X-MOL盤點：7月前沿科研成果精選

????

X-MOL團隊從上月報道過的Nature、Science、Nature Chemistry和JACS等雜誌的研究論文中，精選部分有意思的科研成果，以饋讀者。

圖片來自網路

（一）八面玲瓏納米疫苗，腫瘤無處逃！

Nat. Nanotech.,DOI:10.1038/nnano.2017.52

A STING-activating nanovaccine for cancer immunotherapy

免疫治療無疑是當下最熱門最前沿的癌症治療方法，而納米顆粒介導的納米疫苗是其中一個越來越重要的研究領域。目前研究表明小於50 nm的納米顆粒更容易富集在淋巴結，但是迄今為止很少有50 nm以下的納米顆粒可以在無佐劑的情況下促進抗原呈遞並刺激固有免疫反應。近日，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的高金明教授和美國國家科學院院士陳志堅教授等人發現，一種由酸度響應聚合物組成的納米顆粒（PC7A）與抗原組成的簡單複合物尺寸效應促進其淋巴結富集，而pH響應性促進抗原的胞質輸送及交叉呈遞，還可以通過激活Ⅰ型干擾素刺激因子（STING）刺激產生Ⅰ型干擾素，從而顯著增強該納米疫苗的抗癌效應。

（二）低成本電催化劑，高效高選擇性催化CO2還原為CO

Nat. Energy,DOI: 10.1038/nenergy.2017.87

Solar conversion of CO2to CO using Earth-abundant electrocatalysts prepared by atomic layer modification of CuO

人工光合作用是最近幾年最熱門的研究領域之一，利用太陽能將二氧化碳（CO2）轉化為其他更有價值的化合物，兼顧溫室氣體過量排放導致的環境挑戰和化工生產的經濟收益，可以預見在將來也會是科學家們爭相研究的方向。在過去的幾年，銅基電催化劑得到了大家的廣泛關注，但是總的來說，目前基於純銅的電催化劑的性能還是較低，並且產物分布非常複雜，選擇性不高。最近，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Michael Gr?tzel教授和羅景山（Jingshan Luo）博士報道了一種簡單的方法對CuO納米線進行表面修飾——通過原子層沉積（ALD）在CuO納米線上修飾SnO2納米粒子，顯著提高CuO納米線陣列的電催化還原CO2的性能。而且，修飾後的CuO納米線催化CO2還原絕大部分產物是CO，選擇性超高。另外，由於這種電催化劑來源於地球含量豐富的金屬元素，成本明顯降低。

（三）蛋的形狀千變萬化，關鳥啥事？

Science,DOI: 10.1126/science.aaj1945

Avian egg shape: Form, function, and evolution

為什麼鳥蛋會演化出這麼多不同的外形？這個問題的答案或許能揭開鳥類的演化之謎。美國哈佛大學、普林斯頓大學的科學家領導的一支國際研究團隊為了尋找這一問題的答案，採用數學、物理學和生物學方法，測量了約1,400種鳥類共49,175枚鳥蛋的形狀，並建立了模型來解釋蛋膜是如何決定蛋體形狀的。利用系統發育模型，研究者發現蛋的形狀和成鳥的飛行能力有關，換句話說鳥類對飛行的適應可能是鳥蛋形狀改變的驅動力。蛋膜在鳥蛋形狀形成過程中扮演著重要角色，作者觀測了不同鳥蛋兩極間之間膜的厚度變化，並依據這些數據建立了數學模型。他們認為，鳥蛋的不同形態正是基於蛋膜厚度和組成的多變性，施加在膜上壓力不均勻，鳥蛋的形態才如此多變。作者還分析了不同蛋的形狀與不同鳥類築巢形式、築巢位置、產卵數、飲食和飛行能力的聯繫，他們發現鳥類的飛行能力是影響鳥蛋形態的主要因素。鳥類之所以能飛行，除了因為有輕巧的骨骼和有力的翅膀，身體的流線型也很重要。為了保持體型，善飛的鳥讓蛋變得更不對稱且更接近於橢球形。這樣的話，雌鳥就能在不增加蛋寬度的前提下使鳥蛋的體積最大化，它們的輸卵管也可以非常狹窄。

（四）如何在CGMP規範下安全高效地製備千克級抗癌藥？

Science,DOI: 10.1126/science.aan0745

Kilogram-scale prexasertib monolactate monohydrate synthesis under continuous-flow CGMP conditions

大多數藥物的工業化生產是分批製備的，通過增加規模以儘可能低的成本生產儘可能多的符合要求的藥物。但這種大規模製備方法也有尷尬之處，候選藥物一旦進入臨床試驗階段，所需的量往往會由克級暴漲到千克級，不過就算是千克級，對於適合大規模製備的設備來說也還是太少了些。另外，對於一些個性化療法來說，所需藥物的量也不適合進行工業化的大規模製備。藥物研發和個性化療法的發展促使藥物製造業從傳統的批處理生產向更靈活的連續過程轉變。近日，製藥巨頭禮來公司（Eli Lilly）的研發人員Kevin P. Cole等人報道了在CGMP（current good manufacturing practices）規範下進行的小體積連續流動千克級化合物製備，他們生產了24千克的化療候選藥物——prexasertib單乳酸鹽單水合物，以滿足臨床試驗的需求。通過在實驗室的通風櫥中使用連續的小型反應裝置、萃取裝置、旋蒸儀、結晶儀和過濾裝置，以8個連續的單元操作，每天大約生成3千克的目標產物。相比於分批生產，連續過程的安全性更好，反應及純化的收率和選擇性也得到了提高。另外，連續生產過程的每個階段都與質量控制系統相連，符合CGMP規範。

（五）穿過你的黑髮的我的光

Adv. Mater.,DOI: 10.1002/adma.201700256

Selective Coloration of Melanin Nanospheres through Resonant Mie Scattering

頭髮的結構包括無規分布在角蛋白外層的黑色素顆粒，而黑色素（melanin）主要包括三種類型：褐真色素（brown eumelanin）、黑真色素（black eumelanin）、褐黑素（pheomelanin），它們具有不同的吸收光譜，可以分別賦予頭髮金色、黑色和紅色。就算是黑髮，在強烈的太陽光下會表現出不同的顏色。韓國科學技術院（KAIST）的Shin-Hyun Kim等人合成了不同尺寸的類似黑色素的聚多巴胺納米顆粒，研究它們在弱光和強光下不同介質中的顏色，並揭示了背後的機制及提出了可能的應用方向。研究人員認為在強光下不同尺寸納米顆粒的共振米氏散射（resonant Mie scattering）決定了分散液的顏色，而對可見光的強吸收則抑制了多次散射，這使得共振米氏散射佔據了決定性的地位。研究者將類黑色素聚多巴胺納米顆粒製成了「墨水」，這種墨水在普通光照下呈現黑色但在強光下會呈現出不同的顏色，通過不同圖案的掩模及紫外光固化過程，研究者們用這種墨水在基底上呈現出了不同的圖案。這在防偽領域具有非常光明的應用前景。

（六）震驚！Cell雜誌驚現化學類文章

Cell,DOI: 10.1016/j.cell.2017.06.025

Development of a Novel Lead that TargetsM. tuberculosisPolyketide Synthase 13

美國德克薩斯A&M大學James C. Sacchettini教授團隊前期發現了抗結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）的活性化合物TAM1，並且證明了聚酮合酶13（Polyketide Synthase 13，PKs13）是該化合物的直接作用靶點。作者發現TAM1耐葯的突變株中，PKs13的硫酯酶（TE）結構域中都能找到突變氨基酸。作者先選用生化反應來評價TAM1對PKs13-TE具有抑制作用，並且明確作用強度（IC50= 0.26 μM）；然後根據X-Ray共晶結構，詳細解析了TAM1與PKs13-TE的精確作用形式。進行了一系列優化得到化合物TAM16，這個化合物的理化性質、葯代性質、安全性、有效性都非常優秀，對耐藥性菌株也有很好的抑制作用。

（七）分子Borromean環：從藝術到應用

Chem,DOI: 10.1016/j.chempr.2017.06.006

Molecular Borromean Rings Based on Dihalogenated Ligands

互鎖型分子結構是指分子間不以共價鍵形式互相連接，而是通過各種分子間弱作用力相互穿插、扣鎖的分子結構。這類特殊分子的結構十分具有藝術感，在拓撲學上具有重要的意義。而在此基礎上發展的分子機器，更是受到了2016年諾貝爾化學獎的垂青。在互鎖型分子家族中，一個具有挑戰性的課題就是分子Borromean環的合成。所謂Borromean環，是指三個環互相穿插在一起，但是任意兩個環之間沒有任何的扣鎖現象。最近，復旦大學的金國新課題組報道了一系列基於二鹵代配體的分子Borromean環，並發現鹵代原子對分子Borromean環結構的形成有不可取代的作用，而且不同的鹵代原子可以調控環與環之間的作用力。利用這一特性，他們實現了不同二鹵代苯對一系列分子Borromean環的選擇性拆分，在此基礎上，概念性地提出了一種利用分子Borromean環對多種二鹵代苯逐一分離的方法。

（八）崔屹教授找到了比金屬鋰電極更好的選擇

Nat. Nanotech.,DOI: 10.1038/nnano.2017.129

Air-stable and freestanding lithium alloy/graphene foil as an alternative to lithium metal anodes

美國斯坦福大學的崔屹教授等人發明了一種鋰合金/石墨烯納米結構材料作為鋰離子電池負極，與金屬鋰負極相比更穩定，更有希望提高電池的容量和使用壽命，前景更加光明。崔屹教授團隊的方案是選用鋰合金LixM（M = Si、Sn、Al）與石墨烯的納米結構材料做負極，先製備了鋰合金LixM的納米顆粒，隨後將其與石墨烯片層、嵌段聚合物SBS在甲苯中混合成漿料，通過滾塗、乾燥等工序後，很容易就得到了大面積且無襯底的獨立箔狀材料，具有非常良好的柔性。這種箔狀材料呈現獨特的納米結構——石墨烯層之間緊密包裹著鋰合金納米顆粒。由於石墨烯層的疏水性、低氣體滲透性和抗氧化性，這種納米結構保護了其中的鋰合金納米顆粒，使得這種材料具有良好的空氣穩定性。這種納米結構材料的體積比容量達到～2,000 mAh?cm?3，已經接近了金屬鋰的理論值2,061 mAh?cm?3。並且，由於這種複合材料中LixM合金納米顆粒被限制在石墨烯層之間，能夠有效解決困擾金屬鋰電極多年的體積膨脹變化以及枝晶生長等問題，石墨烯層還可以有效防止副反應發生。正因如此，這種納米結構材料作為負極在測試中表現出了良好的循環性能和倍率性能。研究者分別使用不含鋰的高容量正極材料V2O5和S，測試了全電池的性能。結果發現，不但比容量較高，而且石墨烯包覆鋰合金納米顆粒的結構還可以抑制多硫化合物的溶解，提高電池的循環穩定性。

（九）你能做到的，我也能做到

Angew. Chem. Int. Ed.,DOI: 10.1002/anie.201705738

Stabilizing Otherwise Unstable Anions with Halogen Bonding

在分子R-X中，鹵原子X通常由於較高的電負性而帶負電。R-X鍵「攫取」了此σ鍵方向上大部分的電子云密度，導致X在σ鍵的另一端形成了一個帶正電的區域，即σ-hole。其特殊之處就在於在一個凈帶電為負的鹵原子上有一個帶正電的區域。帶正電的σ-hole和其他帶負電的物種如孤對電子、負離子之間的靜電吸引被稱為鹵鍵。不難看出，鹵鍵和氫鍵的本質相同，都是正電荷和負電荷的靜電吸引。由於上述氫鍵和鹵鍵的相似性，美國加州理工學院化學化工分部的張新星博士和美國約翰霍普金斯大學化學系的Kit Bowen教授團隊提出在原子分子層面上設計新型鹵鍵的基本想法：凡是氫鍵能做到的，鹵鍵也能做到。在現有的研究中，穩定不能單獨存在的不穩定負離子是氫鍵已經做到而鹵鍵還尚未做到的。該團隊在反覆篩選後採用了電子親和能為-0.01 eV的吡嗪（Pz）分子，並使用溴苯（BrPh）作為σ-hole的供體。Pz-的一個氮原子和一個溴苯分子生成第一個鹵鍵，EA即被拉正到0.15 eV；第二個氮原子和第二個溴苯分子生成第二個鹵鍵，EA被提高到0.32 eV。

（十）生活沒規劃，不如一隻鴉

Science,DOI: 10.1126/science.aam8138

Ravens parallel great apes in flexible planning for tool-use and bartering

Science上發表的一篇文章表明烏鴉一樣有規劃能力。為了揭開烏鴉規劃能力之謎，瑞典隆德大學認知生物學家Mathias Osvath和Can Kabadayi給烏鴉設計了一些題目（這些題目也曾被用來測試猿類的規劃能力）。他們先是訓練5隻烏鴉利用橢圓形石頭工具打開裝有食物的箱子。後來，這些鳥兒還學會了以貨易貨，用這種工具交換更有價值的東西。在一系列試驗中，研究人員不斷改變遊戲規則——改變獎勵出現的時間以及鳥兒為獲得它們而不得不做的事情。在長達17個鐘頭的測試時間裡，這5隻烏鴉表現得相當給力，無論那隻代表獎勵的箱子有沒有出現在眼前，它們總能挑出正確的工具。而在一項試驗中，除了石頭工具和其他一些東西，這些鳥兒甚至需要面對直接的誘惑——一小塊食物，要知道最後的「大獎」也不過是一塊更大的食物。令人嘖嘖稱奇的是，差不多有四分之三的烏鴉抵禦住了誘惑，選擇了石頭工具，這意味著：為了獲得一塊更大的食物，它們大多數會選擇等待15分鐘，而不是拿走小一點的食物享用了事。隨後，研究人員發現，這些烏鴉能意識到這種「延遲滿足」帶來的結果——迄今為止，只在人類中得到過證實。當烏鴉只須等上幾秒鐘就能得到獎勵箱子時，它們全都會等著，一個不落。本項研究為理解智能行為的進化提供了一塊重要拼圖，有理由相信，對於鳥類和哺乳動物認知能力的進一步研究（從腦解剖和腦功能等角度），將有助於揭示其中更多的奧秘。

近期新增期刊

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！