X-MOL盤點：5月前沿科研成果精選

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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。

圖片來源：昵圖網

（一）人臍帶血讓「老」鼠變聰明？

Nature,DOI:10.1038/nature22067

Human umbilical cord plasma proteins revitalize hippocampal function in aged mice

美國斯坦福大學神經科學家Tony Wyss-Coray與文章的第一作者Joseph Castellano合作測試了新生兒臍帶血的抗衰老功能。他們發現，將臍帶血血漿輸入衰老小鼠的靜脈，改善了動物探索迷宮的能力，並學會避開籠子中帶有電擊的區域。當研究人員解剖這些小鼠的大腦時，他們發現海馬體（與記憶、學習相關的區域）中的細胞表達了導致神經元在大腦中形成更多連接的基因。而輸入老年人血液的小鼠沒有發生這種情況。然後，研究人員將臍帶血中發現的66種蛋白質與來自老年人血液中的蛋白質以及在小鼠共生實驗中發現的蛋白質進行比較。他們發現了幾個潛在的候選蛋白，並將它們分別注射入衰老小鼠的靜脈，然後測試它們的記憶力。候選蛋白中僅有一種蛋白——金屬蛋白酶組織抑制因子2（TIMP2）能夠提高動物的表現。如果將臍帶血中的TIMP2去除，這種血就不能對記憶產生影響了。這都說明TIMP2在改善衰老小鼠記憶力中起到了關鍵作用。研究者下一步將著重探究TIMP2是如何影響大腦的。此外，Wyss-Coray也很想知道這種蛋白是否特異性地影響衰老細胞。

（二）Nature封面：石墨烯「複印機」，半導體膜製備新玩法

Nature,DOI: 10.1038/nature22053

Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer

Nature雜誌以封面文章的形式，報道了美國麻省理工學院（MIT）Jeehwan Kim教授等人發明的一種全新技術，有希望大幅降低高質量半導體薄膜生產的成本。他們在GaAs(001)襯底上轉移一層石墨烯，然後通過常規的外延法，在石墨烯層上方生長一層與襯底晶格結構完全一致的GaAs(001)層。而且，得到的外延層可以很容易地從石墨烯層上剝離並用於發光器件中，而單層石墨烯覆蓋的GaAs襯底可以重複使用。這一方法，研究人員稱之為「遠程外延」（remote epitaxy），對InP和GaP等半導體材料同樣適用。簡單來說，就好像是「複印機」一樣，利用單層石墨烯覆蓋的襯底，反複製備單晶半導體薄膜，從而大大降低生產成本。石墨烯夾層能與下方的GaAs襯底結合，其較弱的范德華勢又恰恰允許襯底和外延層間的相互作用。因此，僅使用常規的金屬有機氣相外延法，就能實現GaAs、InP和GaP單晶的同質外延生長，單晶取向一致，無扭轉角。其次，製備所得的外延層可以很容易完整地從基底上剝離下來，使得這一製備過程可以不斷地重複，單層石墨烯覆蓋的襯底在其中起到了類似「母版」的作用，大大的降低了製備成本。而且，這一方法對於InP和GaP等半導體材料同樣適用。

（三）Science子刊封面：華東師大葉海峰課題組實現手機遠程診療糖尿病

Sci. Transl. Med.,DOI: 10.1126/scitranslmed.aal2298

Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice

糖尿病目前已經成為嚴重影響人類健康的慢性疾病，全世界的患者超過4億人。國際著名學術期刊Science Translational Medicine以封面文章形式在線發表了來自華東師範大學葉海峰研究員課題組的最新研究成果，他們在基於智能手機遠程診療糖尿病方面做出了重要突破，葉海峰研究員課題組巧妙地結合合成生物學與電子工程學，使用可產生降血糖激素的遠紅光響應的工程化細胞以及亮度、開關可控的無線供電遠紅光發光二極體（LED），開發了一種基於智能手機的糖尿病診斷和治療一體化的智能診療新系統，並在糖尿病小鼠中進行了功能驗證。通過使用智能手機應用軟體（App）ECNU-TeleMed，研究人員可超遠程控制遠紅光亮度來調控工程化細胞的激素表達量；另外，糖尿病小鼠的血糖高低信號可以被轉化翻譯成遠紅光亮度來調控激素的表達量。這一頗具想像力並整合合成生物學與電子工程學技術的糖尿病診療智能系統，為今後臨床上糖尿病的診療一體化、智能化和精準化提供了新思路，有望成為未來精準醫療的新風向標。

（四）無「鍵」不摧：Science報道低溫催化甲烷C-H鍵活化反應

Science,DOI: 10.1126/science.aam9147

Low-temperature activation of methane on theIrO2(110) surface

CH4的化學性質相對穩定，C-H鍵發生均裂與異裂均存在一定困難，在用作起始原料發生進一步轉化時受到嚴重的限制。美國佛羅里達大學（UF）的Jason F. Weaver教授團隊在前期大量工作的基礎上發展了一種金紅石型的Ir金屬氧化物作為催化劑，CH4在這種IrO2(110)催化劑的吸附作用下與Ir金屬中心形成強作用結合的σ絡合物，反應溫度低至150 K時便可發生C-H鍵斷裂，進而發生其他轉化。這種金紅石型IrO2(110)催化劑對有效實現CH4的選擇性官能團化具有十分重要的指導意義，但目前為止，使用該催化劑僅可以實現CH4向高氧化態的CO、CO2轉化。人們可以借鑒這一催化模型尋找更為理想的金屬催化劑，例如修飾IrO2(110)催化劑的表面對其進行合理的改性，限制其氧化能力，或結合其他材料使CH4在發生C-H鍵活化後與特定的共反應物作用，得到豐富多樣的高附加值產物。

（五）精子新用途，輸送抗癌藥物治療婦科癌症！

arXiv:1703.08510

Sperm-hybrid micromotor for drug delivery in the female reproductive tract

在一篇發表在美國國家科學基金會和美國能源部資助的電子預印本文獻庫arXiv上的研究中，一幫來自德國德累斯頓萊布尼茨固體材料研究所（IFW Dresden）和開姆尼茨工業大學的科學家正在嘗試用精子輸送抗癌藥物殺傷癌細胞，試圖用於治療婦科癌症。作者先給精子設計了一個導航裝置。他們採用雙光子3D微納米光刻技術製作了一個基於高分子材料的四臂微米卡槽，由一個中空的管狀結構和4個拱形臂組成，中間有一處狹窄，最大直徑為4.3 μm，而實驗選用的牛精子頭部直徑為4.5 μm，剛好可以將精子卡在其中。同時作者還在該微結構表面負載了一層厚為10 nm的鐵，使之可以受磁場控制實現靶向；負載了一層2 nm的鈦，以增強其生物相容性。實驗表明這種精子雜化複合物攜載藥物後可在72 h內殺傷接近90%的癌細胞。毫無疑問這僅僅是一項初期概念性研究，其實用性、可操作性、安全性、倫理問題、治療效果等問題還有待進一步考量。不過作者對該系統保持樂觀，他們表示這種精子雜化系統很可能在未來癌症的原位診斷和治療中應用。

（六）改善石墨烯膜性能的最簡單方法？

Nano Lett.,DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00148

Self-Assembly: A Facile Way of Forming Ultrathin, High-Performance Graphene Oxide Membranes for Water Purification

美國南加州大學（USC）Miao Yu教授課題組發表在Nano Letters上的文章，或許找到了改善石墨烯分離膜性能最簡單的方法，那就是——多點耐心。研究者們使用了同批製備的相同量氧化石墨烯，利用最為常見的抽濾法來製備分離膜。他們發現，僅通過改變石墨烯沉積的速率——將速度減慢為之前的十二分之一，可顯著改善石墨烯片層的堆砌結構，使得其通量與截留同時得到顯著提升。而導致這一提升的主要因素是：在緩慢抽濾的過程中，石墨烯片層能夠更好的組裝：氧化區域與氧化區域相對，未氧化區域與未氧化區域相對。僅僅降低單層氧化石墨烯沉積的速率，就能使得到的石墨烯膜在通量、截留（選擇性）上雙雙有所提升，打破了常規調控過程中通量與截留此消彼長的規律。可見，優化製備過程可能比優化材料結構獲得更大的性能提升，材料在不同尺度下的堆砌方式對其性能影響更為顯著。這種超薄高性能氧化石墨烯膜在水凈化領域有著光明的應用前景。

（七）芳香雜環甲基化怎麼做才出彩？看李朝軍團隊這篇Chem

Chem,DOI: 10.1016/j.chempr.2017.03.009

Simple and Clean Photo-induced Methylation of Heteroarenes with MeOH

傳統的芳香環甲基化的方法包括鄰位金屬化，但需要化學計量的強鹼如丁基鋰等，還需要雜原子取代基作為導向基團；另外一種突破就是C-H鍵活化，但同樣需要在導向基團的作用下發生過渡金屬催化，並以當量的氧化劑及高溫條件，有時還要用到敏感的甲基化試劑，這些條件增加了反應成本，與此同時還會產生大量的廢棄物。2015年，MacMillan課題組報道了光氧化還原催化和有機分子催化的協同催化體系（Nature,2015,525, 87–90，點擊閱讀相關），在室溫下，利用甲醇作為甲基自由基的來源，實現了六元芳香雜環的甲基化。甲醇作為甲基化試劑具有原料來源廣泛、成本低且避免使用氧化劑等優點，但早期報道中大多數底物的產率較低。基於前人的工作，來自加拿大麥吉爾大學的華人化學家李朝軍（Chao-Jun Li）教授小組發展了一種高效的芳香雜環甲基化的方法，利用甲醇作為甲基化試劑和溶劑，二氯甲烷作為共溶劑，三氟乙酸作為添加劑，在室溫、光照的條件下實現了五元和六元芳香雜環高效簡潔的甲基化過程。整個反應無需使用外加光敏劑，也不使用金屬催化劑或配體，避免了金屬試劑帶來的費時費力且高成本的後續分離步驟，更符合「綠色化學」的理念。該反應對於生物活性分子及藥物分子的合成改造都具有重要意義。作者還通過氘代實驗研究了反應過程，並提出了可能的反應機理。有意思的是，反應產物上新生成的甲基中的三個氫原子並非全部來自甲醇的甲基，而是分別來自甲醇的羥基和甲基。

（八）做個新型食品添加劑，發篇高分Nature子刊

Nature Nanotech.,DOI: 10.1038/NNANO.2017.58

Amyloidfibril systems reduce, stabilize and deliver bioavailable nanosized iron

缺鐵性貧血是體內鐵儲存不能滿足正常紅細胞的生成需要而發生的貧血。減少缺鐵性貧血最有效的方法是食用含鐵量高的食物或是鐵強化食品。這些食品中加入生物可利用的水溶性鐵化合物，如硫酸亞鐵和鐵鈉乙二胺四乙酸，作為鐵強化劑提高鐵含量。但鐵強化劑的加入往往也會引起食物感官性質的變化，「賣相」、「味道」或者「口感」變差。另外一些難溶的鐵強化劑，如焦磷酸鐵和富馬酸鐵，其生物利用度太低，還容易在液體食物中產生聚集體。鐵納米顆粒，因其較高的生物利用度和較低的反應活性，且不易影響食物的感官性質，已被開發作為一種新的鐵強化劑。但其在溶液中易氧化及易聚集的性質，嚴重限制了它的應用。日前，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）的Raffaele Mezzenga教授和Michael Zimmermann教授利用廉價易得、具有天然還原性的β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，BLG，可從牛奶中獲得）製成可降解的澱粉樣蛋白纖維，作為鐵納米顆粒的抗氧化納米載體和膠體穩定劑。所形成穩定的蛋白質-鐵膠體，不僅在體內鐵生物利用度高，而且生物安全性高，同時極大降低了對食品感官性質的影響。

（九）幾根銹鐵釘引發的AM

Adv. Mater.,DOI: 10.1002/adma.201606717

Rust-Mediated Continuous Assembly of Metal–Phenolic Networks

2013年，澳大利亞墨爾本大學的Frank Caruso教授課題組在Science上報道了通過鐵離子與單寧酸（一種天然多酚類物質）相互作用快速自組裝形成中空微膠囊的工作，引起了學界的廣泛反響（Science,2013,341, 154）， 在生物醫學以及環境工程中都具有應用潛力。隨後的幾年中，他們在相關領域取得了一系列進展。最近，他們突發奇想地瞄上了鐵鏽，利用了生鏽的鐵製品作為鐵離子的來源，與多酚類物質進行自組裝。他們甚至發現當使用生鏽鐵釘誘導自組裝過程時，形成的組裝體更易調控。作者們對此過程進行了總結。與傳統過程相比，首先，該方法提供了固態的鐵源代替直接添加離子，持續穩定地提供鐵離子；其次，體系中沒有來自鐵鹽的反離子；其三，溶液中沒有因為鹽類水解產生的聚鐵物質；其四，存在兩個與時間相關的動態過程：離子溶蝕與離子/多酚組裝；其五，自組裝過程本身具有連續的特性，但在快速的溶液自組裝過程中無法體現；第六，該過程厚度可控；第七，該過程利用了廢棄的鐵鏽成分作為反應物。與其它類似的組裝體一樣，這種組裝體也會在強酸性環境下發生解組裝，而其它如單寧酸之類的配體也同樣適用於這種方法。

（十）鈣鈦礦領域的常見問題，只有他們發了Nature

Nature,DOI: 10.1038/nature22072

The effect of illumination on the formation of metal halide perovskite films

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Michael Gr?tzel教授的研究團隊研究了光照對金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜形成的影響。在金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池中，鈣鈦礦薄膜的質量會直接影響到器件的性能，優化鈣鈦礦薄膜的形貌顯得非常重要。為了提高鈣鈦礦太陽能電池的性能，科學家們已經開發了許多器件結構及製備工藝，其中包括一步沉積法、順序沉積法、反溶劑（anti-solvent）法。早期的研究已經發現製備鈣鈦礦的反應條件會對薄膜質量產生影響，比如反應物濃度以及反應溫度。但是，科學家們對控制薄膜質量的精確反應機理以及主要因素的理解還稱不上透徹。Michael Gr?tzel教授研究團隊以「光照」為切入點，利用共聚焦激光掃描熒光顯微鏡（CLSM）以及掃描電子顯微鏡（SEM）研究了兩種常用的鈣鈦礦製備方法：順序沉積法和反溶劑法，展示了光照對於鈣鈦礦生長速率以及薄膜形貌的影響。作者通過實驗證實黑暗條件對於反溶劑法製備鈣鈦礦薄膜是有利的，然而對於順序沉積法來說情況相反，有利的條件變成了光照。這個結論看似簡單但卻非常重要，再結合對現象背後機理的深入研究，對於控制鈣鈦礦薄膜的形貌以及高質量鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產都具有指導意義。這個切入點看似稀鬆平常，可以說該領域的研究者幾乎人人都會遇到，但貌似只有他們注意到並進行了深入研究。

近期新增期刊

Journal of Membrane Science;

Bioconjugate Chemistry;Carbon;

ChemPlusChem;Advanced Science;

Food Hydrocolloids;Food Chemistry

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