WesternDigital，目前正在探索將化學合成的DNA用于數據存儲的可能性，結果非常有希望。最新的結果表明，核酸比傳統的基于磁性材料的解決方案能更持久、更密集地儲存信息，根據最近的研究，每克核酸的信息容量可達到 17個艾字節（1018）[19]。除了這些技術進步之外，自動化學合成可以帶來具有巨大潛力的新療法。截至2020 年，美國食品和藥物管理局已經批準了11種基于寡核苷酸的藥物，目前還有幾種藥物正在進行醫學試驗。領先的化學和制藥公司——Biogen、Merck、Bausch&Lomb等——正在研究這項技術，在基于mRNA的COVID疫苗取得勝利后，這項技術正變得越來越流行。目標包括癌癥、傳染病、糖尿病等，所有這些都包含在可持續發展目標 SDG 3 中[20]。最后，這些有幾十年歷史的化學發展產生了令人振奮的結果，再次證明重視基礎科學研究是至關重要的[21]。

　　聲化學涂層

　　----更安全、更耐用、具有增值特性的材料

　　之前評出的一些 IUPAC十大新興技術，如機械化學、液體門控和高壓無機化學都是受物理刺激所控制。在特定條件下，化學品的表現往往令人驚訝——產生以前無法想象的特性和性能。聲化學——使用（超）聲波來觸發化學反應——在這些現象中脫穎而出，特別是它在制造具有增值特性的創新功能材料中的巨大潛力[22]。今年 IUPAC 強調了聲化學在表面涂層方面的潛力，這是一項直接有助于實現若干可持續發展目標的技術。這種類型的處理方法可以賦予特定的表面各種不同的特性——磁性、熒光和抗菌等等。后者在 COVID-19 疫情期間被證明特別重要，因為醫院、公共場所以及我們日常生活中與之打交道的不同表面需要有效的抗病毒特性來消除SARS-CoV-2 的殘留物。聲化學涂層采用銀、銅和鋅等金屬的抗菌納米顆粒覆蓋紡織品——所有這些都能減少醫院感染的發生[23]。此外，一些研究表明，抗菌聲化學涂層可以經受多次洗滌而不降低性能——這在現實生活應用中是很關鍵的，因為服裝經常要在高溫下進行專業清洗。Sonovia是一家以色列初創公司，根據他們的網站，在可重復使用的口罩上使用鋅納米顆粒聲化學涂層，可以殺死99%以上的細菌、病毒和真菌。此外，某些涂層可以產生了“智能”材料。例如，西班牙研究人員用普魯士藍納米顆粒覆蓋紡織品，通過簡單的顏色變化就可以檢測致病菌的菌株；他們預計這一發展可以預防醫院以外的擁擠環境中的細菌感染[24]。聲化學涂層在食品安全和能源領域也有優勢，用抗菌化合物覆蓋草莓可以延長其保質期，鋰離子電池的涂層可以提供高性能和穩定性。由于這些原因，一些公司正在探索新的可能性，以將這項技術擴大到工業環境中，并開發能夠連續生產涂層材料的滾筒制備法（roll-to-rollmethods）。歐盟委員會還用超過800萬歐元資助了SONO項目來實現這一目標[25]。作為一項新興技術，聲化學涂層現在應該要度過"死亡之谷"，成功克服與工業界的“代溝”。

　　生物用化學發光

　　----水溶性二氧雜環丁烷提高了生物檢測的速度和靈敏度

　　發光一直讓人類著迷，欣賞螢火蟲的綠光和海藻的藍光簡直是一種魔法。科學家們已經學會了利用這些化學反應的力量——比如熒光劑，來幫助犯罪現場調查人員檢測血液，以及獲得2008年諾貝爾獎的綠色熒光蛋白（GFP）來點亮生物樣本，簡化了顯微鏡檢查。然而，科學家們還在不斷地改進發光分子，以應用于高效二極管、安全信號、生物研究等方面。最近，研究人員發現了高效的化學發光探針，在生物學、生物技術和醫學方面具有巨大的應用潛力。基于二氧雜環丁烷——四元的飽和氧雜環——這些分子在生理條件下閃耀著驚人的光芒，有時比以前的解決方案要亮數千倍。最重要的是，二氧雜環丁烷在水中也能完美地履行其職責，而不像其他競爭對手那樣需要有機溶劑。這可加速分析過程，因為化學發光過程是在體內進行的，就像基于酶的方案一樣，且具有相當的量子產率[26]。這項新興技術目前仍處于早期階段，然而許多有趣的應用已經出現。其中二氧雜環丁烷探針在檢測某些類型的腫瘤方面顯示出了巨大的前景，甚至有助于區分癌癥亞型。它們還能超靈敏地檢測致病菌，如沙門氏菌和李斯特菌，這些細菌與嚴重的食源性疾病有關，即使在今天也會造成嚴重的健康問題。此外，二氧雜環丁烷為活細胞成像領域帶來了有趣的機會，可以加速對基本生物化學過程的理解，并提供新的靈敏診斷工具。一些分子甚至表現出近紅外區域的發光，這一波長比可見光具有更大的穿透力，為非侵入性診斷和局部治療打開了大門[27]。值得注意的是，Biosynth——一家最近與 Carbosynth合并的公司——對這些新型二氧雜環丁烷化學發光化合物表示出興趣，并將很快開始其商業化。在一份官方新聞稿中，Biosynth 的總裁表示，這項技術的潛力是巨大的，可能會顯著提高生物檢測的速度[28]。日常生活中的熒光棒也是由于二氧雜環丁烷而發光[29]，也許水溶性的二氧雜環丁烷探針將變得同樣流行。

　　氨的可持續生產

　　----Harber-Bosch工藝的綠色替代品

　　用于合成氨的 Harber-Bosch工藝是有史以來最成功的化學反應之一。它使大氣中的氮氣（由于具有雙原子分子中第二強的化學鍵其通常為惰性）能夠轉化為氨，然后是硝酸鹽和亞硝酸鹽，這些物質被用于制造化肥、塑料、纖維、制冷劑等。這個單一的反應推動了20世紀的人口增長，目前每年的氨產量超過 2 億噸。然而，所有這一切都要付出高昂的代價——在不考慮所有后續轉化為不同化學品的情況下[30]，合成氨所排放的二氧化碳比任何其他工業過程都多。當然，我們需要改變這種狀況——化學家們需要一種可持續的替代途徑來生產氨，并消除合成氨與化石燃料和溫室氣體排放的強烈關聯。為了實現這一目標，他們設想了兩種互補的戰略。一方面，他們從大自然中尋找靈感——特別是細菌和藍藻中的固氮酶，由于有了鐵和鉬的輔酶，它們可以減少氮氣。最近的研究只是展示了進化的智慧——很少有金屬能超越這兩種自然存在于酶中的金屬的性能。盡管如此，這些催化劑也有利于產生氫氣，但這是一個不想要的競爭反應，只有合理地設計催化劑才能提高合成氨反應的選擇性。一些解決方案包括將催化劑負載在層狀材料上或將其封裝在沸石籠中。另一方面，化學家也利用電的力量來打破三重氮-氮鍵，同時從水中獲取氫原子。如果使用的能源來自可再生資源——風能、水電、太陽能——這個過程就會變得加倍的可持續，因為它避免了對從化石燃料中獲得氫氣的依賴。這里的主要挑戰是減少所需的電動勢，同時使活性和選擇性最大化。到目前為止，現有的解決方案遠沒有解決對 Harber-Bosch 反應的依賴，因此一些公司和資助機構正在支持研究，以使氫氣生產更加綠色[31]。此外，從技術上說，氨能“儲存”氫，氫是一種綠色燃料，燃燒時只產生水，它甚至可以單獨成為化石燃料的替代品。與氫氣不同，氨氣在溫和條件下容易液化，這將簡化儲存和運輸。澳大利亞的研究人員很樂觀，他們設想到2040年將會有一個成功的氨經濟。在此之前，我們將開發碳捕獲技術，以減少Harber-Bosch生產的影響，然后將這一過程轉移到可再生氫氣資源。在其路線圖的最后階段，氨將完全來自氮氣的電化學還原，這消除了整個過程中的碳 排放[32]。盡管許多基礎研究仍在進行中，但生產綠色氨的某些解決方案已達到較高的技術就緒水平，包括Yara（澳大利亞）、HiringaEnergy（新西蘭）、Topsoe（丹麥）和Iberdrola（西班牙）這些公司自己的努力。綠色肥料、塑料和燃料將與可持續氨一起，為從清潔能源和高效農業，到可持續城市和負責任的生產等全面的可持續發展目標做出貢獻[33]。

　　靶向蛋白質降解

　　----利用我們的細胞機制來革新制藥業

　　如前所述，化學家和生物化學家經常在大自然中找到靈感。靶向蛋白降解（targetedprotein degradation, TPD）的情況也是如此，這是一種具有巨大治療潛力的創新化學工具。其原理相當簡單：利用我們自己細胞的降解途徑，以根除有問題的蛋白質。這項技術已經吸引了數十億的投資，刺激了許多初創企業的誕生，甚至開始了多樣化的臨床試驗。TPD 的關鍵是觸發蛋白質水解的小分子，通常被稱為PROTACs。它們的結構被巧妙地設計來劫持蛋白質分解酶，并將其與特定的目標連接起來，隨后這個目 標將代替原來的蛋白被消除掉[34]。這對于藥物化學領域的潛力是巨大的。在 TPD之前，我們阻斷蛋白質的策略大多限于抑制劑，這需要一個特定的結合口袋。然而，只有四分之一的蛋白質展示了上述功能——在這里TPD 提供了一個治療優勢，它能引發有害結構的消除。此外，它能直接追蹤蛋白質，從而避免了使用基因工程或在體內往往不穩定的小核酸敲除它們的復雜替代方法[35]。合理設計的PROTACs（以及其他具有類似效果的分子）在治療癌癥領域顯示出巨大的前景。耶魯大學的先鋒衍生公司Arvinas已經使用基于TPD分子的抗乳腺癌和前列腺癌候選藥物進入臨床試驗，為這一技術提供了有史以來第一個人體數據[36]。其他公司很快跟進，包括Cullgen、Kymera、Zexin和 Nurix。大型制藥公司，如Pfizer（輝瑞）、Bayer（拜耳）、Novartis（諾華）和Amgen（安進）等也看到了TPD 的潛力，并投入大量資金進一步開發這類新藥。除了癌癥，研究人員還探索 TPD 用于治療與蛋白質堆積有關的疾病的可能性，包括神經退行性疾病，如帕金森癥和阿爾茨海默癥。初步研究顯示，PROTAC 介導的 TPD 是一個很好的策略，可以觸發消除某些蛋白質的聚集——其中包括與阿爾茨海默癥有關的致病性 tau 蛋白[37]。TPD 專家、Arvinas 公司的聯合創始人 CraigCrews 預測，這些結果只是制藥業新革命的開始。的確，這是一項充滿希望的新興技術。

　　單細胞代謝組學

　　----分析生物分子，一次一個細胞

　　去年，IUPAC的十大新興技術認識到納米傳感器在檢測單分子方面的潛力，通常被稱為“終極靈敏度”。的確，化學領域的最新進展使分析的精確度達到了前所未有的水平。在這個方向上，今年的十大新興技術認識到了單細胞代謝組學方面的進展。在成像手段和技術方面，例如質譜等技術的進步為認識單個細胞提供了新的視角。由于目前質譜儀的分辨率和靈敏度的增強，化學家們可以同時分析幾種代謝物，獲得關于細胞學通路、生物學機制，以及細胞和樣品的獨特指紋圖譜。為了優化更少量樣本的結果，質譜儀需要一次性提取單個細胞的所有組成。電噴霧器和激光（輔助的電離方法）都是很好的離子化方法。更具體的，使用微萃取技術、毛細管采樣以及更先進的色譜-電泳聯用分離方法，能夠分析特定的細胞部分。最精細的聯用技術不僅提供了關于代謝物性質的信息，還提供了關于其濃度和特殊排列的細節。這些技術對于揭開未知的生化機制的潛力是非同尋常的。如今，研究人員正在尋求降低檢出限的方法，以及開發數字化工具。這些將服務于許多目的：從擴充數據庫幫助加速代謝物的鑒定，再到強化算法用以將噪音和人為因素從實際生物差異中區分出來[38]。在冠狀病毒泛濫或在未來可能會爆發的未知情況的背景下，單細胞代謝組學將展示其巨大的可能性。一些研究利用它們的力量來更好地了解感染過程以及入侵的病毒與我們的細胞之間的相互作用[39]。對于一些專家來說，這個領域仍然年輕，未來充滿了復雜的挑戰。然而，科學家們正在逐步解決這些挑戰，并進一步驗證這一新興技術，它可以為基本的生物化學秘密帶來合理的答案[40]。

　　未來的光明前景

　　----用化學來解決突出的社會挑戰

　　IUPAC 的 "化學十大新興技術"項目意義非常。年復一年，它突出展示了各領域中最令人激動的發展，從新興的發現到已經被充滿冒險精神的初創企業和大膽的工業所采用的成熟技術。世界各地的科學家們建議并遴選了一個合集——到目前已經收集了30個具有改變我們社會的巨大潛力的新興創新技術。有幾項創新解決了環境挑戰，為實現可持續發展的世界鋪平了道路。另一些創新設想了新的系統，以更好地減少使用、再利用和回收資源，來走向零廢棄物、循環經濟。最后，前十名中的一些創新促進了我們從可怕的冠狀病毒疫情過渡到新常態。其中，許多創新讓我們為即將爆發的疾病和未來的病原體做好準備——化學是避免未來健康危機的關鍵，是從材料到制藥科學領域的關鍵。在我們宣布 2021年十大化學新興技術的同時，我們也開始尋找2022年的候選。我們誠摯地邀請——事實上是鼓勵——每一位化學家提交提名，因為 IUPAC 期待著進一步擴大和建立這項倡議。請加入我們激動人心的旅程。