俞书宏、郭跃伟、王海辉、卢兴、支春义等成果速递丨顶刊日报20191202
1. Science：人工智能指导腺相关病毒改造
腺相关病毒(AAV)衣壳可以提供变革性的基因治疗，但我们对AAV生物学的了解仍然不完整。近日，美国哈佛医学院George M. Church和Eric D. Kelsic的研究团队合作，通过全面解析AAV的衣壳适应性图谱，发现一个关键基因并能够实现机器指导的设计。研究人员生成了完整的一阶AAV2衣壳适应性图谱，描述了跨多个与体内递送相关的功能的所有单密码子取代、插入和缺失。
研究人员在VP1区域发现了一个移码基因，该基因表达与膜相关的辅助蛋白，其通过竞争性排斥作用限制了AAV的产生。突变分布揭示了表面暴露和掩埋残基的重要性，并且一些表型图谱定义了大多数变异。最后，研究人员通过算法设计和实验验证了多种体内靶向衣壳库，其可行性远超过随机诱变方法。这些结果证明了系统诱变解密复杂基因组的能力以及经验性机器指导蛋白质工程的潜力。
Pierce J. Ogden, Eric D. Kelsic, Sam Sinai, etal. ComprehensiveAAV capsid fitness landscape reveals a viral gene and enables machine-guideddesign. Science, 2019.
DOI: 10.1126/science.aaw2900
https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1139
2. Chem. Soc. Rev.: 可充水溶液金属离子电池的电压问题
在过去的几十年间，人们发展出一系列可充水溶液金属离子电池来提高电池安全性、环境友好型以及降低消费电子、电动汽车以及规模储能领域的成本。然而，可充水溶液金属离子电池与有机电池之间存在的能量密度差异制约了其实际应用。实际上，这些能量密度的差异来源于电池的工作电压，因为水溶液电解质的电化学稳定窗口限制了电极材料的选择。
在这篇综述中，香港城市大学的支春义教授重点介绍了多种水溶液可充水溶液金属离子电池的电压特征以及提高电池工作电压的策略。文章从影响水溶液金属离子电池工作电压的因素（也就是水溶液电解质的电化学稳定窗口）入手，紧接着结合电极材料介绍了几种水溶液电池的中值电压和电压平台特征。随后，文章总结了几种提升水溶液电池电压的策略并重点介绍了几个关键进展。最后，文章对该领域面临的问题以及未来的发展方向进行了总结概括。
ZhuoxinLiu, Chunyi Zhi et al, Voltage issue of aqueous rechargeable metal-ionbatteries, Chem. Soc. Rev., 2019
DOI: 10.1039/C9CS00131J
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C9CS00131J#!divAbstract
3. Angew：金属元素包封能决定单金属富勒烯的优先形成：以Eu@C2n（2n = 74-84）研究为例揭示一条一般规则
将一到三个金属原子或金属团簇捕获在富勒烯笼中，得到的富勒烯金属包合物（EMFs）分别分类称为单-EMFs，双-EMFs，三-EMFs和簇-EMFs。近日，华中科技大学卢兴，河北工业大学Peng Jin等研究发现，铕元素往往倾向于诱发单-EMFs的优先形成。质谱分析表明，单-EMFs（EuC2n）在含Eu炭黑中占主导地位。理论计算表明，金属元素的包封能是单-EMFs选择性形成的关键，也使其它金属（如钙，锶，钡或钇）的EMFs的类似现象合理化。
实验表明，所有分离的Eu-EMFs都是单-EMFs，包括Eu@D3h(1)‐C74，Eu@C2v(19138)‐C76，Eu@C2v(3)‐C78，Eu@C2v(3)‐C80和Eu@D3d(19)‐C84，作者通过晶体学进行了鉴定。值得注意的是，Eu@C2v(19138)‐C76是第一个违反了孤立的五边形规则的含Eu EMF，而Eu@C2v(3)‐C78是第一个仅由一个金属原子稳定C78-基EMF。
LipiaoBao, Peng Jin*, Xing Lu*, et al. Preferential formation of mono‐metallofullerenes governedby the encapsulation energy of the metal elements: A case study on Eu@C2n (2n= 74‐84) revealing a general rule. Angew. Chem. Int.Ed., 2019
DOI: 10.1002/anie.201910743
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201910743
4. Angew：抗缺血性中风神经炎症药物苯并恶烷衍生物的合成及靶点鉴定
受天然抗炎苯并恶烷类化合物的启发，中科院上海药物研究所郭跃伟和Li Xuwen研究团队联合中国药科大学庞涛研究团队设计并合成了一系列新的苯并恶烷衍生物，其中，10i为体外最有效的低毒化合物。进一步的体内评价表明，10i既能通过抗炎作用改善LPS诱导的神经炎症小鼠模型的疾病行为，又能通过抗炎作用改善短暂性大脑中动脉闭塞大鼠的脑缺血损伤。
受到这一可喜结果的鼓舞，通过设计光亲和探针，随后通过光交联、点击反应和LC-MS/MS进行10i靶标捕获，从而确定PKM2是负责10i抗炎作用的关键靶蛋白。此外，10i通过抑制PKM2介导的糖酵解和NLRP3激活，在体内外表现出抗神经炎症作用，表明PKM2是神经炎症及其相关脑疾病的新靶点。同时，与已报道的PKM2抑制剂紫草素相比，10i的安全性更高，表明10i可作为靶向PKM2的先导化合物，用于治疗与炎症相关的疾病，如缺血性中风。
Xu-Wen Li, Tao Pang, Yue-Wei Guo, et al. Synthesis and TargetIdentification of Benzoxepane Derivatives as Potential Anti‐neuroinflammatoryAgents for Ischemic Stroke. Angew. Chem. Int. Ed., 2019.
https://doi.org/10.1002/anie.201912489
5. Angew：铁掺杂的氧化铜纳米工程药物及其纳米医学应用
纳米粒子(NPs)在纳米医学(NM)中的主要应用是作为递送传统化疗药物的载体，但是较低的递送效率往往会限制治疗的效果。不莱梅大学Lutz Mädler和根特大学Stefaan J. Soenen合作设计了一种可以实现双重目的(载体和药物)的同源工程化CuO NPs，该材料的生物功能与其化学组成有直接的关系。CuO NPs在细胞内部的溶解动力学可以通过铁掺杂来控制进而影响胞内/胞外的Cu2+浓度和生物学结果。
实验结果表明，对离子的释放和细胞内发生的反应进行控制可以在体内外实现有选择性地治疗肿瘤。而通过局部给药NMs后可有效促进肿瘤细胞发生凋亡并激发全身的抗癌免疫反应。
HendrikNaatz, Lutz Mädler, Stefaan J. Soenen. et al. Model-Based NanoengineeredPharmacokinetics of Iron-Doped Copper Oxide Applicable to Nanomedicine. Angewandte ChemieInternational Edition. 2019
DOI:10.1002/anie.201912312
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201912312
6. AM：非温度相关的超弹性、耐疲劳碳纤维气凝胶
在较大温度范围内，具有超弹性、耐疲劳特性的气凝胶材料在航空、机械等领域具有重要应用。但是，传统的陶瓷气凝胶、聚合物气凝胶、金属气凝胶等面临抗疲劳性能、压缩性能难以令人满意，而碳纳米管气凝胶则制备工艺复杂。
本研究中，中国科学技术大学俞书宏院士和梁海伟教授团队通过无机盐辅助裂解细菌纤维素的方式，得到了具有多级结构的碳纤维气凝胶。在反复压缩条件下，得到的碳纤维气凝胶表现出超弹性特点，且无塑性变形。在−100 to 500 °C范围内，其超弹性和耐疲劳性能同样优异。更为重要的是，该碳纤维气凝胶便于大规模拓展，成本低廉。
ChaoLi, Yan-Wei Ding, Bi-Cheng Hu, et al, Temperature-Invariant Superelasticand Fatigue Resistant Carbon Nanofber Aerogels, Advanced Materials, 2019
DOI：10.1002/adma.201904331
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904331?af=R
7. AM: Li0.34La0.56TiO3固态电解质薄膜助力高比能锂金属电池
陶瓷电解质凭借其出色的热稳定性、宽电化学稳定窗口和超高的离子电导率因而在诸多固态电解质体系中备受青睐。为了实现高能量密度的锂金属电解质，考虑到陶瓷电解质具有较高的体积密度，因而常常需要其电解质层厚度为数十个微米。最近，华南理工大学的Suqing Wang和王海辉等通过简单的流涎法制备了厚度仅为25um的薄层钙钛矿型Li0.34La0.56TiO3（LLTO）固态电解质薄膜。与冷压法制备的厚度大于200um的电解质相比，这种LLTO薄膜的离子电导率从9.6×10-6S/cm提升至2×10-5S/cm。
此外，这种厚度仅为25um的LLTO薄膜表现出高达264MPa的抗弯强度。研究人员又采用厚度为41um的LLTO薄膜组装了全固态锂金属电池，这种全固态电池首周可逆放电比容量高达145mA/g且循环50周后的容量保持率高达86.2%。降低陶瓷氧化物电解质的厚度对于降低电解质阻抗并提高锂金属电池的能量密度十分关键。
ZhouyangJiang, Suqing Wang and Haihui Wang et al, Tape‐Casting Li0.34La0.56TiO3 Ceramic ElectrolyteFilms Permit High Energy Density of Lithium–MetalBatteries, Advanced Materials, 2019
DOI: 10.1002/adma.201906221
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906221?af=R
8. AM：3d过渡金属单位点催化剂的新机遇
将碳和水通过化学和电化学转化方式合成能源燃料和化学品对于解决日益严重的环境污染和能源短缺问题具有重要意义，目前这一技术的关键是催化剂材料的催化性能。传统上，贵金属颗粒或金属配合物被用作许多反应的催化剂。最近，3d过渡金属单位点制催化剂(3dTM‐SSCs)以其低成本、高活性、高稳定性的优势，已经成为非常具有潜力的下一代高性能无贵金属催化剂的候选材料。在分子水平上设计催化剂可以使金属原子得到更有效的利用，同时提高催化剂在苛刻反应条件下的性能。尽管有这样的巨大的应用前景，然而距离实际规模化应用仍然存在较大的挑战，特别是在合成过程中3dTM‐SSCs的结构演变，活性位点结构的分子水平的研究，催化机制的进一步理解，以及长期的循环稳定性的提高。
近日，阿贡国家实验室的Xiaomin Lin和大连理工大学的张光辉副教授合作综述了3d过渡金属单位点催化剂在促进碳水循环领域的新进展，讨论了通过受控热解合成来促进3dTM‐SSCs生成的研究进展，重点阐述了在碳和水循环的各种关键反应中调节催化性能的基本性能描述符。此外，还指出了这些新型催化材料目前面临的挑战和未来可能的解决方案。
GangWan, Guanghui Zhang, Xiao‐Min Lin. Toward EfficientCarbon and Water Cycles: Emerging Opportunities with Single‐Site Catalysts Made of 3d Transition Metals. AdvancedMaterials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201905548
https://doi.org/10.1002/adma.201905548
9. EES: 钙钛矿薄膜的超快激光退火，可实现高效钙钛矿太阳能电池
钙钛矿太阳能电池以其高效率，易于制备和低成本而备受关注。近日，香港理工大学Feng Yan团队报道了一种新型的激光退火方法，用于通过扫描膜表面上的激光点在较低的基板温度下对钙钛矿膜进行退火。在具有高强度和快速扫描速度的激光下，可以在几秒钟内实现超快结晶过程。
因为结晶钙钛矿相比非晶相具有更强的光吸收，快速的激光退火可以在前者中诱发更高的温度，并导致大钙钛矿晶粒的选择性生长。在最佳条件下，成功地制备了具有高结晶度的钙钛矿薄膜，从而形成了具有高功率转换效率和良好稳定性的钙钛矿太阳能电池。此外，通过使用线性激光束实现了钙钛矿膜的更快的激光退火工艺，这有望成为大规模生产大型钙钛矿太阳能电池的有前途的技术。
Yan, F. et al. Ultrafastlaser-annealing of perovskite films for efficient perovskite solar cells. EES2019.
DOI: 10.1039/C9EE02324K
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ee/c9ee02324k
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