X-MOL盘点：5月前沿科研成果精选

X-MOL团队从上月报道过的Nature、Science、Nature Chemistry 和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）人脐带血让“老”鼠变聪明？

Nature, DOI: 10.1038/nature22067

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Human umbilical cord plasma proteins revitalize hippocampal function in aged mice

美国斯坦福大学神经科学家Tony Wyss-Coray与文章的第一作者Joseph Castellano合作测试了新生儿脐带血的抗衰老功能。他们发现，将脐带血血浆输入衰老小鼠的静脉，改善了动物探索迷宫的能力，并学会避开笼子中带有电击的区域。当研究人员解剖这些小鼠的大脑时，他们发现海马体（与记忆、学习相关的区域）中的细胞表达了导致神经元在大脑中形成更多连接的基因。而输入老年人血液的小鼠没有发生这种情况。然后，研究人员将脐带血中发现的66种蛋白质与来自老年人血液中的蛋白质以及在小鼠共生实验中发现的蛋白质进行比较。他们发现了几个潜在的候选蛋白，并将它们分别注射入衰老小鼠的静脉，然后测试它们的记忆力。候选蛋白中仅有一种蛋白——金属蛋白酶组织抑制因子2（TIMP2）能够提高动物的表现。如果将脐带血中的TIMP2去除，这种血就不能对记忆产生影响了。这都说明TIMP2在改善衰老小鼠记忆力中起到了关键作用。研究者下一步将着重探究TIMP2是如何影响大脑的。此外，Wyss-Coray也很想知道这种蛋白是否特异性地影响衰老细胞。

（二）Nature封面：石墨烯“复印机”，半导体膜制备新玩法

Nature,DOI: 10.1038/nature22053

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

Nature 杂志以封面文章的形式，报道了美国麻省理工学院（MIT）Jeehwan Kim教授等人发明的一种全新技术，有希望大幅降低高质量半导体薄膜生产的成本。他们在GaAs(001)衬底上转移一层石墨烯，然后通过常规的外延法，在石墨烯层上方生长一层与衬底晶格结构完全一致的GaAs(001)层。而且，得到的外延层可以很容易地从石墨烯层上剥离并用于发光器件中，而单层石墨烯覆盖的GaAs衬底可以重复使用。这一方法，研究人员称之为“远程外延”（remote epitaxy），对InP和GaP等半导体材料同样适用。简单来说，就好像是“复印机”一样，利用单层石墨烯覆盖的衬底，反复制备单晶半导体薄膜，从而大大降低生产成本。石墨烯夹层能与下方的GaAs衬底结合，其较弱的范德华势又恰恰允许衬底和外延层间的相互作用。因此，仅使用常规的金属有机气相外延法，就能实现GaAs、InP和GaP单晶的同质外延生长，单晶取向一致，无扭转角。其次，制备所得的外延层可以很容易完整地从基底上剥离下来，使得这一制备过程可以不断地重复，单层石墨烯覆盖的衬底在其中起到了类似“母版”的作用，大大的降低了制备成本。而且，这一方法对于InP和GaP等半导体材料同样适用。

（三）Science子刊封面：华东师大叶海峰课题组实现手机远程诊疗糖尿病

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

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

糖尿病目前已经成为严重影响人类健康的慢性疾病，全世界的患者超过4亿人。国际著名学术期刊Science Translational Medicine以封面文章形式在线发表了来自华东师范大学叶海峰研究员课题组的最新研究成果，他们在基于智能手机远程诊疗糖尿病方面做出了重要突破，叶海峰研究员课题组巧妙地结合合成生物学与电子工程学，使用可产生降血糖激素的远红光响应的工程化细胞以及亮度、开关可控的无线供电远红光发光二极管（LED），开发了一种基于智能手机的糖尿病诊断和治疗一体化的智能诊疗新系统，并在糖尿病小鼠中进行了功能验证。通过使用智能手机应用软件（App）ECNU-TeleMed，研究人员可超远程控制远红光亮度来调控工程化细胞的激素表达量；另外，糖尿病小鼠的血糖高低信号可以被转化翻译成远红光亮度来调控激素的表达量。这一颇具想象力并整合合成生物学与电子工程学技术的糖尿病诊疗智能系统，为今后临床上糖尿病的诊疗一体化、智能化和精准化提供了新思路，有望成为未来精准医疗的新风向标。

（四）无“键”不摧：Science报道低温催化甲烷C-H键活化反应

Science, DOI: 10.1126/science.aam9147

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Low-temperature activation of methane on the IrO₂(110) surface

CH₄的化学性质相对稳定，C-H键发生均裂与异裂均存在一定困难，在用作起始原料发生进一步转化时受到严重的限制。美国佛罗里达大学（UF）的Jason F. Weaver教授团队在前期大量工作的基础上发展了一种金红石型的Ir金属氧化物作为催化剂，CH₄在这种IrO₂(110)催化剂的吸附作用下与Ir金属中心形成强作用结合的σ络合物，反应温度低至150 K时便可发生C-H键断裂，进而发生其他转化。这种金红石型IrO₂(110)催化剂对有效实现CH₄的选择性官能团化具有十分重要的指导意义，但目前为止，使用该催化剂仅可以实现CH₄向高氧化态的CO、CO₂转化。人们可以借鉴这一催化模型寻找更为理想的金属催化剂，例如修饰IrO₂(110)催化剂的表面对其进行合理的改性，限制其氧化能力，或结合其他材料使CH₄在发生C-H键活化后与特定的共反应物作用，得到丰富多样的高附加值产物。

（五）精子新用途，输送抗癌药物治疗妇科癌症！

arXiv:1703.08510

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

在一篇发表在美国国家科学基金会和美国能源部资助的电子预印本文献库arXiv上的研究中，一帮来自德国德累斯顿莱布尼茨固体材料研究所（IFW Dresden）和开姆尼茨工业大学的科学家正在尝试用精子输送抗癌药物杀伤癌细胞，试图用于治疗妇科癌症。作者先给精子设计了一个导航装置。他们采用双光子3D微纳米光刻技术制作了一个基于高分子材料的四臂微米卡槽，由一个中空的管状结构和4个拱形臂组成，中间有一处狭窄，最大直径为4.3 µm，而实验选用的牛精子头部直径为4.5 µm，刚好可以将精子卡在其中。同时作者还在该微结构表面负载了一层厚为10 nm的铁，使之可以受磁场控制实现靶向；负载了一层2 nm的钛，以增强其生物相容性。实验表明这种精子杂化复合物携载药物后可在72 h内杀伤接近90%的癌细胞。毫无疑问这仅仅是一项初期概念性研究，其实用性、可操作性、安全性、伦理问题、治疗效果等问题还有待进一步考量。不过作者对该系统保持乐观，他们表示这种精子杂化系统很可能在未来癌症的原位诊断和治疗中应用。

（六）改善石墨烯膜性能的最简单方法？

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

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

美国南加州大学（USC）Miao Yu教授课题组发表在Nano Letters上的文章，或许找到了改善石墨烯分离膜性能最简单的方法，那就是——多点耐心。研究者们使用了同批制备的相同量氧化石墨烯，利用最为常见的抽滤法来制备分离膜。他们发现，仅通过改变石墨烯沉积的速率——将速度减慢为之前的十二分之一，可显著改善石墨烯片层的堆砌结构，使得其通量与截留同时得到显著提升。而导致这一提升的主要因素是：在缓慢抽滤的过程中，石墨烯片层能够更好的组装：氧化区域与氧化区域相对，未氧化区域与未氧化区域相对。仅仅降低单层氧化石墨烯沉积的速率，就能使得到的石墨烯膜在通量、截留（选择性）上双双有所提升，打破了常规调控过程中通量与截留此消彼长的规律。可见，优化制备过程可能比优化材料结构获得更大的性能提升，材料在不同尺度下的堆砌方式对其性能影响更为显著。这种超薄高性能氧化石墨烯膜在水净化领域有着光明的应用前景。

（七）芳香杂环甲基化怎么做才出彩？看李朝军团队这篇Chem

Chem, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.03.009

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Simple and Clean Photo-induced Methylation of Heteroarenes with MeOH

传统的芳香环甲基化的方法包括邻位金属化，但需要化学计量的强碱如丁基锂等，还需要杂原子取代基作为导向基团；另外一种突破就是C-H键活化，但同样需要在导向基团的作用下发生过渡金属催化，并以当量的氧化剂及高温条件，有时还要用到敏感的甲基化试剂，这些条件增加了反应成本，与此同时还会产生大量的废弃物。2015年，MacMillan课题组报道了光氧化还原催化和有机分子催化的协同催化体系（Nature, 2015, 525, 87–90，点击阅读相关），在室温下，利用甲醇作为甲基自由基的来源，实现了六元芳香杂环的甲基化。甲醇作为甲基化试剂具有原料来源广泛、成本低且避免使用氧化剂等优点，但早期报道中大多数底物的产率较低。基于前人的工作，来自加拿大麦吉尔大学的华人化学家李朝军（Chao-Jun Li）教授小组发展了一种高效的芳香杂环甲基化的方法，利用甲醇作为甲基化试剂和溶剂，二氯甲烷作为共溶剂，三氟乙酸作为添加剂，在室温、光照的条件下实现了五元和六元芳香杂环高效简洁的甲基化过程。整个反应无需使用外加光敏剂，也不使用金属催化剂或配体，避免了金属试剂带来的费时费力且高成本的后续分离步骤，更符合“绿色化学”的理念。该反应对于生物活性分子及药物分子的合成改造都具有重要意义。作者还通过氘代实验研究了反应过程，并提出了可能的反应机理。有意思的是，反应产物上新生成的甲基中的三个氢原子并非全部来自甲醇的甲基，而是分别来自甲醇的羟基和甲基。

（八）做个新型食品添加剂，发篇高分Nature子刊

Nature Nanotech., DOI: 10.1038/NNANO.2017.58

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Amyloidfibril systems reduce, stabilize and deliver bioavailable nanosized iron

缺铁性贫血是体内铁储存不能满足正常红细胞的生成需要而发生的贫血。减少缺铁性贫血最有效的方法是食用含铁量高的食物或是铁强化食品。这些食品中加入生物可利用的水溶性铁化合物，如硫酸亚铁和铁钠乙二胺四乙酸，作为铁强化剂提高铁含量。但铁强化剂的加入往往也会引起食物感官性质的变化，“卖相”、“味道”或者“口感”变差。另外一些难溶的铁强化剂，如焦磷酸铁和富马酸铁，其生物利用度太低，还容易在液体食物中产生聚集体。铁纳米颗粒，因其较高的生物利用度和较低的反应活性，且不易影响食物的感官性质，已被开发作为一种新的铁强化剂。但其在溶液中易氧化及易聚集的性质，严重限制了它的应用。日前，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的Raffaele Mezzenga教授和Michael Zimmermann教授利用廉价易得、具有天然还原性的β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，BLG，可从牛奶中获得）制成可降解的淀粉样蛋白纤维，作为铁纳米颗粒的抗氧化纳米载体和胶体稳定剂。所形成稳定的蛋白质-铁胶体，不仅在体内铁生物利用度高，而且生物安全性高，同时极大降低了对食品感官性质的影响。

（九）几根锈铁钉引发的AM

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

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Rust-Mediated Continuous Assembly of Metal–Phenolic Networks

2013年，澳大利亚墨尔本大学的Frank Caruso教授课题组在Science 上报道了通过铁离子与单宁酸（一种天然多酚类物质）相互作用快速自组装形成中空微胶囊的工作，引起了学界的广泛反响（Science, 2013,  341, 154）， 在生物医学以及环境工程中都具有应用潜力。随后的几年中，他们在相关领域取得了一系列进展。最近，他们突发奇想地瞄上了铁锈，利用了生锈的铁制品作为铁离子的来源，与多酚类物质进行自组装。他们甚至发现当使用生锈铁钉诱导自组装过程时，形成的组装体更易调控。作者们对此过程进行了总结。与传统过程相比，首先，该方法提供了固态的铁源代替直接添加离子，持续稳定地提供铁离子；其次，体系中没有来自铁盐的反离子；其三，溶液中没有因为盐类水解产生的聚铁物质；其四，存在两个与时间相关的动态过程：离子溶蚀与离子/多酚组装；其五，自组装过程本身具有连续的特性，但在快速的溶液自组装过程中无法体现；第六，该过程厚度可控；第七，该过程利用了废弃的铁锈成分作为反应物。与其它类似的组装体一样，这种组装体也会在强酸性环境下发生解组装，而其它如单宁酸之类的配体也同样适用于这种方法。

（十）钙钛矿领域的常见问题，只有他们发了Nature

Nature, DOI: 10.1038/nature22072

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

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授的研究团队研究了光照对金属卤化物钙钛矿薄膜形成的影响。在金属卤化物钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿薄膜的质量会直接影响到器件的性能，优化钙钛矿薄膜的形貌显得非常重要。为了提高钙钛矿太阳能电池的性能，科学家们已经开发了许多器件结构及制备工艺，其中包括一步沉积法、顺序沉积法、反溶剂（anti-solvent）法。早期的研究已经发现制备钙钛矿的反应条件会对薄膜质量产生影响，比如反应物浓度以及反应温度。但是，科学家们对控制薄膜质量的精确反应机理以及主要因素的理解还称不上透彻。Michael Grätzel教授研究团队以“光照”为切入点，利用共聚焦激光扫描荧光显微镜（CLSM）以及扫描电子显微镜（SEM）研究了两种常用的钙钛矿制备方法：顺序沉积法和反溶剂法，展示了光照对于钙钛矿生长速率以及薄膜形貌的影响。作者通过实验证实黑暗条件对于反溶剂法制备钙钛矿薄膜是有利的，然而对于顺序沉积法来说情况相反，有利的条件变成了光照。这个结论看似简单但却非常重要，再结合对现象背后机理的深入研究，对于控制钙钛矿薄膜的形貌以及高质量钙钛矿太阳能电池的大规模生产都具有指导意义。这个切入点看似稀松平常，可以说该领域的研究者几乎人人都会遇到，但貌似只有他们注意到并进行了深入研究。