2022年最具影響力的科學突破和新興趨勢

　　在揮別2022，展望新的一年之際，CAS科學家團隊回顧了2022年最具影響力的科學突破，及其對2023年及未來的意義。歡迎您關注美國化學會微信公眾號(或點擊閱讀原文，訂閱CAS Insights)，讓我們幫助您在新的一年里隨時了解科技新興趨勢、新發現以及CAS對這些新科技的獨到見解。

　　太空探索的新時代

　　您一定記得我們的宇宙有多么的浩瀚，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡[1]發布的首張照片令人驚嘆。雖然人類已創建了有史以來技術最先進、功能最強大的望遠鏡，但了解宇宙仍將是未來幾代人的探索任務。最近，美國宇航局(NASA)的阿爾忒彌斯計劃[2](Artemis Program)啟動了最新的月球任務，這將為未來的火星探索鋪平道路。太空探索的新時代將推動航天及航天以外領域的技術進步，并激發材料科學、食品科學、農業甚至化妝品等在現實應用的進步。

　　人工智能預測的里程碑

　　幾十年來，科學界一直在尋求對蛋白質功能和3D結構之間關系的更深理解。2022年7月，DeepMind公司透露，使用AlphaFold2[3]、RoseTTAFold[4]和trRosettaX Single[5]算法，可以根據蛋白質分子的線性氨基酸序列預測折疊的3D結構[6]。這些算法的預測將沒有結構數據的人類蛋白質數量從4800個減少到只有29個。雖然人工智能預測蛋白質結構一直伴隨著挑戰，但預測蛋白質結構的能力對生命科學領域都具有重要意義。AI預測蛋白質結構的未來挑戰包括：對內在無序蛋白質[7]，以及通過翻譯后修飾或因環境條件改變而發生結構改變的蛋白質進行建模。除了蛋白質建模，人工智能的進步將繼續重塑眾多行業和學科的工作流程，擴展發現能力。

　　合成生物學的發展趨勢

　　合成生物學有可能通過使用工程生物系統(即微生物，其大部分基因組或整個基因組都已被設計或工程化改造)來制造一系列生物分子和材料(如治療劑、香料、織物、食品和燃料)，從而重新定義合成路徑。例如，可以在沒有豬胰腺的情況下生產胰島素，在沒有牛的情況下可以生產皮革，在沒有蜘蛛的情況下也可以生產蜘蛛絲。單是合成生物學在生命科學的潛力就令人驚嘆；而其還可應用于制造業，合成生物學可以最大限度地減少未來的供應鏈挑戰、提高效率，并以更可持續的方式為生物聚合物[8]或替代材料創造新的機會。如今，許多研發團隊使用基于AI的代謝建模、CRISPR工具和合成遺傳回路來控制代謝、控制基因表達和構建生物生產的路徑。隨著這一學科開始跨越多個行業，在2022年《生物技術雜志》的一篇文章[9]中展示了代謝控制和工程挑戰的最新進展和新趨勢。

　　單細胞代謝組學的研究即將起飛

　　雖然在基因測序和遺傳作圖方面取得了很大進展，但基因組學只告訴了我們細胞能做什么。為了更好地理解細胞功能，蛋白質組學和代謝組學方法為揭示分子譜和細胞代謝途徑提供了不同的角度。單細胞代謝組學提供了生物系統內細胞代謝的快照。其面臨的挑戰在于單細胞代謝組變化迅速，而樣本制備對于理解細胞功能至關重要。總之，單細胞代謝組學的一系列最新進展[10](包括開源技術、先進的AI算法、樣品制備和新形式的質譜)證明了進行詳細質譜分析的能力提升。單細胞代謝組學使得研究人員能夠逐個細胞地確定代謝物群體，將釋放巨大的診斷潛力。在未來，單細胞代謝組學可能會使我們能夠檢測生物體中單個癌細胞。結合新的生物標志物檢測方法、可穿戴醫療設備和AI輔助數據分析，單細胞代謝組學的一系列技術將改善診斷和生活。

　　新型催化劑可實現更綠色的化肥生產

　　每年，數十億人依賴化肥來生產糧食，減少化肥產生的碳足跡和成本將重塑農業對排放的影響。Haber Bosch化肥生產工藝將氮和氫轉化為氨。為了降低能源需求，東京理工大學的研究人員們[11]開發了一種不含貴金屬的氮化物催化劑[12]，該催化劑在氮化鑭載體上含有催化活性過渡金屬(Ni)，其在水分存在情況下很穩定。由于該催化劑不含釕，它為減少氨生產的碳足跡提供了一種廉價的選擇。La-Al-N載體以及活性金屬，如鎳和鈷(Ni, Co)，以類似于傳統金屬氮化物催化劑的速率產生NH3。請參閱我們之前的文章，了解有關可持續肥料生產的更多信息。

　　RNA療法的進展

　　雖然mRNA在新冠肺炎(COVID-19)疫苗中的應用受到了很多關注，但RNA技術的真正革命才剛剛開始。最近，一種新型多價核苷修飾mRNA流感疫苗已被開發出來[13]。這種疫苗有可能對20種已知的流感病毒亞型中的任何一種都建立免疫保護，并防止未來流感的爆發。許多罕見的遺傳病是mRNA療法的下一個目標，因為這些遺傳病往往缺少一種重要的蛋白質，而通過mRNA療法提供一種健康的蛋白質就可以被治愈。除了mRNA療法，現有臨床管線中還有許多RNA治療多種癌癥、血液和肺部疾病的候選方案。RNA具有高度靶向性、通用性和易定制性，因此適用于廣泛的疾病。請在我們最新的CAS洞察報告[14]中，進一步了解豐富的臨床管線和RNA技術的新興趨勢。

　　快速化合物骨架轉化

　　在合成化學中，安全地交換分子骨架中的單個原子或從分子骨架中插入和刪除單個原子的挑戰一直是艱巨的。雖然已經開發了許多方法通過外圍取代基使分子功能化(例如C-H活化)，但對有機化合物骨架進行單原子修飾的最早方法之一是由芝加哥大學的Mark Levin小組[15]開發。這使得吡唑和吲唑結構上的N–N鍵能夠被選擇性地斷裂，得到嘧啶和喹唑啉。骨架編輯方法的進一步發展將使商業上可用的分子迅速變得多樣化，這將使我們能夠更快地發現功能性分子和理想的候選藥物。

　　促進肢體再生

　　預計到2050年，每年會有超過360萬人遭受失去肢體的影響。在很長的一段時間里，科學家們認為肢體再生的唯一最大關鍵是神經的存在。然而，Muneoka博士及其團隊所做的工作證明了機械負荷[16]對哺乳動物手指再生的重要性，而且神經的缺失不會抑制短肢再生。塔夫茨大學(Tufts University)的研究人員也取得了肢體再生的研究進展，他們通過使用一個可穿戴的生物反應器進行敏感多藥遞送[17]，成功實現了青蛙的長期肢體再生。這一初步的成功可能會為人類帶來更大、更復雜的組織再造的進展，最終使退伍軍人、糖尿病患者和其他遭受截肢和創傷影響的人們受益。

　　核聚變通過點燃產生更多凈能量

　　核聚變是為太陽和恒星提供能量的過程。幾十年來，理論上在地球上復制核聚變作為能源的想法可以滿足地球未來的所有能源需求。目標是迫使輕原子發生劇烈的碰撞，使它們融合并釋放出比消耗的更多的能量。然而，克服正原子核之間的電荷斥力需要高溫和高壓。一旦被克服，核聚變會釋放大量能量，這也會推動附近原子的核聚變。先前的聚變嘗試使用了強磁場和強激光，但無法產生比消耗的更多的能量。

　　據勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)[18]點火設施的研究人員報道，該團隊能夠啟動核聚變，利用2.05兆焦耳的激光產生3.15兆焦耳的能量。雖然這是一個巨大的突破，但為我們的電網供電的核聚變工廠的實際運行可能仍需要幾十年的時間。在實現這一目標之前，必須解決一些重大的實施障礙(可擴展性、工廠安全、產生激光所需的能量、浪費的副產品等)。然而，點燃核聚變的突破是一個重要的里程碑，它將以這一成就為基礎，并為未來的發展鋪平道路。

　　Reference:

　　[1] https://jwst.nasa.gov/

　　[2] https://www.nasa.gov/specials/artemis/

　　[3] https://www.deepmind.com/blog/alphafold-reveals-the-structure-of-the-protein-universe

　　[4] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8754

　　[5] https://www.nature.com/articles/s43588-022-00373-3

　　[6] https://www.nature.com/articles/d41586-022-02083-2

　　[7] https://www.cas.org/resources/cas-insights/drug-discovery/intrinsically-disordered-proteins-covid-19

　　[8] https://www.cas.org/resources/cas-insights/sustainability/bio-based-polymers-green-alternative-traditional-plastics

　　[9] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958166922000581

　　[10] https://www.nature.com/articles/s41592-021-01333-x

　　[11] https://www.sciencedaily.com/releases/2022/10/221019172229.htm

　　[12] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211759

　　[13] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36423275/

　　[14] https://www.cas.org/resources/cas-insights/drug-discovery/rna-medicines

　　[15] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c09616

　　[16]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012160622000501?via%3Dihub

　　[17] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8791464/

　　[18] https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition