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X-MOL盘点:7月前沿科研成果精选

X-MOL团队从上月报道过的NatureScienceNature 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。


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(一)八面玲珑纳米疫苗,肿瘤无处逃!


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

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A STING-activating nanovaccine for cancer immunotherapy



免疫治疗无疑是当下最热门最前沿的癌症治疗方法,而纳米颗粒介导的纳米疫苗是其中一个越来越重要的研究领域。目前研究表明小于50 nm的纳米颗粒更容易富集在淋巴结,但是迄今为止很少有50 nm以下的纳米颗粒可以在无佐剂的情况下促进抗原呈递并刺激固有免疫反应。近日,来自美国德克萨斯大学西南医学中心高金明教授和美国国家科学院院士陈志坚教授等人发现,一种由酸度响应聚合物组成的纳米颗粒(PC7A)与抗原组成的简单复合物尺寸效应促进其淋巴结富集,而pH响应性促进抗原的胞质输送及交叉呈递,还可以通过激活Ⅰ型干扰素刺激因子(STING)刺激产生Ⅰ型干扰素从而显著增强该纳米疫苗的抗癌效应。


(二)低成本电催化剂,高效高选择性催化CO2还原为CO


Nat. Energy, DOI: 10.1038/nenergy.2017.87

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Solar conversion of CO2 to CO using Earth-abundant electrocatalysts prepared by atomic layer modification of CuO



人工光合作用是最近几年最热门的研究领域之一,利用太阳能将二氧化碳(CO2)转化为其他更有价值的化合物,兼顾温室气体过量排放导致的环境挑战和化工生产的经济收益,可以预见在将来也会是科学家们争相研究的方向。在过去的几年,铜基电催化剂得到了大家的广泛关注,但是总的来说,目前基于纯铜的电催化剂的性能还是较低,并且产物分布非常复杂,选择性不高。最近,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Michael Grätzel教授和罗景山(Jingshan Luo)博士报道了一种简单的方法对CuO纳米线进行表面修饰——通过原子层沉积(ALD)在CuO纳米线上修饰SnO2纳米粒子,显著提高CuO纳米线阵列的电催化还原CO2的性能。而且,修饰后的CuO纳米线催化CO2还原绝大部分产物是CO,选择性超高。另外,由于这种电催化剂来源于地球含量丰富的金属元素,成本明显降低。


(三)蛋的形状千变万化,关鸟啥事?


Science, DOI: 10.1126/science.aaj1945

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Avian egg shape: Form, function, and evolution



为什么鸟蛋会演化出这么多不同的外形?这个问题的答案或许能揭开鸟类的演化之谜。美国哈佛大学、普林斯顿大学的科学家领导的一支国际研究团队为了寻找这一问题的答案,采用数学、物理学和生物学方法,测量了约1,400种鸟类共49,175枚鸟蛋的形状,并建立了模型来解释蛋膜是如何决定蛋体形状的。利用系统发育模型,研究者发现蛋的形状和成鸟的飞行能力有关,换句话说鸟类对飞行的适应可能是鸟蛋形状改变的驱动力。蛋膜在鸟蛋形状形成过程中扮演着重要角色,作者观测了不同鸟蛋两极间之间膜的厚度变化,并依据这些数据建立了数学模型。他们认为,鸟蛋的不同形态正是基于蛋膜厚度和组成的多变性,施加在膜上压力不均匀,鸟蛋的形态才如此多变。作者还分析了不同蛋的形状与不同鸟类筑巢形式、筑巢位置、产卵数、饮食和飞行能力的联系,他们发现鸟类的飞行能力是影响鸟蛋形态的主要因素。鸟类之所以能飞行,除了因为有轻巧的骨骼和有力的翅膀,身体的流线型也很重要。为了保持体型,善飞的鸟让蛋变得更不对称且更接近于椭球形。这样的话,雌鸟就能在不增加蛋宽度的前提下使鸟蛋的体积最大化,它们的输卵管也可以非常狭窄。


(四)如何在CGMP规范下安全高效地制备千克级抗癌药?


Science, DOI: 10.1126/science.aan0745

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



大多数药物的工业化生产是分批制备的,通过增加规模以尽可能低的成本生产尽可能多的符合要求的药物。但这种大规模制备方法也有尴尬之处,候选药物一旦进入临床试验阶段,所需的量往往会由克级暴涨到千克级,不过就算是千克级,对于适合大规模制备的设备来说也还是太少了些。另外,对于一些个性化疗法来说,所需药物的量也不适合进行工业化的大规模制备。药物研发和个性化疗法的发展促使药物制造业从传统的批处理生产向更灵活的连续过程转变。近日,制药巨头礼来公司(Eli Lilly)的研发人员Kevin P. Cole等人报道了CGMP(current good manufacturing practices)规范下进行的小体积连续流动千克级化合物制备,他们生产了24千克的化疗候选药物——prexasertib单乳酸盐单水合物,以满足临床试验的需求。通过在实验室的通风橱中使用连续的小型反应装置、萃取装置、旋蒸仪、结晶仪和过滤装置,以8个连续的单元操作,每天大约生成3千克的目标产物。相比于分批生产,连续过程的安全性更好,反应及纯化的收率和选择性也得到了提高。另外,连续生产过程的每个阶段都与质量控制系统相连,符合CGMP规范。


(五)穿过你的黑发的我的光


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

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Selective Coloration of Melanin Nanospheres through Resonant Mie Scattering



头发的结构包括无规分布在角蛋白外层的黑色素颗粒,而黑色素(melanin)主要包括三种类型:褐真色素(brown eumelanin)、黑真色素(black eumelanin)、褐黑素(pheomelanin),它们具有不同的吸收光谱,可以分别赋予头发金色、黑色和红色。就算是黑发,在强烈的太阳光下会表现出不同的颜色。韩国科学技术院(KAIST)的Shin-Hyun Kim等人合成了不同尺寸的类似黑色素的聚多巴胺纳米颗粒,研究它们在弱光和强光下不同介质中的颜色,并揭示了背后的机制及提出了可能的应用方向。研究人员认为在强光下不同尺寸纳米颗粒的共振米氏散射(resonant Mie scattering)决定了分散液的颜色,而对可见光的强吸收则抑制了多次散射,这使得共振米氏散射占据了决定性的地位。研究者将类黑色素聚多巴胺纳米颗粒制成了“墨水”,这种墨水在普通光照下呈现黑色但在强光下会呈现出不同的颜色,通过不同图案的掩模及紫外光固化过程,研究者们用这种墨水在基底上呈现出了不同的图案。这在防伪领域具有非常光明的应用前景。


(六)震惊!Cell杂志惊现化学类文章


Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2017.06.025

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Development of a Novel Lead that Targets M. tuberculosis Polyketide Synthase 13



美国德克萨斯A&M大学James C. Sacchettini 教授团队前期发现了抗结核分枝杆菌Mycobacterium tuberculosis)的活性化合物TAM1,并且证明了聚酮合酶13(Polyketide Synthase 13,PKs13)是该化合物的直接作用靶点。作者发现TAM1耐药的突变株中,PKs13的硫酯酶(TE)结构域中都能找到突变氨基酸。作者先选用生化反应来评价TAM1对PKs13-TE具有抑制作用,并且明确作用强度(IC50 = 0.26 μM);然后根据X-Ray共晶结构,详细解析了TAM1与PKs13-TE的精确作用形式。进行了一系列优化得到化合物TAM16,这个化合物的理化性质、药代性质、安全性、有效性都非常优秀,对耐药性菌株也有很好的抑制作用。


(七)分子Borromean环:从艺术到应用


Chem, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.06.006

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Molecular Borromean Rings Based on Dihalogenated Ligands



互锁型分子结构是指分子间不以共价键形式互相连接,而是通过各种分子间弱作用力相互穿插、扣锁的分子结构。这类特殊分子的结构十分具有艺术感,在拓扑学上具有重要的意义。而在此基础上发展的分子机器,更是受到了2016年诺贝尔化学奖的垂青。在互锁型分子家族中,一个具有挑战性的课题就是分子Borromean环的合成。所谓Borromean环,是指三个环互相穿插在一起,但是任意两个环之间没有任何的扣锁现象。最近,复旦大学金国新课题组报道了一系列基于二卤代配体的分子Borromean环,并发现卤代原子对分子Borromean环结构的形成有不可取代的作用,而且不同的卤代原子可以调控环与环之间的作用力。利用这一特性,他们实现了不同二卤代苯对一系列分子Borromean环的选择性拆分,在此基础上,概念性地提出了一种利用分子Borromean环对多种二卤代苯逐一分离的方法。


(八)崔屹教授找到了比金属锂电极更好的选择


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

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



美国斯坦福大学崔屹教授等人发明了一种锂合金/石墨烯纳米结构材料作为锂离子电池负极,与金属锂负极相比更稳定更有希望提高电池的容量和使用寿命,前景更加光明。崔屹教授团队的方案是选用锂合金LixM(M = Si、Sn、Al)与石墨烯的纳米结构材料做负极,先制备了锂合金LixM的纳米颗粒,随后将其与石墨烯片层、嵌段聚合物SBS在甲苯中混合成浆料,通过滚涂、干燥等工序后,很容易就得到了大面积且无衬底的独立箔状材料,具有非常良好的柔性。这种箔状材料呈现独特的纳米结构——石墨烯层之间紧密包裹着锂合金纳米颗粒由于石墨烯层的疏水性、低气体渗透性和抗氧化性,这种纳米结构保护了其中的锂合金纳米颗粒,使得这种材料具有良好的空气稳定性。这种纳米结构材料的体积比容量达到∼2,000 mAh•cm−3,已经接近了金属锂的理论值2,061 mAh•cm−3。并且,由于这种复合材料中LixM合金纳米颗粒被限制在石墨烯层之间,能够有效解决困扰金属锂电极多年的体积膨胀变化以及枝晶生长等问题,石墨烯层还可以有效防止副反应发生。正因如此,这种纳米结构材料作为负极在测试中表现出了良好的循环性能和倍率性能。研究者分别使用不含锂的高容量正极材料V2O5和S,测试了全电池的性能。结果发现,不但比容量较高,而且石墨烯包覆锂合金纳米颗粒的结构还可以抑制多硫化合物的溶解,提高电池的循环稳定性。


(九)你能做到的,我也能做到


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

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Stabilizing Otherwise Unstable Anions with Halogen Bonding



在分子R-X中,卤原子X通常由于较高的电负性而带负电。R-X键“攫取”了此σ键方向上大部分的电子云密度,导致X在σ键的另一端形成了一个带正电的区域,即σ-hole。其特殊之处就在于在一个净带电为负的卤原子上有一个带正电的区域。带正电的σ-hole和其他带负电的物种如孤对电子、负离子之间的静电吸引被称为卤键。不难看出,卤键和氢键的本质相同,都是正电荷和负电荷的静电吸引。由于上述氢键和卤键的相似性,美国加州理工学院化学化工分部的张新星博士和美国约翰霍普金斯大学化学系Kit Bowen教授团队提出在原子分子层面上设计新型卤键的基本想法:凡是氢键能做到的,卤键也能做到。在现有的研究中,稳定不能单独存在的不稳定负离子是氢键已经做到而卤键还尚未做到的该团队在反复筛选后采用了电子亲和能为-0.01 eV的吡嗪(Pz)分子,并使用溴苯(BrPh)作为σ-hole的供体。Pz-的一个氮原子和一个溴苯分子生成第一个卤键,EA即被拉正到0.15 eV;第二个氮原子和第二个溴苯分子生成第二个卤键,EA被提高到0.32 eV。


(十)生活没规划,不如一只鸦


Science, DOI: 10.1126/science.aam8138

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



Science 上发表的一篇文章表明乌鸦一样有规划能力。为了揭开乌鸦规划能力之谜,瑞典隆德大学认知生物学家Mathias OsvathCan Kabadayi给乌鸦设计了一些题目(这些题目也曾被用来测试猿类的规划能力)。他们先是训练5只乌鸦利用椭圆形石头工具打开装有食物的箱子。后来,这些鸟儿还学会了以货易货,用这种工具交换更有价值的东西。在一系列试验中,研究人员不断改变游戏规则——改变奖励出现的时间以及鸟儿为获得它们而不得不做的事情。在长达17个钟头的测试时间里,这5只乌鸦表现得相当给力,无论那只代表奖励的箱子有没有出现在眼前,它们总能挑出正确的工具。而在一项试验中,除了石头工具和其他一些东西,这些鸟儿甚至需要面对直接的诱惑——一小块食物,要知道最后的“大奖”也不过是一块更大的食物。令人啧啧称奇的是,差不多有四分之三的乌鸦抵御住了诱惑,选择了石头工具,这意味着:为了获得一块更大的食物,它们大多数会选择等待15分钟,而不是拿走小一点的食物享用了事。随后,研究人员发现,这些乌鸦能意识到这种“延迟满足”带来的结果——迄今为止,只在人类中得到过证实。当乌鸦只须等上几秒钟就能得到奖励箱子时,它们全都会等着,一个不落。本项研究为理解智能行为的进化提供了一块重要拼图,有理由相信,对于鸟类和哺乳动物认知能力的进一步研究(从脑解剖和脑功能等角度),将有助于揭示其中更多的奥秘。


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