的大问题是什么下一代的化学家的工作吗?马克Peplow占用发出挑战
我们选择在这个十年登上月球和做其他的事情,不是因为他们很容易,而是因为它们困难;因为这一目标将组织和测量最好的精力和技能。肯尼迪总统1962年的警界线阿波罗计划提出了一个惊人的视力,动员史上最大的科学技术工作。就重大挑战,很难被击败的。
大胆的创新项目与肯尼迪才开始,虽然——阿波罗是加入一个悠久的传统。当英国政府提供经度奖在1714年,例如,它刺激于海洋计时器的发展前所未有的准确性。1900年,德国数学家大卫希尔伯特议程设置在他的领域长达一个世纪当他提出23“数学游戏”。比尔盖茨的灵感来源于希尔伯特当他建立了一个列表的全球健康的重大挑战2003年,科学家提供近十亿美元的比尔和梅林达•盖茨基金会来解决它们。
一个大的挑战比言辞拯救生命必须更进一步,拯救环境或省钱
“大挑战”的概念已经成为几乎无处不在的科学资助者”组合在过去的二十年里,覆盖广泛的主题从机器人汽车漏油。这些大型跨学科项目也非常流行,尤其是因为他们可以说服政府提供额外的研究经费,说本•马丁科学政策在英国苏塞克斯大学的研究员。
化学的重大挑战是什么?这些不需要——最哲学的深刻的问题化学生命起源例如——但他们应该导致答案,可以显著提高人类福祉的总和。大挑战不仅仅是仅有的问题列表,他们应该有一个雄心勃勃的但现实途径可以实现的目标。和一个大的挑战必须更进一步比言辞拯救生命,拯救环境或省钱——他们应该有命令的政治支持,持续吸引资金和捕捉公众的想象力。这些普遍存在的复杂性,全球性挑战可能需要成百上千的研究人员走出他们的工作和正常模式加入部队跨学科和大陆。
那么,这里有五个化学的重大挑战。两个重叠(巧合)重大举措被支持的工程和物理科学研究委员会(EPSRC)。几个与更广泛的社会一致的挑战在2009年皇家化学学会的《报告必威手机登陆化学为明天的世界。有些人可能会在十年内被征服;别人看起来像一个遥远的梦。和列表肯定是不确定的——毕竟,怎么能这样一个简短的总结包括所有化学科学可以实现吗?相反,它提供了一个了解的一些方式化学可以使世界变得更美好,一个分子。肯尼迪说:“通过定义我们的目标更清晰,使它看起来更易于管理和更少的遥远,我们可以帮助各国人民看到它,画出希望,并正势不可挡地移动它。”
构建一个合成机
你模仿细胞受体,组装分子的名单,可以适合活跃的站点。你在电脑上画的结构,顶部的试剂容器在机器旁边。末:你闪烁的绿色按钮,和回家。早上,半打小瓶充满清澈液体正在等待你机器的分配架。时间运行这些绑定化验…
我们的目标是使分子的能力需求
理查德•惠特比
要是那么容易。自动将彻底改变化学合成,但是它需要一些巨大的突破,让它成为现实。它需要一个组合的反应快速和可靠地工作在几乎定量收益率没有麻烦的副产品。这些反应顺序应该运行,在连续流动条件下,加速有效的催化剂。也许最有挑战性的是,我们需要大大提高我们对化学反应的理解,这样一个计算机程序可以绘制出最有前途的合成路线和等级标准,如原子经济和整体收益。
许多研究小组正在研究这个谜题的一部分,但EPSRCDial-a-Molecule大挑战,始于2010年,使他们在一起成一个统一的,跨学科的努力。我们的目标是使分子的能力需求,”说理查德•惠特比在英国南安普顿大学的领导的挑战。这是为数不多的重大挑战,我们没有抄袭美国,”他补充道。“我们领先他们或者我们错了。”
的一个关键的挑战是引发文化化学家的工作方式的转变,使其成为更多的数据驱动的纪律。而不是关于产品作为主要输出的反应,真正的奖应该可以收集的数据来解释为什么它——或者,在大多数情况下,不工作,惠特比说。电子笔记本电脑获取大量数据的一种方式,和另一个是机械化。
流化学,例如,提供关闭控制反应条件和原位监测。在一天下午,一个学生可以完整的反应动力学参数,使用传统方法可能需要几天。,能够快速优化反应条件,可以很快产生大量的类似物。的手工这样做是非常困难的,因为人类固有的可变性化学家,”惠特比说。他指出一些学科在生物学已经发生了根本性的变化在过去的十年里,拥抱大数据,在快速进步,也付清了。相比之下,大多数化学的数据仍然隐藏在潦草的便条,甚至永远不会收集。“我们需要改变我们做合成的方式,”他说。
它将需要几十年的时间来形成一个合成机。只是试图开发这些技术,改变了化学家们研究他们的反应,本身就是一个终结,惠特比说:“任何步骤,有巨大的好处。”
预测未来
物理科学持续的丑闻之一是,它仍然是一般无法预测的结构甚至最简单的知识的结晶固体的化学成分,”写了自然1988年主编约翰·马多克斯。就在十年后,剑桥晶体数据中心(CCDC)推出了首个晶体结构预测的盲目的测试刺激Maddox进程的目标。中国疾控中心邀请团队预测各种有机分子的结构,但未发表的,晶体结构。现在准备明年其第六个比赛,盲人测试是最接近一个巨大的挑战。
化学的固体形态非常不同的性质取决于它的晶体结构,”解释了中国疾控中心的David Bardwell坐标测试。“制药行业面临的一个难题。的溶解性不同的晶体多晶型物有不同,例如,可影响药物是如何被人体吸收或生产过程复杂化。预测可能的多晶型物发生之前就可以帮助解决这些问题。近年来,我们已经取得了飞跃性的进步,至少对于更小、更刚性分子,“Bardwell说。但更大、更灵活的分子——包括许多制药仍然构成一个巨大的挑战。有时可能数以百计的结构可以有晶格能量非常接近晶体的热力学最小。
团队使用范围广泛的技术,但他们通常首先计算最低的原子排列和债券在一个分子。然后他们包装这些(制作)分子在尽可能多的合理的方式,占所有分子间的相互作用,并将它们排序根据匹配实际结构的机会。
有成千上万的方式,一种可以折叠的蛋白质
哈罗德Scheraga
把更多的计算能力并不总是答案的问题。“这是变得越来越聪明,”Bardwell说。限制的模型最常见的230个晶体空间组织可以缩小选项,可以测量数据库的已知晶体结构发现模式通常采用分子的官能团。现在,结构生成这种方式可以提供有用的信息,科学家们理解模型的局限性,Bardwell说,但他们不能依赖毫无疑问地。占溶剂相互作用提供了一个途径提高预测,他补充道。
处理通过所有这些可能的晶体结构可能为小分子,但它是完全不切实际的蛋白质。有成千上万的方法,一种蛋白质可以折叠,”说哈罗德Scheraga美国纽约州康奈尔大学。
准确预测蛋白质结构已成为药物开发的关键目标。结构可能会给蛋白质功能的线索,和研究人员可以模具药品候选人适合蛋白质受体的结合位点,为例。了解蛋白质折叠也可以揭示疾病的机制,因为任何改变结构可以大大改变其功能,只是觉得错误折叠蛋白的影响与阿尔茨海默氏症。
领先的方法来预测蛋白质折叠依靠分子动力学,模拟蛋白质的原子如何应对周围的各种力量,因为他们适应他们的最低安排。粗粒度模型可以简化任务,通过平均氨基酸侧链的可能方向,和之间的肽组每届α碳。
主要竞争对手来测试这些方法是蛋白质结构预测技术的关键评估自1994年以来,每两年举行一次。结构的最新竞争是非常准确的,说Scheraga,但是他们没有足够可靠合理药物设计。我认为我们有一个很好的主意怎么做,现在是一个炼油产量的问题。
处理二氧化碳
仪器在夏威夷的莫纳罗亚山记录了大气二氧化碳浓度自1958年以来,当水平平均大约316 ppm (ppm)。今年5月,水平超过400 ppm几百万年来第一次,他们不太可能很快停止上升。随着大气中的温室气体积累,以当前的速度加速全球变暖,地球的气候将根本性地改变了本世纪末。
遏制人为二氧化碳排放,我们必须减少我们对化石燃料的依赖,转向可再生能源(见下文)。我们还可以捕捉二氧化碳从发电厂的流感,或者夺取它直接从大气中,泵多孔岩层深处停止它导致了温室效应。但是为什么不把麻烦的气体到一些有用的东西吗?
CO2Chem化学,EPSRC的另一个重大挑战,重点是碳捕捉和利用。其目标是减少排放,并将二氧化碳转换为有用的化工原料和燃料。是把化学工业对化石燃料的依赖,”说彼得Styring英国谢菲尔德大学的领导。
第一个挑战就是捕获气体。目前使用溶剂,如单乙醇胺(MEA)与二氧化碳反应约50°C形成氨基甲酸酯。分离,加热到120°C氨基甲酸分解,释放出二氧化碳和再生意味着。温度波动使得能源密集型和昂贵的过程。如果你改造的电力设施,它消耗约30%的输出功率的植物,“Styring说。
化学家开发替代品意味着正在寻找低成本的材料,减少能源需求,而选择性地吸收大量的气体。有些人使用定制的毛孔有机框架(mof)抓住二氧化碳分子,而另一些则将其纳入矿物建筑材料中使用。Styring说,离子液体都很有希望,因为他们很容易调整温度降到最低swing用于捕获和释放二氧化碳。原则上,应该甚至可以将催化剂,将废气转化成有用的产品,如碳氢化合物,这将更容易被释放。Styring的团队计划明年碳捕获单元设置演示使用1公斤的离子液体。
任何国家,这项技术将成为自给自足的燃料
彼得Styring
离子液体的主要缺点是成本高。可以减轻一些如果二氧化碳成为了一个碳原料的选择各种各样的化学过程。它已经用于生产尿素、水杨酸和2011年冰岛公司碳回收国际开始使用地热能将天然气转化为甲醇,每年生产200万升左右。拜耳材料科学开发了一个过程将二氧化碳转化为用于生产聚氨酯多元醇。巴斯夫正在做相同的聚碳酸酯。
扩大使用二氧化碳的关键是找到有效的方法来打破这些强大的碳氧双键。你可以找到很多奇异的催化剂,可以改变公司的例子2在小的尺度上,但他们不适合规模,Styring说。研究人员参与CO2Chem正在寻找便宜,健壮的催化剂,例如,基于铁或者铝。
Styring传染性对他的挑战的热情,和对其前景是乐观的。几乎有一个指数级增长的研究在过去的几年中,大部分来自中国,“Styring说。除了气候变化的紧迫性,政府投资于这项工作有一个明确的动机,他补充道:“这项技术将成为自给自足的国家燃料。”
降低可再生能源的成本
在短短一个小时,落在地球上的太阳能比我们目前使用一年。太阳提供了我们最希望便宜,几乎无穷无尽的能源,化学在收获更有效有至关重要的作用。
美国能源部的SunShot倡议是一个大的挑战,旨在使太阳能成本竞争力与其他形式的电力的十年”。太阳能光伏发电已经接近这一目标:硅光伏模块的平均价格下降了100倍在过去四十年左右每瓦0.74美元(£0.50)今年,根据彭博新能源财经顾问的意见。近年来,降低成本在很大程度上来自于规模经济,随着行业的发展,和价格会继续下跌。但化学家可以帮助通过改善硅精炼方法,并减少大量的原材料进入模块;随着行业的扩张,化学将有一个重要的角色限制生产的环境影响太阳能电池组件本身。从长远来看,精密卷绕对位处理使有机光电或染料敏化太阳能电池可以在更低的成本比硅模块。
电池储存仍然是非常昂贵的。我们必须降低成本
伊莉斯福克斯
SunShot也旨在提高太阳能热能源植物,通常捕获热量从阳光发电或提供热水。伊莉斯福克斯,材料化学家萨凡纳河国家实验室在南卡罗莱纳州,SunShot正在这一部分,明年将担任美国化学学会的能源和燃料的部门。她一直等发展中离子液体含有纳米氧化铝或炭黑,以便他们能更有效地吸收和携带的热量。最大的挑战之一是确保这些离子纳米流体可以站起来年太阳光线的锤击,狐狸说:“超过2000小时,其中一些离子液体沥青。”
许多可再生能源产生间歇性的供应,所以他们必须在每一个机会获取能量和储存多余的力量以备后用。但大多数的存储方法,如生成氢气,或充电电池——并不是特别有效。自第一个商业锂离子电池市场在1990年代,例如,改进相当增量,福克斯说。“电池存储仍然是非常昂贵的,”她说。“我们必须降低成本。”
锂空气电池是一个特别有前途的选择,根据福克斯。他们有一个非常高的能量密度和比传统锂离子电池要轻得多,因为他们没有携带自己的氧化剂。但是增长的不溶性过氧化物在锂电池可以防止金属离子迁移到阳极,从而降低电池的电容量与每个充电。狐狸正在开发锰氧化物催化剂,可以防止过氧化,累积。“提高锂空气电池的rechargeability将是一个巨大的奖金,”她说。
有意义的遗传学
说,化学生物学并不是新东西Shankar Balasubramanian英国剑桥大学的。生物学的化学家已经导致了超过一个世纪。
Balasubramanian应该知道。在1990年代末,他和他的同事们开始开发一个新的DNA测序方法,计算出精确的胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(a)、胸腺嘧啶(T)碱基在我们的基因组编码信息。这种技术使用四个不同的核苷酸与荧光分子标记建立一个互补的DNA链,一次一个基地。每次添加后,激光裂解荧光标记,发光,揭示基础刚刚注册。团队成立了一个公司,Solexa,商业化的技术,它很快成为一个领先的测序方法,和帮助了雪崩的数据基因有了翻天覆地的变化。现在,Balasubramanian正在探索一个新的前沿:表观遗传学。
表观遗传学寻求理解遗传基因变化,不涉及改变底层的DNA编码。组蛋白的蛋白质,例如:这些生物套环包装成染色质的DNA双螺旋结构,染色体的构建块。化学修饰组蛋白甲基或乙酰基,例如,改变染色质的密度,这决定了基因是否表达内举行。类似的修改影响DNA分子本身。约2 - 5%的胞嘧啶碱基改变了在基因组DNA甲基转移酶,创建一个名为5-methylcytosine的新基地,倾向于减少它出现在的基因的表达。
了解这些表观遗传标记的基因表达改变可能解释了为什么一个耀眼的频谱不同组织类型的春天从同一基因组;外部因素,如营养物质或有毒化学物质,可以让他们的印记在我们的身体。虽然这些标志在很大程度上剥夺了胚胎形式,一些可以持续下去——包括那些赋予长寿或增加疾病风险,根据动物实验。
我们知之甚少的化学基因组如何变化的
Shankar Balasubramanian
在过去的几年中,研究人员还发现,可以氧化5-methylcytosine 5-hydroxymethylcytosine,然后5-formylcytosine,最后5-carboxylcytosine。的规范,G、C、T,“这是四个基地”,巴拉苏布兰马尼安说。科学家才刚刚开始了解三氧化形式的影响,但他们似乎与酶活性的变化,和一些与某些癌症高度相关。它提出的问题还有什么我们没见过,”巴拉苏布兰马尼安说。
去年,他和他的同事们公布了测序技术地图5-methylcytosine和5-hydroxymethylcytosine分辨率单碱基,提供一个强大的探测实验胚胎学的新方法。与此同时,人类表观基因组计划目前正在试图映射所有可能的位置在整个基因组表观遗传变化。结果疾病疗法铺平了道路,目标表观遗传标记,或揭示某些环境污染物如何提高我们的疾病的风险。我们知之甚少的化学基因组变化,”巴拉苏布兰马尼安说。化学将在这一领域做出一个非常重要的贡献。”
马克Peplow是一个基于科学记者在剑桥,英国
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