X-MOL盘点：2月前沿科研成果精选

X-MOL团队从上月报道过的Nature、Science、Nature Chemistry、JACS 等杂志的研究论文中，精选部分有意思的科研成果，以馈读者。

（一）Science & Nature：血检大突破，8种癌症&阿尔茨海默病的早期诊断

Science, DOI: 10.1126/science.aar3247

Detection and localization of surgically resectable cancers with a multi-analyte blood test

Nature, DOI: 10.1038/nature25456

High performance plasma amyloid-β biomarkers for Alzheimer's disease

Science 和Nature 杂志相继报道了两篇与血检有关的论文，一篇可以进行多达8种癌症的早期诊断，另一篇的诊断对象则是难以捉摸的阿尔茨海默病（Alzheimer's disease）。美国约翰霍普金斯大学Nickolas Papadopoulos等科学家近期发明了一种全新的血液检测技术——CancerSEEK，实现了多种癌症的早期诊断。这项新技术检测血液中与癌症相关的DNA和蛋白质。在1005名被临床确诊的8种常见癌症（卵巢癌、肝癌、胃癌、胰腺癌、食道癌、结直肠癌、肺癌或乳腺癌）患者中，中位数灵敏度高达70%；而且，CancerSEEK的特异性超过99%，这意味着假阳性率低于1%。这些结果让CancerSEEK完胜目前所有实际使用的癌症血检技术。日本国立长寿医疗研究中心（NCGG）Katsuhiko Yanagisawa等科学家发现血浆中Aβ相关肽作为生物标志物可以准确预测大脑中的Aβ负担，准确率高达约90%。研究者通过免疫沉淀-质谱联用方法测定血浆中多个Aβ相关肽的水平，包括β淀粉样蛋白前体蛋白（APP）的669-711肽（APP_669-711）、Aβ_1-42和Aβ_1-40。APP_669-711/Aβ_1-42比值、Aβ_1-40/Aβ_1-42比值以及二者的综合打分，都可准确预测个体大脑中Aβ阳性或者Aβ阴性的状态，其中综合打分的预测准确度最高，可达90%。

（二）走点“锌”吧！这才是真正的聚合物“链”

Science, DOI: 10.1126/science.aap7675

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Poly[n]catenanes: Synthesis of molecular interlocked chains

虽然我们经常说聚合物链这个词，但无论是天然高分子还是合成高分子，严格意义上说分子的拓扑结构都不是现实世界中环环相扣的“链”。机械互锁聚合物，比如聚轮烷和聚索烃，具有非常吸引人的性质，非常有希望用于创造复杂的分子机器以及构建智能柔性功能材料。相比聚轮烷，理论研究表明具有“环环相扣”拓扑结构的真正聚合物“链”——聚[n]索烃（下图A）同样具有极大应用潜力。美国芝加哥大学Stuart J. Rowan教授及其团队报道了一种合成聚[n]索烃的方法，通过精心设计的含锌离子（Zn²⁺）金属超分子聚合物的高效关环反应，以约75%的高收率制备了全部由互锁大环分子构成的聚[n]索烃。产物数均分子量可达21.4 kDa，产物中包括线性聚[7–26]索烃、支化聚[13–130]索烃和环状聚[4–7]索烃。

（三）中国科学家破解蜈蚣剧毒之谜

PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1714760115

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Centipedes subdue giant prey by blocking KCNQ channels

真实世界中，拥有致命毒液的蜈蚣是捕猎好手，不少猎物的体型要比蜈蚣庞大数倍乃至数十倍。小小的蜈蚣对人类也有不小的威胁，被咬后的患者会出现疼痛、水肿，严重者甚至会出现高血压、呼吸衰竭、昏迷直至死亡。蜈蚣毒液究竟是如何发挥作用的呢？最近，由中国科学院昆明动物研究所的赖仞课题组牵头的研究团队发现了金头蜈蚣（Scolopendra subspinipes mutilans）毒液中起关键作用的多肽毒素SsTx，这种毒素可阻断对多种生命活动都非常关键的KCNQ钾离子通道，从而同时破坏心血管、呼吸、肌肉和神经系统的正常功能，以快速杀死体型巨大的猎物。基于这一机理，研究团队还发现KCNQ钾离子通道开放剂瑞替加滨（Retigabine，一种抗癫痫药物），可用于治疗实验动物的蜈蚣毒液中毒。这为治疗蜈蚣咬伤提供了宝贵的潜在治疗手段。

（四）解放化学家？Science报道自动化反应机器，每天反应超1500个

Science, DOI: 10.1126/science.aap9112

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A platform for automated nanomole-scale reaction screening and micromole-scale synthesis in flow

如何将目标化合物的收率提到最高？这是合成化学家每天都在解决的问题。2015年，美国默克的化学家们研发了一种高通量化学反应筛选平台（Science, 2014, 347, 49-53，点击阅读相关），该平台将微阵列（microarray）技术和低分辨质谱（LRMS）技术结合，可对纳摩尔量级别的Buchwald-Hartwig偶联反应的底物和反应条件进行筛选，其效率可达到惊人的每天1536个反应。美中不足的是这种基于微孔板的系统反应中只能使用高沸点极性溶剂DMSO，反应温度也仅限于室温，这也限制了该平台的适用范围。近日，辉瑞（Pfizer）的研发人员做出重要突破，他们开发了一种可在不同溶剂、温度、压力等条件下进行自动化高通量化学反应筛选的平台。该平台所有组成部分都可在市场上买到，以流动化学（flow chemistry）技术与超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-MS）技术为基础，可在1天内筛选超过1500多个纳摩尔量规模的Suzuki-Miyaura偶联反应。此外，该平台还同时支持数百微摩尔量级的合成，满足后续生物活性测试的需求。

（五）液态金属中金属氧化物纳米粒子自组装实现石墨烯单晶的批量播种

Chem, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.12.026

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Self-Assembly of Metal Oxide Nanoparticles in Liquid Metal toward Nucleation Control for Graphene Single-Crystal Arrays

将纳米粒子组装成有序的阵列结构能产生基元单体不具备的集群性能，在很多领域都有着巨大的应用潜景。静电相互作用是一种远程力，在不同尺度上均发挥着关键作用，纳米粒子间的静电相互作用不仅能促使组装为超结构，还能以吸引力和排斥力的形式来调控自组装。武汉大学付磊教授的先进纳米材料实验室（LAN）率先在这一领域取得了突破，他们首次实现了金属氧化物纳米粒子在液态金属表面的自组装。他们选用的研究对象是含有氧化铝纳米粒子的工业铜，当铜在高温下处于融化状态时，液态铜与氧化铝相互接触，由于二者功函差异电子会从氧化铝流向铜直至费米能级达到平衡。液态铜的流动性使得带电氧化铝纳米粒子可以在液态铜中自由移动，粒子与粒子间的静电斥力促使它们能组装为有序的阵列结构，而且其尺寸可覆盖整个基底表面。

（六）嗯，看了paper，酒要这样喝

Sci. Rep., DOI: 10.1038/s41598-017-06423-5

Dilution of whisky – the molecular perspective

英国葡萄酒及烈酒教育基金会WSET（Wine & Spirit Education Trust）成立于1969年，致力于高品质葡萄酒及烈酒品鉴教育。他们曾建议，喝烈酒必须要兑一点儿水才好喝，甚至要将烈酒和水按照1:1的比例混合在一起再进行品鉴。那么，喝烈酒的时候到底要不要掺水？瑞典的两位研究者Björn Karlsson和Ran Friedman发表论文，解释了为什么向威士忌里兑一点水能够提升它的口感。威士忌的口味主要与两亲分子有关，他们大多为酚类化合物，尤其是一种叫愈创木酚（guaiacol）的分子。研究者利用分子动力学（MD）模拟计算发现，加适量的水会使“气-液界面”的愈创木酚浓度增加，而人们喝酒时，最先品尝到的就是空气-威士忌酒界面处液体，恰好此液体中的愈创木酚分子含量高，因此味道更好也就不难理解了。当酒精浓度达到59%以上时，乙醇和愈创木酚的互作更加剧烈，愈创木酚分子被“压”在液面下，远离液体表面。当酒精浓度被稀释到27% 以下时，会有更多的愈创木酚来到酒液与空气的交界处。因此只有对杯中的烈酒进行稀释后，口感和香味才能更加明显。这也就解释了为什么在苏格兰威士忌酒行业，很多调酒大师喜欢将威士忌稀释到20%左右来进行闻香和调配。研究者称，该结论不仅对愈创木酚适用，香草醛、乙酸乙酯和柠檬烯等两亲性物质也有类似的性质。

（七）基于双C-H键活化的石墨烯合成新策略

Science, DOI: 10.1126/science.aap9801

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Synthesis of partially and fully fused polyaromatics by annulative chlorophenylene dimerization

石墨烯是一种由多个苯环周期性紧密堆积而成的单层二维碳材料。作为明星分子，石墨烯在2004年的首次机械分离更是帮助两位科学家获得了2010年的诺贝尔物理学奖。C-H键活化作为明星反应被誉为有机化学中的圣杯，其重要性不言而喻。毫无疑问，要通过简单芳香烃的C-H键活化反应实现不含任何官能团石墨烯的合成更是难上加难。最近，日本名古屋大学的Kenichiro Itami和Kei Murakami等研究者报道了他们通过C-H键活化的途径合成石墨烯的最新突破。研究人员利用Pd催化的双C-H键活化反应，以两分子的单氯代芳香烃二聚环化，形成含有三亚苯骨架的PAHs化合物，该类化合物再经过一步脱氢环化反应，可以高效合成多达18个碳环的石墨烯纳米带。

（八）用乐高搭个实验室，再发篇6分的文章

Lab Chip, DOI: 10.1039/c7lc00951h

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High-precision modular microfluidics by micromilling of interlocking injection-molded blocks

去年，美国加州大学欧文分校（UCI）的研究者借用乐高模块化的特点，采用3D打印技术制作聚二甲基硅氧烷（PDMS）积木并集成出定制的微流控系统。不过，3D打印方法还是面临若干限制，包括材料相容性、最小特征尺寸的分辨率、表面粗糙度、长期的尺寸稳定性（特别是与流体接触时）。相比于3D打印，注塑成型（injection molding）有诸多优势，比如可以采用多种聚合物为原料，具有出色的尺寸控制（公差小于50 μm）、非常光滑的表面（平均粗糙度小于1 μm）以及极高的生产速度（一个组件仅需数秒）。然而，为了降低注塑成型的模具成本，往往需要使用一个模具生产大量相同的产品，但这样又会使得模块的定制化无法实现。日前，美国麻省理工学院（MIT）的Crystal E. Owens和A. John Hart教授想到了解决方案，他们从商店里购买了真正的乐高积木，利用微加工技术在其上构筑微流道，搭建了一种高精度模块化的微流控系统。目前，研究者已经开始利用这种乐高微流控平台来执行特定的任务，如操控生物流体、分选细胞、分子封装等。

（九）新型“多炔彩虹”探针突破色彩极限：振动成像技术助力复杂体系的研究

Nat. Methods, DOI: 10.1038/nmeth.4578

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Supermultiplexed optical imaging and barcoding with engineered polyynes

光学显微镜，特别是荧光显微镜对样品制备要求较低，灵敏度高，可进行活体检测，在生命科学领域已得到广泛的应用。近年来，基于超分辨荧光显微技术，荧光显微镜更是得到了业界的青睐。尽管如此，荧光显微技术仍受到荧光现象本身的约束，特别是在多通道检测（Multiplexing）方面能力不足。近日，美国哥伦比亚大学化学系的闵玮教授研究团队报道了一种基于多炔（Polyyne）分子的成像方法。该方法利用拉曼散射显微镜（Raman Scattering Microscopy）平台并巧妙地设计合成了20种振动频率不同的多炔。通过进一步的探针分子修饰，作者成功实现了10种“颜色”的细胞器同时在单个活细胞里的成像。另一方面，作者还展示了如何用多炔分子进行光谱学编码（Barcoding）来实现信息存储和读取。

（十）强度媲美钢材的超强致密木材

Nature, DOI: 10.1038/nature25476

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Processing bulk natural wood into a high-performance structural material

自然生长的原生木材因其成本低廉、来源广泛，很早就被用作建筑和家具的原材料。然而，随着社会的发展和人类日益增长的需求，原生木材的机械性能（强度和韧性）已不能满足现代化先进的工程应用领域和需求。近日，美国马里兰大学帕克分校的胡良兵教授和李腾教授（共同通讯作者）团队报道了一种简单有效的方法可以把原生木材直接处理成为一种超强超韧的高性能结构材料。这一过程分为两步，首先通过化学处理（氢氧化钠和亚硫酸钠）部分脱除木材中的木素和半纤维素，随后通过高温压缩（100 ℃）来压塌木材细胞壁，从而获得一种完全致密化和纤维素纳米纤维有序排列的超强致密木材。相比原生木材，获得的致密木材的厚度减少了约80%。在分子水平上看，由于纤维素分子链富含羟基，紧压在一起的纤维素纳米纤维之间形成了大量氢键，这对于大幅提高材料的韧性和强度起到了关键作用。此外，通过这种方法获得的超强木材的结构变得致密没有缺陷，在潮湿环境下结构性能稳定，各项机械性能都得到了很大提高，超出天然木材10倍以上。其中抗拉强度可达到587 MPa，可以和钢材媲美，但是比钢材轻六至七倍。