1. 颠覆性创新！这篇Science历时七年完成
乙二醇是一种商用化学品，在日常生活的许多领域都有应用。它用作溶剂、汽车散热器中的冷却剂、飞机的除冰液以及作为合成聚酯纤维和树脂的基础材料。目前全球乙二醇产能约为每年 4200 万吨，预计到 2025 年将超过 7000 万吨。铜 (Cu) 是一种价格低廉且用途广泛的催化剂，从草酸二甲酯 (DMO)批量生产乙二醇，主要就用到铜催化剂。乙二醇的工业合成主要依赖于乙烯的氧化，然后将环氧乙烷进行热水合处理，这是由联合碳化物公司在 1930 年代提出的工艺（图1）。然而，乙烯是一种石油基化学品，最近出现了使用更可持续的原料合成乙二醇的其他路线，即使用合成气。合成气是煤或生物质的气化产物，主要包括氢气和一氧化碳（CO）的混合物，利用合成气合成乙二醇也是一种非常重要的路径，该路线包括通过与甲醇的氧化偶联将 CO 转化为 DMO，然后将 DMO 加氢。该合成序列中最具挑战性的部分是将 DMO 氢化成乙二醇，因为反应需要高温高压的氢气。铜等金属可以催化 DMO 的氢化，但发生反应所需的剧烈条件可能导致催化剂失活以及安全和环境问题。为了稳定 Cu 催化剂以使 DMO 的催化加氢反应更加安全，厦门大学谢素原院士、袁友珠教授等人提出了将 Cu 与富勒烯单元相关联的想法，以在整个氢化过程中保持金属的各种氧化态之间的平衡。通过将传统的铜催化剂与富勒烯相关联，该方法稳定了催化物质，并能够在温和的压力条件下将 DMO 氢化成乙二醇。Cu 可以以多种氧化态存在，从元素 Cu0 到离子 Cu4+，但只有 Cu0 和 Cu+ 可用于 DMO 到乙二醇的加氢反应。通常认为Cu0和Cu+以协同方式作用，Cu0促进H2的解离，Cu+促进H向DMO的添加。富勒烯，特别是 C60“巴基球”，具有电子活性，可以接受并在某种程度上回馈电子。作者利用了这种电子缓冲特性，设计了一种在惰性二氧化硅基底上结合 Cu 和 C60 的复合催化剂：C60–Cu/SiO2。在此设计中，富勒烯与Cu 发生电子相互作用，以保护不稳定的 Cu+ 免受氧化和还原，并保持具有催化活性的 Cu0/Cu+ 比率。富勒烯对铜具有缓冲作用的证据是通过循环伏安法等技术获得的，并得到理论计算的进一步支持。可以证明 C60 可以依次作为单电子受体（来自 Cu0）和供体（至 Cu2+），以防止活性 Cu+ 催化剂的氧化态发生改变。图2.Cu/SiO2和 C60-Cu/SiO2(C60, 10 wt %; Cu, 20 wt %)的催化性能与传统的 Cu/SiO2 催化剂相比，富勒烯缓冲的 Cu 催化剂 C60–Cu/SiO2 在 DMO 的气相转化中表现出很强的性能。在 C60–Cu/SiO2 的催化下，转化反应可以在环境气压下的H2中进行，而到目前为止，标准催化剂需要超过 20 bar 的高氢气压力。在环境气压下，与 Cu/SiO2 相比，C60–Cu/SiO2催化剂的乙二醇产率（98%）提高了 10 倍，并且由于产生的副产物更少，因此选择性更高。使用 12 克 C60–Cu/SiO2 可以在约 180°C 的 1000 小时工作时间内，在不改变催化剂的情况下以公斤级别生产乙二醇。反应完成后，催化剂可回收再利用，活性不损失。C60–Cu/SiO2 被进一步用于DMO 相关底物的氢化，再次优于 Cu/SiO2。作为测试，通过在环境气压下利用C60–Cu/SiO2进行加氢可以有效地将乙酸乙酯还原为乙醇，而在相同的反应条件下，Cu/SiO2 未能催化任何转化反应。将富勒烯与 Cu 缔合的概念为活性催化物质的原位稳定难题提供了独特的答案。C60的这种缓冲作用产生了一个特别有效的系统，该系统的优势在环境气压下的加氢反应中以及在将 CO2电化学还原为 CO 的过程中得到了验证。因为 DMO 可以从 CO 合成，所以 C60–Cu/SiO2 可以被视为一种二合一催化剂，用于生产粗制 CO（DMO 的前体）以及随后将DMO 还原为乙二醇。图3.C60-Cu/SiO2 (C60, 10 wt %; Cu, 20 wt %)催化剂表征开发可靠耐用的催化剂对化学工业至关重要。考虑到富勒烯的商业可用性，使用 C60-Cu/SiO2的加氢技术预计将很快充分成熟，这表明其在不远的将来可以实现工业化生产，以实现更高的成本效益和更大的可持续性优势。这一科研工作历经3代研究生的共同努力，6个课题组的精诚合作，1家企业的积极量产，得以顺利完成。早在2015年1月24日，在化院的年度科研工作会议上，谢素原教授（时任学院教授委员会副主任并主持会议）对袁友珠教授报告的“醚酯催化与转化”研究提出了可否对Cu/SiO2进行富勒烯掺杂以调控表面电子性质的建议。博士生郑建伟（现于牛津大学从事博士后研究）第一个进入到C60-Cu/SiO2这一开拓性研究方向，并很快就取得了令人鼓舞的催化实验原始数据，硕士生崔存浩（现于上海交通大学攻读博士学位）在电化学研究所的时康教授的悉心指导下以循环伏安法精巧表征了富勒烯与铜的电子转移现象。随后，博士生黄乐乐和硕士生刘旭锋全面参与了规模化试验和催化表征等工作，其中，规模化试验得到了中科院物构所姚元根研究员、郭国聪研究员、曹新医博士和林凌博士等全力支持和帮助。此外，催化剂量产得到了厦门福纳新材料科技有限公司朱常锋总经理和杨童宗工程师的鼎力协助，理论计算工作则是由博士后陈佐长和博士生营思维完成，我院朱红平教授、段新平工程师和杜鹏博士生等也参与了有关前期研究工作，郑兰荪院士对整体研究工作提出了指导性意见。Jianwei Zheng et al. Ambient-pressure synthesis of ethyleneglycol catalyzed by C60-buffered Cu/SiO2. Science 2022, 376, 288-292.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9257Edmond Gravel et al.Fullerenes make copper catalysis better.Science. 2022.DOI: 10.1126/science.abo3155https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo3155
2. Nature：Cu表面越平坦，抗氧化能力就越强！
铜的氧化严重影响使用性能，尤其在半导以及光电器件等领域。为此，全球科学家为铜的抗氧化以及可能的钝化策略付出了大量心血，也涌现出了许多奇思妙想。例如，原位观察表明铜的氧化涉及台阶面，即铜原子从台阶处脱离并在台阶上扩散，扩散出的铜原子由于高的表面能，极容易被氧化，因此导致Cu2O在整个平的平面生长。但是这仅能解释为什么单晶铜比多晶铜更具抗氧化能力，无法揭示平坦的铜表面难以氧化这一事实。有鉴于此，美国密西西比州立大学的Seong-Gon Kim & 韩国成均馆大学的Young-Min Kim& 韩国釜山国立大学Se-Young Jeong课题组选择更易构建超平坦面的紧密堆积Cu(111）面，利用原子溅射外延 (ASE)法生长了单晶Cu(111)薄膜(SCCF)，其紧密协调的平坦面具备半永久的抗氧化能力，因为这些平坦面只有偶尔的单原子台阶。并且理论计算表明，单原子级的台阶面具备和平坦面一样的不渗O的能力，并且一旦氧在面心立方（fcc）表面位点覆盖度达到50%，氧原子的吸附就会被抑制，因此解释了超平坦铜表面的优越的抗氧化能力。图1. 通过ASE生长的SCCF表面。(a) 在 [1-10] 取向上观察到SCCF表面区域横截面的HRTEM 图像、模拟的图像以及碳-铜超晶胞的模型；（b, c）通过 GPA 从HRTEM 图像获得的平面内 (Exx) 和平面外 (Eyy) 应变场图（绿色区域为铜，灰色区域为碳）；（d）对于（111）层间距(d(111)=0.21nm)，沿面外方向获得的实验和模拟强度分布；（e）同时获得地SCCF表面区域的ADF-STEM 和 ABF-STEM 图像。使用高分辨（扫描）透射电子显微镜 (HR(S)TEM)和几何相位分析 (GPA)表征具有超平坦表面的 110 nm 厚 SCCF 的表面和结构特征。截面STEM图像（图1a，e）显示铜薄膜沿[111]方向生长，因此导致只有单个原子的台阶-边缘结构，并没有观察到多原子台阶边缘结构以及固有缺陷，例如晶界以及堆垛层错。而且，最外层铜表面层原子构型与内部相同，即使在台阶边缘位置也没有观察到表面松弛或表面氧化引起的结构改变。使用GPA技术测试近表面的应力行为以及晶格位错（图1b，c）。应力场图显示在整个近表面观察区域没有明显的晶格应力，表明SCCF有近乎完美的原子结构，没有空位以及位错等结构缺陷。通过对比实验以及模拟的(111)面的层间距也可以证明Cu表面和块体Cu具有相同的结构。SCCF的环形暗场（ADF）和环行明场（ABF）STEM同样证实其超平坦表面（图1e）。有趣的是，作者发现SCCF在暴露于空气中1年多后，仍然保持着超平坦和原始的表面(图2a-d)，这表明SCCF具有特殊的抗氧化性能。图2. SCCF表面的长期抗氧化性和结构稳定性。（a）SCCF 在室温下暴露于环境空气中约 1 年（顶）的低倍率 BF-TEM 图像。结果表明，整个 SCCF的原子级平坦表面形态几乎保持不变。SCCF表面区域（红色矩形标记）的 HRTEM 图像（底部）；(b)沉积（红色）和放置1年的（蓝色）样品之间（111）面的强度分布比较；(c)EBSD图显示沿(111)面的完美对齐；(d)与（111）平面相关的IPF；(e)沿着[1-10]取向的放置3年的SCCF表面区域的HRTEM图像（顶部）和由GPA从HRTEM 图像获得的平面内(Exx) （中部）和平面外 (Eyy) （底部）应变场图；(f) 区域 1（顶部）、区域 2（中）和两个区域（底部）的 FFT 模式；(g)具有不同表面粗糙度的 PCCF 和 SCCF 样品的热重分析。低倍明场TEM（BF-TEM）（图2a，顶）以及截面HRTEM图（图2a，底）显示单个原子的台阶-边缘结构在空气中暴露1年后依然保持不变。沉积态(红色)和1年(蓝色)样品(111)面的两个强度曲线(图2b)显示 (111)面的平面层间距的变化，两者吻合较好，表明长期暴露于空气的SCCF中也没有发生明显的氧化。电子背散射衍射(EBSD)图（图2c）和反极图(IPF) (图2d)表明，1年后晶格偏离(111)晶面没有发生错配。利用GPA技术获得的应变场图(Exx和Eyy)表明（图2e），覆盖层具有与SCCF不匹配的新的晶格结构。区域1（图2f，顶）和区域2（图2f，中）以及两者（图2f，底）的快速傅里叶变换 (FFT)图表明两个区域分别属于Cu2O和Cu，说明部分表面Cu被氧化。然而，Cu2O只有少数几层，与多晶Cu中天然氧化层的厚度相比，氧化层厚度较薄。对比不同表面粗糙度的多晶铜薄膜（PCCF）和SCCF样品的热重分析可以发现，具有单个原子台阶边缘的SCCF在高温下表现出优异的抗氧化性能(图2g)。图3. 界面结构和晶体学关系。(a) 具有(111)Cu[11-2]Cu//(001)Al2O3[110]Al2O3取向关系的Cu-Al2O3异质界面的截面HRTEM图；(b) HRTEM 图像中Cu 和 Al2O3 区域的 FFT 图；(c) a中虚线框标记的区域的放大HRTEM图像；(d) Cu-Al2O3异质界面的ABF-STEM图像和叠加原子模型；(e) 在 d 中通过 Cu- Al2O3 之间的界面获得的反转强度曲线；(f) Cu-Al2O3异质界面的平面HRTEM 图像，插图是 HRTEM 图像的 FFT图；(g, h) Cu在Al2O3 衬底上生长的外延模型的侧视图(g)平面图 (h)。薄膜与衬底的界面结构决定性地影响表面的平整度，而界面结构可以通过位错等结构缺陷来松弛。基于此，作者利用利用HR(S)TEM表征了Cu薄膜与Al2O3衬底的界面结构(图3)。图3a-b显示Cu和Al2O3的晶体学取向关系（OR）是(111)Cu[11-2]Cu//(001)Al2O3[110]Al2O3，并且Cu晶格无缺陷地粘附与Al2O3衬底。光敏ABF-STEM成像(图3d)表明，生长在O端Al2O3表面的Cu界面模型与实验异质结构吻合良好。通过Cu-Al2O3界面获得的倒置强度剖面(图3e)清楚地印证了Cu层和Al层之间存在O层，从而表明界面处存在Cu-O相互作用，其O终端层可以稳定Al2O3表面。由于面内晶格失配，可以在 Cu-Al2O3 异质结构的平面图中观察到大尺度干涉图案，即莫尔图案（图3f）。由相同OR的Cu-Al2O3外延模型生成的模拟莫尔图形与实验莫尔图形一致，呈现重复的大尺度对比特征(图3g, h)。这种垂直的OR观察证明Al2O3衬底上的SCCF的生长机制是基于大规模失配外延关系而不是原子尺度的晶格关系来理解。总之，作者利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表征手段直接观察到Cu表面原子排列，利用几何相位分析 (GPA)得到Cu表面的应力分布图等。根据这些表征，作者发现利用外延溅射外延法生长的单晶Cu(111)薄膜具备半永久的抗氧化能力,并且证明没有多个原子的台阶的超平坦的Cu(111)面是实现超强抗氧化能力的关键。Su Jae Kim et al. Flat-surface-assisted and self-regulated oxidationresistance of Cu(111). Nature 2022.
DOI: 10.1038/s41586-021-04375-5https://doi.org/10.1038/s41586-021-04375-5
3. 首次发现！Science：铜如何杀死癌细胞？
铜和其他微量金属对生命至关重要。然而，重要的是这些金属在细胞中以适量的形式存在。太少的金属会损害重要的金属结合酶的功能，而太多的金属会淹没细胞，导致死亡。在人类中，导致过量铜积累的突变会危及生命，但可能存在一个窗口，使得细胞内铜的更集中增加可用于选择性杀死癌细胞。因此，更好地了解铜积累如何导致细胞毒性具有重要意义。近日，博德研究所Todd R. Golub等人揭示铜毒性涉及特定线粒体代谢酶的破坏，从而引发一种不寻常的细胞死亡机制。这种机制可以解释与遗传性铜过载疾病相关的病理学，并提出利用铜毒性治疗癌症的新方法。成果发表在Science上。应激源——包括 DNA 损伤、蛋白质错误折叠或细胞骨架的破坏——都可能由于细胞凋亡途径的激活而导致细胞死亡。在过去的十年中，在了解必需的微量金属如何对哺乳动物细胞产生毒性作用方面取得了进展。一个新兴的主题是这些不同的金属可以以不需要细胞凋亡途径的方式杀死细胞。例如，过量的锌可以通过抑制三磷酸腺苷(ATP)合成来引发非凋亡性细胞死亡。铁可以催化有毒膜脂质过氧化物的形成，这是铁死亡的主要特征，这是一种独特的非凋亡性细胞死亡形式。至于铜，来自酵母和哺乳动物细胞的证据将铜毒性与线粒体功能的改变联系起来。铜到底是如何破坏线粒体功能的，以及这是如何导致死亡的，目前尚不清楚。该研究在解决铜积累如何破坏线粒体功能方面取得了进展。他们证明，过量的铜可以选择性地干扰一组代谢酶，这些代谢酶具有独特的翻译后修饰，即脂酰化。脂酰化包括将小的含硫代谢物硫辛酸附着到底物蛋白质上。这种灵活且具有化学反应性的附属物通过在酶复合物中的不同亚基之间摆动、提供或接受电子来实现催化。只有四种已知的脂酰化酶，它们都存在于线粒体中，包括二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶 (DLAT)，它是丙酮酸脱氢酶复合物的一个亚基。该课题组发现铜毒性可以通过基因破坏合成硫辛酸所需的酶或单个脂酰化酶本身来抑制。他们还揭示了线粒体酶铁氧还蛋白1在硫辛酸合成中的先前未知功能，证实了这种酶的破坏会抑制铜依赖性毒性。发现硫辛酸本身与铜结合，并提出这会导致脂酰化的线粒体酶以有毒的方式在该细胞器内聚集。从机制上讲，与铜结合的脂酰化线粒体酶的聚集如何导致非凋亡形式的细胞死亡仍有待充分阐明。该课题组表明这种致命机制不涉及对呼吸的严重破坏，这是一个必不可少的能量产生过程，并且铜诱导的死亡不能被脂质过氧化或活性氧积累的化学抑制剂阻止。这将铜诱导的细胞死亡与锌诱导的细胞死亡以及铁死亡区分开来。图|铜离子载体诱导的细胞死亡是非凋亡、非铁死亡和非坏死性凋亡1）一种可能性是，通过同时抑制多种脂酰化酶，铜会突然同时改变许多代谢物的浓度，从而引发急性致死性休克。2）或者，聚集的铜结合酶可以获得新的催化活性，从而导致产生细胞无法处理的有毒代谢物。除此之外，蛋白质聚集体还可以通过破坏其他线粒体酶的功能来杀死细胞，例如参与铁硫簇合成的线粒体酶，铁硫簇是其他酶必不可少的辅助因子。尽管如此，为什么由过量铜或其他金属引发的细胞死亡不会引导细胞走向凋亡等既定的细胞死亡机制尚不清楚。铜毒性的一个诱人的可能性是，除了促进线粒体蛋白质聚集，这种金属还积极抑制执行凋亡所需的酶。通过这种方式，过量的铜可以通过另一种机制清除细胞死亡的途径。该课题组表明铜毒性与线粒体活性之间存在密切联系。尽管铜本身不会对线粒体呼吸产生很大影响，但这种金属的毒性在活跃呼吸的细胞中增强了许多倍。呼吸如何促进细胞死亡尚不清楚。处于更多呼吸状态的细胞可能会表达更多的脂酰化酶，从而产生更多的聚集体。另一种可能性是，在主动呼吸过程中，通过 DLAT 等脂酰化酶的更高代谢通量可能会增加它们的铜结合亲和力，从而导致更大的聚集。无论如何，活跃的线粒体呼吸和铜诱导的细胞死亡之间的联系让人联想到铜与铁和锌一样，参与了最好被描述为“细胞破坏”的细胞死亡形式，其中一种基本代谢途径的活动可以当该通路的平稳运行被破坏时，将细胞推向死亡。这些发现还表明，线粒体呼吸的药理学抑制可能是一种策略，尽管这种策略充满了潜在的不良副作用，以对抗威尔逊氏病，这是一种由铜输出蛋白 ATP7B 突变引起的遗传性铜过载疾病，如果不治疗就会致命。图|FDX1 和硫辛酸基因是铜离子载体诱导的细胞死亡的关键介质这些新结果也可能会激发探索使用铜治疗癌症的研究。在他们的研究中，研究人员使用Elesclomol，一种合成分子，可以结合环境中存在的铜并将其带入细胞以诱导细胞死亡。Elesclomol 已在用于治疗上皮癌的人体临床试验中进行了测试，尽管成功率有限。该课题组报道的新机制知识表明，elesclomol 可能在表达大量脂酰化线粒体蛋白和高度呼吸的癌症中效果最好。这种方法可能对天然抵抗细胞凋亡的癌症特别有用，通过利用这种金属的独特作用，可以找到一种杀死癌细胞的新方法。Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins. Science 2022.
DOI: 10.1126/science.abf0529https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf0529
