近日，美国化学会（ACS）旗下的C&EN网站评选出了2015年化学领域最受瞩目的研究成果。本刊特编译此文以飨读者。
可注射的柔性电子电路
将电子电路植入大脑中以测量其电信号或传递激发脉冲听起来很危险。但2015年哈佛大学的研究人员开发出一种有潜力的微创方法来安全地用注射方法在脑组织中植入电子电路。美国食品和药物管理局（FDA）已经批准了在大脑植入医疗仪器来产生电脉冲，以治疗帕金森氏症和其他神经性疾病。但这些设备不像脑组织那样具有柔性，因此，当脑组织在颅骨中推挤时，这些植入的仪器就会与脑组织发生摩擦，从而引发有害的免疫反应，并导致在该装置的电极周围产生疤痕。随着时间的推移，这种疤痕组织会减少植入物的有效性。6月，哈佛大学的Charles M. Lieber及其同事报告了一种厘米尺度的网状电极，使这种仪器的柔性比之前报道的提高了100万倍。这种网状电极有0.8微米厚，由金线被基于环氧树脂的生物相容的高分子聚合物包裹而成。研究人员很容易地将这种物质吸入注射器中，并将它们注入老鼠大脑里。该研究小组在注射后至少一个月后都未观察到小鼠发生免疫反应的迹象。8月，Lieber和同事又报道了一种可控制的注射方法，可以允许这种柔性网状电极在脑组织中展开；他们还公开了一种方法，利用可打印的导电墨水在脑外连接这些网状电极，来监测和控制脑内的电子设备。
敏感试剂的特别包装
对于那些不得不经常在手套箱中使用各种敏感试剂的化学家来说，2015年可能是个幸运年。麻省理工学院的Stephen L. Buchwald领导的研究小组报告了一个简单的方法，利用具有防护性能的石蜡胶囊来包装预先测量好剂量的对空气和湿气敏感的化学品。当这些胶囊充满化学品后，可以存储在手套箱外，需要时放入反应容器即可。当其置于反应混合物中并被加热后，融化的胶囊就会释放出其中的化学品。惰性的石蜡可以通过过滤或色谱法处理除去，不会干扰反应。开发出这个方法的博士后研究员Aaron C. Sather说，创建这种胶囊很容易：将一个玻璃搅拌棒的一端插入熔化的石蜡中蘸几次就可以制造一个一端密封的空心管。当蜡胶囊冷却后，就可以从玻璃棒上取下来，在其中放入试剂，再用加热的金属刮刀将另一端蜡管密封。MIT的研究小组发现，该胶囊可以在某些情况下在工作台上放置一年多，甚至能一整夜泡在水里而不会失去效力。当前还没有公司销售这种胶囊，Buchwald希望早日看到它们的商业化。
给酵母“编程”，实现阿片类药物的全合成
对于那些改造酵母来制造吗啡和相关生物碱的研究人员来说，2015年也是具有里程碑意义的一年——连接先前已知的几条生物合成途径所需的酶终于确定。首先，康考迪亚大学Vincent J. J. Martin和加州大学伯克利分校John E. Dueber领导的团队报告了这个生物合成途径的前后两部分。Martin的团队设计的酵母可以从该途径的一个中间产物(R)-reticuline生产吗啡的直接前体可待因。然后Martin和Dueber的团队合作，继续改造酵母，使之通过一个多步骤过程将葡萄糖转化为(R)-reticuline的前体(S)-reticuline。为实现这一转换，他们需要找到能够有效将酪氨酸转换为L-DOPA以完成从葡萄糖转化为(S)-reticuline的酶。然后就只剩下从(S)-reticuline转化为(R)-reticuline这一唯一未实现步骤了。
２０１５年晚些时候多个研究小组报道他们完成了这最后一关。约克大学的Ian A. Graham和他的同事确定了罂粟用以转化(S)-reticuline为(R)-reticuline的酶。这个酶具有两个模块：一个是细胞色素P450，使(S)-reticuline氧化为1,2-dehydroreticuline；另一个是氧化还原酶，未完成转换到(R)-reticuline的最后一步。２０１５年８月，斯坦福大学的Christina D. Smolke和她的同事报道了阿片类药物在酵母内的完整的生物合成过程，包括独立地找到一个转换(S)-reticuline为(R)-reticuline的融合蛋白。Smolke团队利用了来自植物、哺乳动物、细菌和酵母的超过20种酶组成了整个通路。这个完整合成阿片类药物的途径的建成，造成人们对潜在的“家酿”此类药物的担忧，并导致一些专家呼吁加强政策监督和保障措施。但是生物工程师指出，要达到用酵母有效的生产鸦片，还有许多工作要做。
能定制合成分子的神奇机器
２０１５年出现了一种新型的自动合成仪，一按下按钮，就可以合成范围广泛的药物、分子探针和分子电子元件。伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的Martin D. Burke和同事发明的这种奇特的机器，可采用通用的化学反应来将模块化的分子组件装配成所需的目标有机分子。Revolution Medicines公司已经进一步改进了技术，并利用它来进行药物发现。“合成和纯化小型有机分子仍难以实现自动化，”名古屋大学的伊丹健一郎评价说。“几乎所有的合成化学家，包括我自己，一直梦想着要实现这一点，因为它会提供显著的机会来快速识别功能小分子。”Burke的合成机器使用的是其研究小组开发出的含有甲基亚氨基二乙酸保护的硼酸（MIDA ）的有机砌块，被称为MIDA硼酸化合物。目前有超过100种MIDA硼酸化合物可以在市场上买到。通过迭代的几轮铃木-宫浦交叉偶联反应，即钯催化的C-C键形成反应，该团队可以将一个硼酸化保护的MIDA模块添加到另一个模块上以装配目标分子。在每一步中，中间化合物通过固定在硅胶上得以纯化，洗去过量的试剂和副产物，并为下一个合成步骤释放该中间体。该研究小组已使用这个系统合成出很多种化合物，包括复杂的大环和多环的天然产物。该平台的持续发展“将推动它支持直接化学品多样化的能力，从而产生高度复杂的化合物用于药物发现，”Burke说。
大放异彩的镍催化剂
过渡金属催化的反应在有机合成中非常成功，特别是用于交叉偶联构造碳-碳和碳-杂原子键。钯催化剂已经普遍应用在这些反应中，但化学家们更有兴趣将催化剂换成储量更丰富、成本较低的金属，如铁、镍和其他周期表第一行金属。在2015年，镍继续在这个角色上熠熠生辉——化学家们利用它来催化更广泛范围的反应。比如，Dalhousie大学的Mark Stradiotto和同事报道了第一例镍催化的氨的芳基化反应合成胺。研究人员使用空气中稳定的Ni(cyclooctadiene)2或NiCl2(dimethoxyethane)与被称为JosiPhos的二茂铁基膦配体以将取代的芳基和杂芳基溴化物、氯化物和甲苯磺酸酯与氨连接起来，合成出多种芳基胺和杂芳基胺。在另一个例子中，以Kendall N. Houk和Neil K. Garg为首的加州大学洛杉矶分校的团队开发出了镍环辛/ N-杂环卡宾催化剂，可以切割和活化比较惰性的酰胺基团。Garg的团队利用这个技术第一次实现了通过一种酰胺衍生物作为交叉偶联的一部分的镍催化的铃木-宫浦反应。
研究人员还发现了结合镍催化剂与其他的催化剂进行的新的化学合成方法。例如，罗切斯特大学的Daniel J. Weix和他的研究小组报告了结合一种可与芳基溴化物反应的镍双吡啶催化剂和另一种能与芳基三氟甲磺酸酯反应的钯膦催化剂的反应。这导致了一个令人惊讶的结果：这是第一个通用的从两个不同的芳基亲电化合物直接合成非对称联芳基化合物的方法。“如今使用镍是非常有利的，”勃林格殷格翰制药公司的化学研发副总裁Chris H. Senanayake说。“在工业过程化学中，正在发生一个巨大的转变，从钯催化转化成非贵金属催化。”
3D打印迈入新维度
多产化学家和发明家Joseph M. DeSimone和他的新公司Carbon3D，在2015年3月的时候成为新闻热点。他们推出了一个似乎可以从液态树脂池中拉出完全成形的物体的3D打印仪器，包括一个小型塑料的艾菲尔铁塔。该公司的设备能够以比常规的利用2D层堆叠的3D打印机快100倍的速度打印3D物件。另一部分原因来自DeSimone宣称，该技术的灵感来自1991年的电影“终结者2”中的液体金属机器人“T-1000”。但Carbon3D的核心科学不是机器人技术，而是化学反应。该公司的３Ｄ打印机在树脂池内创建出一个能发起聚合反应的平面。这个平面不是一个物理对象，而是在一个可以精确控制氧浓度和图案化的紫外光来固化液态树脂。氧气和UV光通过池下面的特氟隆窗口穿透进入树脂；图案化的UV光控制打印部件的形状，从一个平台向上把部件拉出来。总体而言，该过程能够用各种各样的材料，从柔性弹性体到硬塑料，进行连续固化。有了这些进步，Carbon3D旨在从根本上改变3D打印。“我们相信一个用光加工产品的未来，”DeSimone说，“这只能通过熟练地结合硬件、软件和分子科学来实现。”
原子厚度的薄膜快速发展
只有几个原子厚或更小的薄膜材料，预计将用在新一代更小更快的电子设备和更强大的能量储存设备中。２０１５年，研究人员在研发制备这种称为二维材料的原子厚度薄层材料的方法上取得了重要进展。德州大学奥斯汀分校的Deji Akinwande和意大利国家研究委员会的Alessandro Molle领导的研究团队研发出了由单层硅原子作为通道构成的场效应晶体管。该团队在银支持物上制备这种被称为硅烯（silicene，与石墨烯相似）的二维膜，并在其上盖上氧化铝的保护层。同时，在西北大学，Mark C. Hersam和他的同事展示了一种方法，可以产生大量的超薄黑磷薄片，这是炙手可热的半导体材料。该团队表示，通常用于分离薄片的缓慢手动方法，可以被在无水溶剂中对黑磷施加超声波的更快方法所替代。另外，德雷克塞尔大学的Yury Gogotsi和Michel W. Barsoum领导的研究团队报告了比之前报道的更大的一系列结实灵活的2D过渡金属碳化物和氮化物（称为MXenes）。2015年初，科学家们知道大概70种MXenes含有一种过渡金属。德雷克塞尔大学的这个团队预测了包含两种不同的过渡金属的26种或更多的MXenes系列新的稳定化合物，包括他们合成的Mo2TiC2Tx等，T代表OH、O和F的表面终端。
在污垢中挖掘出的杀菌神器
医生开的处方中，许多抗生素都是来自于土壤中的微生物产物。但在环境中只有约1％的微生物能够在实验室培养皿中生长，其它的99％被认为是不可培养的。为了挖掘这一宝藏，美国东北大学的生物学家Kim Lewis领导的团队开发出了一种新的可以诱使非培养性细菌生长的筛选方法。Lewis和他的团队将少量细菌加入被称为iChip的一个培养装置中，并将其夹在两个半透膜之间，然后将这一套装置在土壤中放置一两个星期。使用这种方法，研究人员发现了一种被称为teixobactin的抗菌化合物。这种大环缩酚酸肽化合物代表了一类新的细菌大杀器，因为它是革兰氏阳性病原体的有力杀手，并且对小鼠体内的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌也很有效。虽然有少数几种新的抗生素正处于研发阶段，但新类别的抗生素最近一次被FDA批准还要追溯到1997年的Sirturo（bedaquiline）。Lewis的团队报告说，teixobactin的新抗菌机理行动使得细菌很难产生耐药性。“我们已经将teixobactin给了很多实验室，其中包括专门研究抗药突变的实验室。到目前为止没有发现抵抗这种抗生素的突变，”Lewis说。目前，该化合物处于NovoBiotic Pharmaceuticals公司的临床前开发过程中，该公司也参与了该化合物的发现过程。
控制转基因生物
转基因生物是公认的用于生产酸奶、丙二醇和胰岛素等的主力，它们的应用目前仅限于实验室和工厂。然而，转基因细菌可能有一天会被投入到更接近人们日常生活的地方，比如对抗胃肠道疾病的肠道益生菌或清理漏油的微型清洁工。但是，研究人员需要可靠的策略来严格控制这些合成生物，并在它们的工作结束后消灭它们，以防止它们或其合成的基因不受控制地逃逸到环境中。2015年以来，转基因生物控制领域取得了一些重要进展。2015年1月，由哈佛医学院的George M. Church和耶鲁大学的Farren J. Isaacs带领的团队改变了大肠杆菌的DNA，使这种细菌需要合成的特殊氨基酸才能生产其必需的蛋白质。新的大肠杆菌对合成氨基酸的依赖性将使这种转基因生物在实验室外几乎无法生存，因为这种合成氨基酸并不存在于自然界。这种创新的策略在技术上其实很难实现，因为研究人员需要重新设计转基因生物大部分最重要的蛋白质，使它们依赖于合成的氨基酸。与此同时，12月初麻省理工学院的James J. Collins及其同事们报告了一个可能是更快更容易实现的替代控制策略：“死亡开关”，可以添加到转基因生物的两个新的基因通路，这些通路保证转基因生物的生长和生存仅在化学品的特定组合的存在下实现。
有孔的液体
2015年开发的一种新型的材料是具有永久多孔性质的液体，它结合了多孔固体和连续液体的优点。它是由贝尔法斯特女王大学的Stuart James和同事所开发，如果成本合理，有望用于通过大小来分离气体混合物以及催化化学过程。多孔固体（如沸石）在分离分子和催化过程中的作用已被无数实验证明，但它们作为固体缺乏流动性，不能很容易地流过管道或在表面上铺展开来，这限制了它们的应用。液体有流动性，但它们通常不带孔洞。液体有分子间的空间，但这些空间很小。大的空隙，比如气泡，一旦被吹入一般液体，就会迅速消散，很难持久。新多孔液体通过1,3,5-triformylbenzene与一种或两种二胺偶合，以及将这种中空有机笼状分子溶解在溶剂中而成。笼子开口小到可以阻止溶剂分子进入或阻塞，以确保液体的孔隙率。在他们的初步努力中，这些研究者们用triformylbenzene和冠醚官能化二胺合成了一个笼子。这种二胺在笼表面覆盖了许多冠醚基团，使其溶于冠醚溶剂。这种多孔液体很粘稠，难以合成。所以利物浦大学的合作者Andrew I. Cooper和Rebecca L. Greenaway利用triformylbenzene和两个简单的烷基二胺以及六氯丙烯溶剂做出了第二个版本。得到的液体具有较低粘性，更容易合成。最早用表面功能化的中空胶体二氧化硅纳米颗粒来设计纳米孔径液体的橡树岭国家实验室的Sheng Dai评论说，James组的多孔液体“将对于我们认识孔隙率开辟出新的前沿领域。”
电子显微镜提供前所未有的特写
由于具有超过100万倍放大的能力，透射电子显微镜（TEM）对于研究原子尺度的结构和组成的化学家、生物学家和材料科学家是一个不可缺少的工具。2015年，TEM通过为研究人员以前所未见的详细程度提供复杂的生物分子和胶体粒子的结构显示出它的力量。例如，科学家们通过冷冻电镜（这种TEM技术涉及冷冻和对不能结晶样品的分析）报告了生物分子结构测定的突破。法国国家科学研究中心的Irina Gutsche为首的一个研究团队确定了一种包裹和保护麻疹病毒的蛋白质外壳的三维结构。这一结果可能会导致新类型的抗病毒药物用于麻疹等疾病。研究人员还用这种方法来观察那些只在比常规的X射线晶体学图像所需尺度小一百万倍的尺度下结晶的生物分子。霍华德·休斯医学研究所的Janelia Farm的TamirGonen、加州大学洛杉矶分校的David S. Eisenberg和同事使用了一种叫做microED的基于TEM的技术来分析在帕金森氏病中发挥关键作用的突触核蛋白的两种肽的微小聚集状态。在另一条战线上，由加州大学伯克利分校的A. Paul Alivisatos和 Alex Zettl带领的一个研究小组发展了为在液体中运动的微小颗粒生成3D图像的方法，这种过程通常很难进行高分辨率成像。该团队将铂粒子的液滴捕获在纳米石墨烯的泡沫中，并记录在单个胶体粒子的短暂曝光图像。然后，他们应用了计算技术来进行随机运动粒子的3D重建。早期纳米粒子的成像依赖于固定样本，由于该方法可以用来研究处于本来状态的胶体粒子，为探测催化和材料合成中的粒子动力学提供了一个直接手段。