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美国化学会C&EN:2017年度“十二俊杰”——男神篇

上文介绍了美国化学会(ACS)旗下C&EN 评选出2017年度“十二俊杰(The Talented 12)”的五位女化学家(点击阅读详细)。接下来要上场的是七位男神。


田博之(Bozhi Tian)


图片来源:C&EN


年龄:37

出生地:中国西安

毕业院校:美国哈佛大学

目前效力:美国芝加哥大学


人物小传


田博之(Bozhi Tian)出生于一个艺术世家,他的父亲是一位书法家,目前已撰写了十几本关于中国书法艺术的教育书籍。从小在艺术氛围中熏陶,田博之对书法自是有一种无以名状的情结。他从三岁起跟随父亲练习书法,六岁时又开始学习绘画,对艺术的热情让他希望长大后成为一名设计师。不过这种想法在他十四岁时悄然发生了改变,田博之走火入魔般爱上了科学,特别是化学,直至现在他还能清楚地记得当时实验室中的实验演示给他带来的视觉震撼,指示剂奇妙地发生颜色变化时,他内心也出现了微妙的改变。他希望有一天自己可以将自然科学与热衷的三维图形结合起来,去做一些他未曾想过的事。


田博之从复旦大学毕业后来到美国哈佛大学Charles M. Lieber实验室开始他的研究工作。他设计了一种柔性三维纳米场效应晶体管生物探针,这种可以介入细胞内的扭结结构能基于数字电子技术直接探测到神经元放电及心脏跳动时的电生理反应。


如今就职于美国芝加哥大学,他的研究方向是设计新型的半导体器件来深入了解并调控细胞信号及电传导通路。最近,他又发展了一种新的方法来制备带有棘突的椎骨形硅纳米线,相比于常规的柱状纳米线,这种特殊设计可以更好地粘附于神经细胞,提高测量的可重现性。


田博之一贯秉承谦逊温和、细致入微的态度做人做事,面对科学研究中的种种挫折与困难,他又可以做到宠辱不惊。所谓“谦谦君子,温润如玉”,这种处世态度或许与他年轻时的艺术涵养有关,与此同时也为他在科学研究中带来丰富的灵感。芝加哥大学的Andrei Tokmakoff教授如是评价田博之,称他具有化腐朽为神奇的本领,可以匠心独运地为普通的材料与装置赋予非凡的性能,极力推动了生物电子学领域的发展,是真正意义上的跨学科专家。


Plus:田博之的“学霸”之路 [注1-2]


1998年以全国化学奥赛一等奖得主身份保送到复旦大学化学系;

2000年5月大二)成为复旦大学第三届“莙政学者”;

2001年大三)凭借优异的成绩,“3+3”免试直升复旦大化学系硕士研究生,师从赵东元教授;

2001年至2004年,硕士期间在国际权威杂志上发表了8篇论文,包括一篇第一作者的Nature Materials文章,并获得了7项第一发明人专利。硕士毕业后,田博之被破格同时授予博士学位,并获得哈佛大学全额奖学金,师从全美十大最有影响力的科学家、美国科学院院士Charle Lieber进行学习研究(2004年至2010年);

2012年,哈佛大学毕业并经历两年的博士后研究工作后,任教于芝加哥大学化学系;同年,入选MIT Technology Review 评选的“年度35岁以下创新35人”(35 Innovators Under 35,MIT TR35);

2016年,获得时任美国总统奥巴马授予的"Presidential Early Career Awards for Scientists and Engineers (PECASE) "荣誉,这是美国政府给予那些在独立研究起步阶段的学者和工程师的最高奖励。2012年以来,田博之还获得了一系列奖项:NIH new innovator award (2016), ONR young investigator award (2016), Sloan fellowship (2016), ONR director of research early career award (2015), AFOSR young investigator award (2015), Kavli fellow (2015), NSF CAREER award (2013), Searle Scholar award (2013)。



注1,复旦大学网站

http://xxgk.fudan.edu.cn/8e/5a/c5197a101978/page.htm


注2,芝加哥大学田博之课题组网站

http://tianlab.uchicago.edu/index.html


研究概览


图片来源:C&EN


田博之设计了一种新型的半导体材料用于探测与调控神经细胞的电生理过程,由此制备的海绵状生物相容性硅纳米颗粒可以附着在神经元细胞膜上。当施加激光脉冲使颗粒升温时,膜间电容会发生变化,从而使神经元产生放电现象。


三篇代表论文:

“Atomic Gold-Enabled Three-Dimensional Lithography for Silicon Mesostructures” (Science, 2015, DOI: 10.1126/science.1257278)

“Three-Dimensional, Flexible Nanoscale Field-Effect Transistors as Localized Bioprobes” (Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1192033)

“Coaxial Silicon Nanowires as Solar Cells and Nanoelectronic Power Sources” (Nature, 2007, DOI: 10.1038/nature06181)


Fikile Brushett


图片来源:C&EN


年龄:33

出生地:美国华盛顿

毕业院校:美国伊利诺伊大学香槟分校

目前效力:美国麻省理工学院


人物小传


说起Fikile Brushett早年的经历,不少科研工作者应该会钦羡不已。研究生四年级时他就已经得到麻省理工学院的垂青,本可以在博士毕业后捷足先登,获取在此处任职的资格。但Fikile Brushett坚持和其他人一样,继续从事博士后的研究工作,积累足够的经验后再建立自己的团队。为此麻省理工学院还为他保留了职位,等待这位“任性”的年轻人学成归来。


Fikile Brushett研究生阶段的研究方向是燃料电池的能量转换,但他同样希望自己对储能方向有所了解,于是来到阿贡国家实验室主要研究用于电网储能的电化学液流电池。回忆此去过往,Fikile Brushett表示这一选择完全顺从了自己的内心,即便日后对探索液流电池不再感兴趣,他还可以转而继续开展燃料电池的相关研究。而这段经历对他来讲终究不虚此行,至少他已对另一领域有了较为全面的认识。


氧化还原液流电池与我们熟悉的便携设备中使用的电池有所不同,后者的储电介质是电池的固态电极,而前者则是利用电解质溶液实现电荷存储,通过两种电解液分别贮存或泵入反应室内反应完成电池的充电或放电过程。通常情况下人们选择水来溶解液流电池中的电解质,然而部分有机电解质的溶解度有限,使用有机溶剂又将大大提高电池的成本。Fikile Brushett在博士后研究期间与同事合作发展了一种成本廉价的全有机液流电池模型,该工作着重强调了如何选择合适的材料来解决成本问题,为相关领域的研究指明了前进的方向。


如今跻身麻省理工学院,Fikile Brushett正使用这一模型指导新型材料的设计。他们实验室的研究重点是探究化学结构如何影响氧化还原活性分子的功能,与此同时还致力于发展新的电化学反应器以提高电池的性能。Fikile Brushett还希望能有更多擅长分子合成与设计的有机化学研究工作者参与到这一探索过程中,以期寻求更优的材料有效提高液流电池的性能。


研究概览


图片来源:C&EN


Fikile Brushett开发了用于可持续能源(如风能、太阳能)存储的液流电池,图中展示了他们实验室在设计全有机电化学液流电池时所涉及的材料,用以提高电池器件的容量与效率。


三篇代表论文:

“Concentration-Dependent Dimerization of Anthraquinone Disulfonic Acid and Its Impact on Charge Storage” (Chem. Mater. ,2017, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b00616)

“High Current Density, Long Duration Cycling of Soluble Organic Active Species for Non-Aqueous Redox Flow Batteries” (Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c6ee02027e)

“An All-Organic Non-Aqueous Lithium-Ion Redox Flow Battery” (Adv. Energy Mater., 2012, DOI: 10.1002/aenm.201200322)


Luke Connal


图片来源:C&EN


年龄:36

出生地:澳大利亚墨尔本

毕业院校:澳大利亚墨尔本大学

目前效力:澳大利亚墨尔本大学


人物小传


酶是一种具有催化功能的生物大分子。然而在Luke Connal的字典里,酶同样可以是一种高分子聚合物。这种特殊的“酶”可以实现普通生物酶无法解决的问题。酶可以通过生物分子以特定的折叠方式形成底物结合位点,与底物中的关键基团发生特异性作用实现催化过程。然而这类反应需要在合适的条件下进行,不适宜的温度、pH环境等均会破坏酶的结构,使其失去催化活性。本科阶段的实验室学习让Luke Connal认识到高分子聚合物在化工、材料及医药等众多领域具有十分重要的应用。如今在墨尔本大学成立了自己的实验室,Luke Connal设计了聚合物催化剂用来模拟酶的专一催化功能,相比于传统意义上由生物活性分子组成的酶,高分子聚合物酶具有良好的稳定性,可以兼容更为剧烈的反应条件,因而适用于多种类型的催化反应。


Luke Connal的研究方向是设计不同的聚合物结构来模拟酶的活性作用位点。他们首先尝试了模拟蛋白酶(protease),这种酶的氨基酸残基活性位点包括羟基、羧基与咪唑基,可以切断蛋白质主链中的酰胺结构。他们在聚合物中引入这三种官能团模拟相关酶的功能。而在今年早些时候他们还用聚合物酶实现了酯的水解。


澳大利亚国立大学的Michelle Coote教授对Luke Connal的工作给予了高度的肯定,将其称为一种能够颠覆性改变催化剂活性的方法。美国加州大学圣芭芭拉分校的Craig Hawker教授作为Luke Connal博士后研究期间的导师,评价Luke Connal可以将合成化学与工程应用的思维有效结合,为他在聚合物酶方向的研究奠定了深厚的基础。


目前Luke Connal正与联合利华公司就蛋白酶项目进行合作,以期通过更为稳定长效的聚合物酶代替洗涤清洁用品中的去污酶,并实现其简洁高效的大规模合成。与此同时,他还发展了不同的高分子聚合物应用于锂离子电池设计及采矿冶金工艺中。


研究概览


图片来源:C&EN


Luke Connal设计了一种具有特殊结构的高分子聚合物,用来模拟蛋白酶的催化活性位点。该活性作用位点由羟基、羧基与咪唑基三种官能团组成,有望替代洗涤清洁用品中的去污酶得到大力的开发应用。


三篇代表论文:

“Triggered and Tunable Hydrogen Sulfide Release from Photogenerated Thiobenzaldehydes” (Chem.–Eur. J., 2017, DOI: 10.1002/chem.201701206)

“2D and 3D-Printing of Self-Healing Gels: Design and Extrusion of Self-Rolling Objects” (Mol. Syst. Des. Eng., 2017, DOI: 10.1039/c7me00023e)

“Simple Design of an Enzyme-Inspired Supported Catalyst Based on a Catalytic Triad” (Chem, 2017, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.04.004)


Daniel DiRocco


图片来源:C&EN


年龄:32

出生地:美国宾夕法尼亚州皮克彻罗克斯

毕业院校:美国科罗拉多州立大学

目前效力:美国默克公司


人物小传


Daniel DiRocco算得上是一位十分有情怀的化学从业者,他的业余爱好仍旧与化学相关。作为一位两岁孩子的父亲,每天他除了工作、照看家庭,剩余的时间便一心扑在自己发明的智能控制酿酒设备上。他在家中的车库找到一处空地,搭建起一个小型的酿酒厂,并努力研究如何将这一技术的生产规模进一步扩大。Daniel DiRocco还打趣地说,酿制啤酒的过程中涉及许多化学反应,这些他都了然于胸。


作为美国默克公司催化工艺的一位领导者,Daniel DiRocco的工作便是设计用于大规模药物合成的最优反应,为临床测试及进一步的制药生产奠定基础。他提到很多发展成熟的合成方法应用于药物批量生产时仍旧存在许多问题,如反应试剂成本高、扩大规模后产率骤降、反应过程中产生大量难以处理的废弃物等,为此他们必须适当调控反应的条件以满足工业化要求,有时为了最大化实现高效经济的合成过程,他们甚至需要重新设计合成方法。


Daniel DiRocco的研究团队致力于设计新型的不对称催化反应用于手性药物的合成。他们最近发展了一种有机分子催化剂,在无过渡金属参与的情况下高效地实现了手性核苷磷酰胺的对映选择性合成(点击阅读相关)。用于治疗丙型肝炎的美国默克公司临床候选药物分子MK-3862与吉利得的明星药物Sovaldi中均存在这一片段,其合成难点在于大多数不对称催化反应仅适用于构建碳手性中心,而对于合成磷手性中心的化合物却无能为力。Daniel DiRocco及其团队设计的方法无疑突破了这一局限。


Tomislav Rovis教授是Daniel DiRocco在美国科罗拉多州立大学求学期间的博士生导师,他评价自己的学生具有点石成金的本领。作为一名化学研究工作者,Daniel DiRocco具有敏锐的化学直觉,在学习与工作中可以快速有效地搜集到所需的信息。现在在美国哥伦比亚大学任教的Rovis教授称赞Daniel DiRocco获得今日的成就绝非运气使然。虽天赋异禀,但他仍不忘争分夺秒,潜心研究。


研究概览


图片来源:C&EN


Daniel DiRocco及其团队发展了有机分子催化手性核苷磷酰胺的高效合成,反应在无过渡金属参与的情况下构建了其他方法难以实现的磷手性中心。该片段是美国默克公司临床候选药物分子MK-3682的重要药效基团。


三篇代表论文:

“A Multifunctional Catalyst That Stereoselectively Assembles Prodrugs” (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam7936)

“Late-Stage Functionalization of Biologically Active Heterocycles through Photoredox Catalysis” (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, DOI: 10.1002/anie.201402023)

“Catalytic Asymmetric Intermolecular Stetter Reaction of Heterocyclic Aldehydes with Nitroalkenes: Backbone Fluorination Improves Selectivity” (J. Am. Chem. Soc., 2009, DOI: 10.1021/ja904375q)


Michael Feasel


图片来源:C&EN


年龄:31

出生地:美国德克萨斯州休斯顿

毕业院校:美国马里兰大学巴尔的摩分校

目前效力:美国陆军埃奇伍德化学生物中心


人物小传


或许很难想象,一位电影演员如何为化学工作者带来职业启蒙。1996年,Nicolas Cage在电影The Rock(中文译名:《勇闯夺命岛》《石破天惊》)中扮演的化学武器专家Stanley Goodspeed在执行毒气导弹拆解任务时的精彩表演为Michael Feasel带来了深远的影响。“尽管电影的表现手法略显夸张,但我了解政府机构确实存在这样一种职位”,Michael Feasel这样解释道。于是从大学时期开始,他便立下决心以后可以在国防军工单位从事相似的职业。


本科阶段完成了毒理学与化学课程学习后,Michael Feasel入职美国陆军埃奇伍德化学生物中心,开始研究军事部队在战区交战时使用烟雾弹的成分对人体健康带来的影响。2012年,英国的化学武器研究团队破解了2002年俄罗斯军警及阿尔法小组在莫斯科剧院解除人质危机时所使用的秘密化学气体的成分,烟雾气体中包含两种阿片类合成药物卡芬太尼(Carfentanil)和瑞芬太尼(Remifentanil),这两种药效成分可以迅速麻醉表演厅内的所有人,有效歼灭绑匪结束对峙。但以往并没有人研究过这种阿片类合成药物在人体内的代谢过程,造成超过120名人质因麻醉过度身亡。另一方面,最近在美国出现了多起因摄入含有阿片类成分的海洛因或可卡因麻醉药物造成的死亡事件。这一研究结果不仅解开了Michael Feasel的谜团,与此同时让他意识到,研究这种阿片类药物对人体的毒性十分重要。


于是在埃奇伍德化学生物中心工作的同时,Michael Feasel攻读了马里兰大学巴尔的摩分校的博士学位专门研究卡芬太尼在人体内的代谢途径,他发现这种阿片类药物的药效是吗啡的10000倍,控制不当的情况下容易造成过度给药,最终证明了卡芬太尼在人体内的代谢产物对人体带来的毒害作用。如今完成博士学位后,Michael Feasel还表示将继续研究其他阿片类合成药物对人体健康的影响。埃奇伍德化学生物中心的毒理学研究主管Christopher Whalley积极评价了Michael Feasel的工作,称这项研究将为限制使用阿片类合成药物提供重要的理论支持。


研究概览


图片来源:C&EN


阿片类合成药物卡芬太尼的药效是吗啡的10000倍,十分容易过度给药。Michael Feasel发现了这种阿片类药物在人体内的肝脏代谢产物,并研究得出其作用机制。这对于医疗中控制给药剂量具有十分重要的指导意义。


三篇代表论文:

“Metabolism of Carfentanil, an Ultra-Potent Opioid, in Human Liver Microsomes and Human Hepatocytes by High-Resolution Mass Spectrometry” (AAPS J., 2016, DOI: 10.1208/s12248-016-9963-5)

“Inhalation Toxicology of Riot Control Agents,” in Inhalation Toxicology, 3rd ed., ed. Harry Salem and Sidney A. Katz (Boca Raton, Fla.: CRC Press, 2015, 211–244, DOI: 10.1201/b16781-12)

“Incapacitating agents,” in Salem and Katz, Inhalation Toxicology, 245–256, DOI: 10.1201/b16781-13


Ashish Kulkarni


图片来源:C&EN


年龄:36

出生地:印度本特尔布尔

毕业院校:美国辛辛那提大学

目前效力:美国哈佛医学院


人物小传


相比大多数人,Ashish Kulkarni起初选择从事化学研究的目的要单纯许多。他喜欢有机化学,碳原子之间可以通过不同的键合方式组成复杂多样的分子骨架,与此同时碳原子还可以与其他原子发生相互作用。年轻时他设想可以通过自己的想象设计出许多构型漂亮的分子,随后一场家庭变故让他最终确定了人生走向。他希望自己能够加入攻克癌症难题的研究队伍中,通过自己的努力,为那些像自己已故亲人一样罹患癌症的病人寻找治疗恶性肿瘤的解决方案。


本科毕业后工作了三年,Ashish Kulkarni认为自己想要实现以上想法首先需要继续深造,于是来到美国辛辛那提大学攻读博士学位,研究生阶段的课题方向是合成复杂的糖类分子用于癌症相关的诊疗研究。在接触多聚糖的过程中,他逐渐掌握了根据生物体内的代谢过程指导设计糖类分子的方法。


随后Ashish Kulkarni来到哈佛大学从事博士后研究,转而开始关注用于癌症免疫疗法的纳米粒子。尽管目前检测点抑制剂这种癌症免疫疗法对一部分癌症患者体内的肿瘤具有显著的疗效,但适用人群十分有限。目前研究人员一直在寻找一种理想的生物标记来监测治疗方法的效果。Ashish Kulkarni发展的方法则解决了这一问题,他设计了一种双功能纳米颗粒,一方面可以激活免疫系统,与此同时还可对药物是否起效进行实时监测。其作用机制如下,具有聚合物骨架结构的纳米颗粒同时与药物检测点抑制剂以及报告分子相连,报告分子可被细胞凋亡相关的酶释放。如果药物起效,导致细胞死亡的过程会释放出报告分子,医生就可以快速了解患者是否对该治疗手段作出响应。


今年秋天,Ashish Kulkarni将在麻省大学阿默斯特分校拥有自己的研究室,他计划进一步发展免疫诊疗纳米粒子并尽快推向临床水平的研究。如果临床测试成功,他还希望自己可以创立一家公司实现这种技术的应用转化,从而服务于更多的癌症患者,早日攻克癌症这一棘手的难题。


研究概览


图片来源:C&EN


Ashish Kulkarni设计的双功能纳米颗粒同时包含检测点抑制剂与报告分子,当癌细胞凋亡时,相应的酶可释放出报告分子,从而实现治疗过程的实时监测。


三篇代表论文:

“Combining Immune Checkpoint Inhibitors and Kinase-Inhibiting Supramolecular Therapeutics for Enhanced Anticancer Efficacy” (ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b01600)

“Algorithm for Designing Nanoscale Supramolecular Therapeutics with Increased Anticancer Efficacy” (ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b00241)

“Reporter Nanoparticle That Monitors Its Anticancer Efficacy in Real Time” (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2016, DOI: 10.1073/pnas.1603455113)


Staff Sheehan


图片来源:C&EN


年龄:28

出生地:美国罗德岛州普罗维登斯

毕业院校:美国耶鲁大学

目前效力:Catalytic Innovations公司


人物小传


很多热血青年都怀揣着创业的梦想,而任重道远,坚持的过程总需要付出加倍的努力和艰辛。Staff Sheehan也是一名创业者,早年自学编程,在攻读研究生以前,他曾创办了两家编程技术公司。所以不难想象,如今28岁的他利用研究生阶段积累的电化学研究经验又创建了自己的研发公司Catalytic Innovations,大胆涉足催化研究领域。


早在高中时期,Staff Sheehan十分喜欢学习地球气候变化的相关知识,那时他了解到二氧化碳的日益排放所带来的温室效应将加剧全球的变暖速度,懵懂地希望自己可以发明一种有效转化二氧化碳的装置来解决这一问题。于是Staff Sheehan在步入波士顿学院开始本科的学习时,大学一年级便来到王敦伟教授的实验室,参与能源转化与存储的新型材料研究工作。研究生阶段,Staff Sheehan又师从美国耶鲁大学的Charles Schmuttenmaer教授,在其指导下以金包覆的纳米粒子改善染料敏化太阳能电池的性能,并利用这种电池设计人工光合作用。他还与Gary Brudvig和Paul Anastas教授合作发展了水分解催化剂高效催化水的析氧反应。


作为Catalytic Innovations公司的合伙人,Anastas十分欣赏Staff Sheehan,评价他拥有将基础科学研究转化为现实应用的超能力。如今创立了自己的公司,Staff Sheehan致力于研发用于金属冶炼与石油工业生产的电化学催化剂,并依托Strem化学试剂公司销售生产的铱催化剂。此外,他还希望实现太阳能燃料电池的商品化。他们设计的高效催化剂是太阳能燃料电池的核心组成部分,这种电池可仅以水和二氧化碳作为原料,在太阳能的作用下转化为燃料及其他高附加值的化学品。尽管目前他们发展的太阳能燃料转化装置在实验室条件下表现出卓越的性能,但受到种种因素的限制仍需开展进一步研究以扩大生产规模。


研究概览


图片来源:C&EN


Staff Sheehan设计了一种太阳能燃料转化装置,可借助太阳能转化产生的电子,分别利用两种电极催化剂将水和二氧化碳转化为乙醇燃料。他们还希望将这一模型商品化并进一步用于制备其他燃料和化学品。


三篇代表论文:

“Commercializing Solar Fuels within Today’s Markets” (Chem., 2017, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.06.003)

“A Molecular Catalyst for Water Oxidation That Binds to Metal Oxide Surfaces” (Nat. Commun., 2015, DOI:10.1038/ncomms7469)

“Selective Electrochemical Oxidation of Lactic Acid Using Iridium-Based Catalysts” (Ind. Eng. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.iecr.6b05073)



内容编译自:http://talented12.cenmag.org/


(本文由夜若岚尘供稿)


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