2022年最具影响力的科学突破和新兴趋势

科研共进社

在挥别2022，展望新的一年之际，CAS科学家团队回顾了2022年最具影响力的科学突破，及其对2023年及未来的意义。欢迎您关注美国化学会微信公众号(或点击阅读原文，订阅CAS Insights)，让我们帮助您在新的一年里随时了解科技新兴趋势、新发现以及CAS对这些新科技的独到见解。

太空探索的新时代

您一定记得我们的宇宙有多么的浩瀚，詹姆斯·韦伯太空望远镜^[1]发布的首张照片令人惊叹。虽然人类已创建了有史以来技术最先进、功能最强大的望远镜，但了解宇宙仍将是未来几代人的探索任务。最近，美国宇航局(NASA)的阿尔忒弥斯计划^[2](Artemis Program)启动了最新的月球任务，这将为未来的火星探索铺平道路。太空探索的新时代将推动航天及航天以外领域的技术进步，并激发材料科学、食品科学、农业甚至化妆品等在现实应用的进步。

人工智能预测的里程碑

几十年来，科学界一直在寻求对蛋白质功能和3D结构之间关系的更深理解。2022年7月，DeepMind公司透露，使用AlphaFold2^[3]、RoseTTAFold^[4]和trRosettaX Single^[5]算法，可以根据蛋白质分子的线性氨基酸序列预测折叠的3D结构^[6]。这些算法的预测将没有结构数据的人类蛋白质数量从4800个减少到只有29个。虽然人工智能预测蛋白质结构一直伴随着挑战，但预测蛋白质结构的能力对生命科学领域都具有重要意义。AI预测蛋白质结构的未来挑战包括：对内在无序蛋白质^[7]，以及通过翻译后修饰或因环境条件改变而发生结构改变的蛋白质进行建模。除了蛋白质建模，人工智能的进步将继续重塑众多行业和学科的工作流程，扩展发现能力。

合成生物学的发展趋势

合成生物学有可能通过使用工程生物系统(即微生物，其大部分基因组或整个基因组都已被设计或工程化改造)来制造一系列生物分子和材料(如治疗剂、香料、织物、食品和燃料)，从而重新定义合成路径。例如，可以在没有猪胰腺的情况下生产胰岛素，在没有牛的情况下可以生产皮革，在没有蜘蛛的情况下也可以生产蜘蛛丝。单是合成生物学在生命科学的潜力就令人惊叹；而其还可应用于制造业，合成生物学可以最大限度地减少未来的供应链挑战、提高效率，并以更可持续的方式为生物聚合物^[8]或替代材料创造新的机会。如今，许多研发团队使用基于AI的代谢建模、CRISPR工具和合成遗传回路来控制代谢、控制基因表达和构建生物生产的路径。随着这一学科开始跨越多个行业，在2022年《生物技术杂志》的一篇文章^[9]中展示了代谢控制和工程挑战的最新进展和新趋势。

单细胞代谢组学的研究即将起飞

虽然在基因测序和遗传作图方面取得了很大进展，但基因组学只告诉了我们细胞能做什么。为了更好地理解细胞功能，蛋白质组学和代谢组学方法为揭示分子谱和细胞代谢途径提供了不同的角度。单细胞代谢组学提供了生物系统内细胞代谢的快照。其面临的挑战在于单细胞代谢组变化迅速，而样本制备对于理解细胞功能至关重要。总之，单细胞代谢组学的一系列最新进展^[10](包括开源技术、先进的AI算法、样品制备和新形式的质谱)证明了进行详细质谱分析的能力提升。单细胞代谢组学使得研究人员能够逐个细胞地确定代谢物群体，将释放巨大的诊断潜力。在未来，单细胞代谢组学可能会使我们能够检测生物体中单个癌细胞。结合新的生物标志物检测方法、可穿戴医疗设备和AI辅助数据分析，单细胞代谢组学的一系列技术将改善诊断和生活。

新型催化剂可实现更绿色的化肥生产

每年，数十亿人依赖化肥来生产粮食，减少化肥产生的碳足迹和成本将重塑农业对排放的影响。Haber Bosch化肥生产工艺将氮和氢转化为氨。为了降低能源需求，东京理工大学的研究人员们^[11]开发了一种不含贵金属的氮化物催化剂^[12]，该催化剂在氮化镧载体上含有催化活性过渡金属(Ni)，其在水分存在情况下很稳定。由于该催化剂不含钌，它为减少氨生产的碳足迹提供了一种廉价的选择。La-Al-N载体以及活性金属，如镍和钴(Ni, Co)，以类似于传统金属氮化物催化剂的速率产生NH3。请参阅我们之前的文章，了解有关可持续肥料生产的更多信息。

RNA疗法的进展

虽然mRNA在新冠肺炎(COVID-19)疫苗中的应用受到了很多关注，但RNA技术的真正革命才刚刚开始。最近，一种新型多价核苷修饰mRNA流感疫苗已被开发出来^[13]。这种疫苗有可能对20种已知的流感病毒亚型中的任何一种都建立免疫保护，并防止未来流感的爆发。许多罕见的遗传病是mRNA疗法的下一个目标，因为这些遗传病往往缺少一种重要的蛋白质，而通过mRNA疗法提供一种健康的蛋白质就可以被治愈。除了mRNA疗法，现有临床管线中还有许多RNA治疗多种癌症、血液和肺部疾病的候选方案。RNA具有高度靶向性、通用性和易定制性，因此适用于广泛的疾病。请在我们最新的CAS洞察报告^[14]中，进一步了解丰富的临床管线和RNA技术的新兴趋势。

快速化合物骨架转化

在合成化学中，安全地交换分子骨架中的单个原子或从分子骨架中插入和删除单个原子的挑战一直是艰巨的。虽然已经开发了许多方法通过外围取代基使分子功能化(例如C-H活化)，但对有机化合物骨架进行单原子修饰的最早方法之一是由芝加哥大学的Mark Levin小组^[15]开发。这使得吡唑和吲唑结构上的N–N键能够被选择性地断裂，得到嘧啶和喹唑啉。骨架编辑方法的进一步发展将使商业上可用的分子迅速变得多样化，这将使我们能够更快地发现功能性分子和理想的候选药物。

促进肢体再生

预计到2050年，每年会有超过360万人遭受失去肢体的影响。在很长的一段时间里，科学家们认为肢体再生的唯一最大关键是神经的存在。然而，Muneoka博士及其团队所做的工作证明了机械负荷^[16]对哺乳动物手指再生的重要性，而且神经的缺失不会抑制短肢再生。塔夫茨大学(Tufts University)的研究人员也取得了肢体再生的研究进展，他们通过使用一个可穿戴的生物反应器进行敏感多药递送^[17]，成功实现了青蛙的长期肢体再生。这一初步的成功可能会为人类带来更大、更复杂的组织再造的进展，最终使退伍军人、糖尿病患者和其他遭受截肢和创伤影响的人们受益。

核聚变通过点燃产生更多净能量

核聚变是为太阳和恒星提供能量的过程。几十年来，理论上在地球上复制核聚变作为能源的想法可以满足地球未来的所有能源需求。目标是迫使轻原子发生剧烈的碰撞，使它们融合并释放出比消耗的更多的能量。然而，克服正原子核之间的电荷斥力需要高温和高压。一旦被克服，核聚变会释放大量能量，这也会推动附近原子的核聚变。先前的聚变尝试使用了强磁场和强激光，但无法产生比消耗的更多的能量。

据劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)^[18]点火设施的研究人员报道，该团队能够启动核聚变，利用2.05兆焦耳的激光产生3.15兆焦耳的能量。虽然这是一个巨大的突破，但为我们的电网供电的核聚变工厂的实际运行可能仍需要几十年的时间。在实现这一目标之前，必须解决一些重大的实施障碍(可扩展性、工厂安全、产生激光所需的能量、浪费的副产品等)。然而，点燃核聚变的突破是一个重要的里程碑，它将以这一成就为基础，并为未来的发展铺平道路。

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

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