首先是安全，沒(méi)有了化學(xué)，我們的生活寸步難行，而沒(méi)有了安全，則化學(xué)一切歸零。實(shí)驗(yàn)安全對(duì)于化學(xué)的重要性，不言而喻，一目了然。

實(shí)驗(yàn)安全

英國(guó)思克萊德大學(xué)Marc Reid教授: “NatureChemistry”十周年正好趕上了謝莉·桑吉（SheriSangi）在洛杉磯加利福尼亞大學(xué)一次可避免的實(shí)驗(yàn)室事故中不幸去世10周年。盡管人們對(duì)反應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、化學(xué)信息學(xué)和可編程晚期甲基化學(xué)的未來(lái)發(fā)展感到興奮是可以理解的，但如果不能安全地完成這些研究，這些研究都是無(wú)關(guān)緊要的。如果我們?nèi)スぷ鞫换丶业脑挘龅囊磺卸疾恢匾恕Ｒ虼耍覀兠媾R的最大挑戰(zhàn)是：我們?nèi)绾胃玫乩斫夂拖龑?shí)驗(yàn)室安全方面的失誤？

計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，人工智能的日趨成熟，分析手段愈發(fā)的精密和靈敏，更多的催化劑和催化模式不斷涌現(xiàn)，它們將如何影響化學(xué)？

計(jì)算、分析和催化

多倫多大學(xué)Alán Aspuru-Guzik教授: 計(jì)算化學(xué)家的終極目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)逆向設(shè)計(jì)，這意味著從理想的性能出發(fā)找到穩(wěn)定和可合成的分子。利用人工智能(AI)來(lái)驅(qū)動(dòng)能夠“創(chuàng)造”新候選分子的生成模型，將使逆向設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。為了結(jié)束發(fā)現(xiàn)循環(huán)，將人工智能和機(jī)器人技術(shù)集成到合成和表征中是我關(guān)注的領(lǐng)域之一。此外，隨著量子計(jì)算機(jī)在模擬分子的量子算法方面的進(jìn)步，量子計(jì)算機(jī)的能力不斷增強(qiáng)，這表明它們很快將與當(dāng)前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)形成競(jìng)爭(zhēng)。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)高等研究院Mu-Hyun Baik教授: 隨著化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型變得越來(lái)越逼真，我們必須學(xué)會(huì)如何使用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的創(chuàng)造力和創(chuàng)新。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能將有所幫助，但至少在未來(lái)20年，人類學(xué)習(xí)和自然智能仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。我們能用計(jì)算機(jī)模型從零開(kāi)始設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性反應(yīng)的催化劑嗎？我們能不能拿出真正的和顛覆性的創(chuàng)新來(lái)挑戰(zhàn)普通的化學(xué)常識(shí)？我認(rèn)為這是完全可能的-我們只需要這樣做。不幸的是，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。

蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)Nadine Borduas-Dedekind教授: 由于原位分析和實(shí)時(shí)分析技術(shù)的進(jìn)步，特別是質(zhì)譜分析技術(shù)的進(jìn)步，大氣化學(xué)家現(xiàn)在擁有了前所未有的關(guān)于當(dāng)今大氣中氣體和粒子分子組成的信息。在未來(lái)的氣候研究中，我們的任務(wù)是量化不斷變化的氣候中的人類指紋。一個(gè)有希望但又具有挑戰(zhàn)性的方法是測(cè)量和模擬偏遠(yuǎn)地區(qū)的大氣組成。在空氣質(zhì)量研究中，目標(biāo)是將暴露在大氣中的成分與對(duì)健康的不利影響因素聯(lián)系起來(lái)。我對(duì)大氣化學(xué)家為室內(nèi)空氣質(zhì)量帶來(lái)的創(chuàng)新，通過(guò)量化活性物質(zhì)，研究短壽命空氣污染物的生命過(guò)程及其對(duì)人類健康的影響感到興奮。

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Clemence Corminboeuf教授：計(jì)算化學(xué)目前正在經(jīng)歷幾個(gè)根本性的變化，例如機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析，GPU（圖形處理單元）-加速軟件和量子計(jì)算機(jī)上的量子化學(xué)。特別是，量子化學(xué)性質(zhì)的機(jī)器學(xué)習(xí)正在蓬勃發(fā)展，并可能導(dǎo)致量子化學(xué)計(jì)算的加速，為快速有效地篩選和發(fā)現(xiàn)新的分子和材料提供新的框架和方法。雖然傳統(tǒng)方法仍然存在，但機(jī)器學(xué)習(xí)使用的增加將改變可以通過(guò)計(jì)算方式解決的問(wèn)題的性質(zhì)、規(guī)模和復(fù)雜性。通過(guò)建立統(tǒng)一不同科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)家和國(guó)際協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，可以克服一些剩余的跨領(lǐng)域限制。

法國(guó)科學(xué)研究中心Fran?ois-Xavier Coudert教授：機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)在改變計(jì)算化學(xué)，在各種層面上整合了包括原子間勢(shì)、密度泛函理論（DFT）函數(shù)和結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)系在內(nèi)的方法學(xué)。目前最大的挑戰(zhàn)在于擴(kuò)大這些努力，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的最新研究都遵循開(kāi)放科學(xué)原則的大型數(shù)據(jù)集：完全開(kāi)發(fā)性，與明確定義的元數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)并使用可互操作的格式。這不僅可以提高重現(xiàn)性并加快發(fā)現(xiàn)速度，而且還可以在化學(xué)之前以前所未有的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘：每次計(jì)算，每次實(shí)驗(yàn)-無(wú)論合成是否成功-都在您的指尖下創(chuàng)造下一個(gè)突破或神奇材料！

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Leroy Cronin教授：為了創(chuàng)造一種真正自下而上的人造生命形式，不依賴于當(dāng)前生物學(xué)或技術(shù)的信息，開(kāi)發(fā)能夠處理自己信息（不受觀察者影響）的化學(xué)系統(tǒng)至關(guān)重要。現(xiàn)在，這樣的系統(tǒng)是由人類化學(xué)家或分子水平的生物機(jī)器控制的，但如果有可能產(chǎn)生一個(gè)可以創(chuàng)造自身和自身信息的系統(tǒng)，使化學(xué)信息告知其結(jié)構(gòu)或功能呢？自編程化學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)將成為從“從沙子到細(xì)胞”這種從頭方式創(chuàng)建自主人工組裝的重要里程碑。

科羅拉多大學(xué)波德分校Tanja Cuk教授：研究表面化學(xué)轉(zhuǎn)化最激動(dòng)人心的方面是有機(jī)會(huì)揭示催化循環(huán)的真實(shí)動(dòng)力學(xué)。目標(biāo)是不僅能及時(shí)捕獲催化中間體，而且監(jiān)測(cè)它們?nèi)绾窝刂砻嬉苿?dòng)，相互作用，生成下一個(gè)中間體，最終產(chǎn)生產(chǎn)物的鍵。為了建立這種機(jī)制理解，我們需要先進(jìn)的光譜技術(shù)應(yīng)用于原位催化反應(yīng)，具有很高的數(shù)量級(jí)的高時(shí)間分辨率。簡(jiǎn)而言之，如果我們能夠確定使催化產(chǎn)物持續(xù)進(jìn)化的過(guò)渡態(tài)是怎樣進(jìn)行的，那么它將把多相催化領(lǐng)域推向一個(gè)全新的領(lǐng)域。

美國(guó)西北大學(xué)Danna Freedman教授：量子信息科學(xué)有望改變我們的科學(xué)前景。化學(xué)衍生的量子比特在量子傳感的子領(lǐng)域中特別有吸引力，其中利用物質(zhì)的量子特性來(lái)檢測(cè)極小的信號(hào)，例如溫度、磁場(chǎng)或電場(chǎng)的微小變化。在接下來(lái)的幾十年里，這個(gè)領(lǐng)域可能會(huì)取得進(jìn)展，例如質(zhì)子和電子自旋的單分子傳感可實(shí)現(xiàn)單分子核磁共振，能夠檢測(cè)處于特定目標(biāo)狀態(tài)的少量酶（如催化中間體）。從感應(yīng)整體到感知單分子的進(jìn)展將影響我們對(duì)反應(yīng)機(jī)制、生物系統(tǒng)和特殊材料的理解。

明斯特大學(xué)Frank Glorius教授：這是一個(gè)催化的黃金時(shí)代，隨著大量催化技術(shù)和不斷改進(jìn)的分析工具的開(kāi)發(fā)，最令人興奮和重要的挑戰(zhàn)即將到來(lái)。我對(duì)三個(gè)發(fā)展領(lǐng)域感到特別興奮。首先，多相催化-需要更好的分子理解，以便能夠設(shè)計(jì)新的催化劑，以實(shí)現(xiàn)更高效的工業(yè)過(guò)程。第二，采用新的策略和改進(jìn)的催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子的后期官能化（例如，使用C-H活化）。最后，我相信使用基于信息的策略（如智能篩選或人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)）發(fā)現(xiàn)新反應(yīng)，這將極大地改變催化和化學(xué)領(lǐng)域。

波士頓大學(xué)Malika Jeffries-EL教授：近年來(lái)，有機(jī)半導(dǎo)體的發(fā)展已經(jīng)超越了基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究，現(xiàn)在已用于眾多商業(yè)應(yīng)用中。盡管具有潛力，但是具有理想特性并且可以使用簡(jiǎn)單的合成方案制造的新材料才是最需要的，這樣才能使“塑料電子”成為可能。有機(jī)半導(dǎo)體的性能依賴于其結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)之間的相互作用-這兩者都取決于許多相互關(guān)聯(lián)的變量的優(yōu)化，例如能級(jí)、帶隙和電荷傳輸。因此，需要新的計(jì)算工具，合成方法以及有機(jī)化學(xué)家、理論家、物理學(xué)家、材料科學(xué)家和電氣工程師的協(xié)同合作來(lái)解決這些挑戰(zhàn)。

意大利的里雅斯特大學(xué)Silvia Marchesan教授：手性已經(jīng)吸引了化學(xué)家近兩個(gè)世紀(jì)，并且仍然在從亞原子到銀河系的尺度上提供了意想不到的奇跡。同質(zhì)性在自然界中起著重要的作用，但異質(zhì)裝配在構(gòu)建功能性宏觀網(wǎng)絡(luò)中的重要性和潛在效用不應(yīng)被低估。渴望模仿自然的優(yōu)雅復(fù)雜性的超分子系統(tǒng)也必須是可持續(xù)的。一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是破解設(shè)計(jì)規(guī)則，使我們能夠?qū)⑿畔⒕幋a到異構(gòu)的構(gòu)建塊中，以便它們能夠自組裝成具有定義功能的層次結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，就像我們所知道的自然組裝生命的組成部分一樣。

以色列本-古里安大學(xué)Anat Milo教授：在這個(gè)自動(dòng)化時(shí)代，合成化學(xué)越來(lái)越精簡(jiǎn)，分子設(shè)計(jì)通過(guò)算法來(lái)不斷增強(qiáng)，這些算法兼顧了我們無(wú)法在腦海中輕易捕捉到的眾多特征：合成的未來(lái)是光明而有趣的。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是將我們對(duì)化學(xué)的理解融入21世紀(jì)的技術(shù)，而不是簡(jiǎn)單地追隨最新的趨勢(shì)。除了完善制造分子的任務(wù)外，我們作為化學(xué)家的角色是利用我們工具箱中的所有方法-即舊的、新的和尚待發(fā)現(xiàn)的方法-來(lái)實(shí)現(xiàn)其潛力、闡明機(jī)制并設(shè)計(jì)可持續(xù)的未來(lái)。

蘇黎世大學(xué)Cristina Nevado教授: 日益增長(zhǎng)的人口對(duì)日益減少的自然資源的需求不斷增加，所帶來(lái)的挑戰(zhàn)將需要以化學(xué)為基礎(chǔ)的解決辦法。這些措施包括開(kāi)發(fā)高選擇性、節(jié)能、環(huán)境友好的方法，以生產(chǎn)具有量身定制特性的革命性新形式的物質(zhì)，以及發(fā)現(xiàn)有效改造現(xiàn)有原料的工藝，以確保可持續(xù)地生產(chǎn)新的和現(xiàn)有的物質(zhì)。各種形式的催化以及對(duì)化學(xué)過(guò)程的更深入的機(jī)制理解，將在滿足當(dāng)前和未來(lái)社會(huì)需要方面發(fā)揮核心作用。

牛津大學(xué)Carol Robinson教授：質(zhì)譜可用于了解膜蛋白如何與其脂質(zhì)環(huán)境相互作用。這是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)實(shí)驗(yàn)需要從細(xì)胞膜中提取蛋白質(zhì)組裝體，并且該過(guò)程通常擾亂蛋白質(zhì)-脂質(zhì)相互作用。主要目標(biāo)是保持膜蛋白處于其天然狀態(tài)，其相關(guān)脂質(zhì)完整，而復(fù)合物轉(zhuǎn)移到氣相中。我們的一個(gè)令人興奮的突破是從脂質(zhì)囊泡釋放蛋白質(zhì)復(fù)合物并將它們直接發(fā)射到質(zhì)譜儀中。未來(lái)的發(fā)展將涉及將這種技術(shù)應(yīng)用于來(lái)自各種不同組織類型的膜。

佐治亞大學(xué)Gregory Robinson教授：我們面臨的全球挑戰(zhàn)-例如發(fā)展可再生能源、消除疾病、建立更有效的糧食生產(chǎn)流程和應(yīng)對(duì)氣候變化-都是令人望而生畏的。雖然解決這些不同問(wèn)題的辦法必然是多方面的，但地球豐富的主要組元的化學(xué)無(wú)疑將發(fā)揮重要作用。值得注意的是，這些問(wèn)題的化學(xué)作用以及解決這些問(wèn)題的方法必須有效地傳達(dá)給一般公眾和政府官員。因此，在培養(yǎng)化學(xué)家時(shí)，我們必須更多地注重公開(kāi)演講和一般寫(xiě)作技能。未來(lái)將需要優(yōu)雅的化學(xué)和雄辯的化學(xué)傳播者。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)Timothy W. Schmidt教授：現(xiàn)在已經(jīng)知道單線態(tài)裂變發(fā)生在許多分子系統(tǒng)中，并且出現(xiàn)了快速有效的吸熱單線態(tài)裂變的設(shè)計(jì)規(guī)則。為了正確利用這一現(xiàn)象并提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，我們必須學(xué)會(huì)如何有效地將分子三重態(tài)激子直接或由光子介導(dǎo)轉(zhuǎn)移到硅等半導(dǎo)體上。最具挑戰(zhàn)性的發(fā)展將是發(fā)現(xiàn)在陽(yáng)光下不會(huì)降解的高效吸熱單線態(tài)裂變材料。

意大利佛羅倫薩大學(xué)Roberta Sessoli教授：性能更好的催化劑、能耗更低的設(shè)備以及更高效的能源生產(chǎn)流程構(gòu)成了可持續(xù)發(fā)展世界的必經(jīng)之路。電子的自旋在涉及電子轉(zhuǎn)移的所有過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，并且自然進(jìn)化通過(guò)選擇手性作為關(guān)鍵組分來(lái)優(yōu)化這些過(guò)程。我們剛剛開(kāi)始理解旋轉(zhuǎn)自由度和分子手性之間相互作用的豐富性。開(kāi)發(fā)用于在分子尺度上研究和控制自旋相關(guān)電子傳輸?shù)男鹿ぞ撸部梢栽谛屡d的量子技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟新的視角。

帝國(guó)理工學(xué)院Aron Walsh教授：現(xiàn)在是化學(xué)家放下實(shí)驗(yàn)室外套并學(xué)習(xí)如何編碼的時(shí)候了。現(xiàn)在，計(jì)算化學(xué)正在發(fā)生許多激動(dòng)人心的變化，從開(kāi)放源碼協(xié)作工具的使用，結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展，到化學(xué)系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)的第一次成功。這個(gè)領(lǐng)域徹底改變了。化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)之間的交叉是具有挑戰(zhàn)性的，但卻是有益的。通過(guò)利用這些工具，未來(lái)我們將探索新的化學(xué)物質(zhì)并發(fā)現(xiàn)具有奇異特性的材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自然界中可以找到的物質(zhì)。

英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)Allan J. B. Watson教授：對(duì)催化反應(yīng)的先驗(yàn)設(shè)計(jì)的計(jì)算預(yù)測(cè)將是正在進(jìn)行的合成化學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要課題。通過(guò)對(duì)特定性能良好的催化系統(tǒng)的參數(shù)化研究，我們已經(jīng)看到了這一技術(shù)的出現(xiàn)。這一領(lǐng)域的一個(gè)重大挑戰(zhàn)將是如何使解決方案的動(dòng)態(tài)合理化并最終加以控制。了解多配體和多金屬體系的動(dòng)力學(xué)，從一開(kāi)始就建立起控制機(jī)制，這對(duì)于開(kāi)發(fā)新的催化反應(yīng)，促進(jìn)新的應(yīng)用和加快化學(xué)合成具有重要的意義。

荷蘭烏得勒支大學(xué)Bert M. Weckhuysen教授：我們的社會(huì)應(yīng)該變得更加可持續(xù)化，因此我們必須考慮“循環(huán)利用”。目前的化學(xué)過(guò)程被設(shè)計(jì)為有效地將X轉(zhuǎn)換成Y，但是在使用之后還沒(méi)有將Y轉(zhuǎn)換回X。因此，必須設(shè)計(jì)分子或材料Y以便我們可以容易地回收它并制造X或一種全新的分子或物質(zhì)。這種思維方式（“原子和分子的循環(huán)”）將影響許多化學(xué)領(lǐng)域，包括催化、有機(jī)化學(xué)和材料化學(xué)，因?yàn)槲覀儽仨毢铣晌覀兊娜粘Ｓ闷罚粌H要經(jīng)久耐用，還要進(jìn)行化學(xué)回收。

香港大學(xué)任詠華（Vivian W.-W. Yam）院士：盡管化學(xué)家展示了令人印象深刻的創(chuàng)造力和復(fù)雜的合成技術(shù)，但仍然很難精確控制分子如何包裝、排列和自組裝來(lái)制造功能性分子材料。要做到這一點(diǎn)，就需要控制各種非共價(jià)分子力的微妙平衡（它們將分子聚集在一起）以及分子內(nèi)力（它們控制分子構(gòu)象和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）。此外，通過(guò)產(chǎn)生和利用分子的激發(fā)態(tài)，通過(guò)自旋態(tài)的混合和金屬特征的引入，來(lái)擴(kuò)展已經(jīng)多樣化的分子庫(kù)，將為發(fā)光、光催化和光能技術(shù)的突破創(chuàng)造幾乎無(wú)限的、令人興奮的機(jī)會(huì)。

中國(guó)科學(xué)院大連化物所楊學(xué)明院士：在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究中，最令人激動(dòng)的成果即是開(kāi)發(fā)出有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)或理論方法。這樣的方法包括真空紫外和X射線波段的自由電子激光，它能以前所未有的分辨率和靈敏度檢測(cè)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，并使我們有機(jī)會(huì)研究更多更復(fù)雜的反應(yīng)。在理論方面的進(jìn)展，比如更高精度的密度泛函理論，可以使我們得以在更高的精度下研究和解釋更加復(fù)雜反應(yīng)的機(jī)理。最為重要的是日益增進(jìn)的理論化學(xué)與實(shí)驗(yàn)化學(xué)的互動(dòng)與交融，這將推動(dòng)化學(xué)作為一門(mén)實(shí)實(shí)在在的科學(xué)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

化學(xué)的未來(lái)與挑戰(zhàn)（二）——合成化學(xué)

合成化學(xué)是化學(xué)中的重中之重，活性天然產(chǎn)物、藥物分子、材料分子和農(nóng)用化學(xué)品等都離不開(kāi)化學(xué)合成，那么，未來(lái)化學(xué)的發(fā)展對(duì)于合成方式和合成效率又有什么要求呢？

普渡大學(xué)Suzanne Bart教授：研究Ac系的化學(xué)家處于合成無(wú)機(jī)化學(xué)的最前沿，并且每天都在突破著元素周期表的界限。5f元素提供的令人驚訝的反應(yīng)產(chǎn)物不斷挑戰(zhàn)Ac系科學(xué)家開(kāi)放思想并創(chuàng)造性地思考化學(xué)行為。設(shè)備和計(jì)算技術(shù)的最新進(jìn)展減輕了處理放射性物質(zhì)的難度，為進(jìn)一步探索這一研究領(lǐng)域開(kāi)辟了新天地。作為化學(xué)團(tuán)體的一部分，通過(guò)無(wú)機(jī)合成幫助建立基本化學(xué)性質(zhì)并揭示這些元素的基本反應(yīng)性是一項(xiàng)令人興奮的工作。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)高等研究院Sukbok Chang教授：合成化學(xué)中最令人興奮的研究課題之一是獲得對(duì)基本反應(yīng)機(jī)制更好的理解，從而開(kāi)發(fā)使動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上不利的轉(zhuǎn)化能夠發(fā)生的催化體系。特別是，從易于得到的原料-如簡(jiǎn)單烴類的直接C-H鍵官能化，來(lái)獲得增值的化合物。一種直接的方法是使用C-H鍵活化策略和環(huán)境友好的氧化方法對(duì)烴類的脫氫交叉偶聯(lián)。通過(guò)設(shè)計(jì)催化劑體系可以調(diào)控反應(yīng)性和選擇性，該催化劑體系可以避免對(duì)原料的預(yù)官能團(tuán)化，并且還可以避免有害的副產(chǎn)物。

加拿大女王大學(xué)Cathleen Crudden教授：將分子水平合成方法和分析技術(shù)應(yīng)用于材料化學(xué)是非常苛刻的，但也非常有趣。我們正在通過(guò)使用N-雜環(huán)卡賓（NHC）作為金屬超級(jí)原子團(tuán)簇的配體來(lái)解決這一挑戰(zhàn)。卡賓的優(yōu)點(diǎn)是金屬-碳鍵為NMR分析提供了漂亮的手柄，可以直接表征配體-納米團(tuán)簇鍵。NHC的簡(jiǎn)潔分子化學(xué)特性能夠?yàn)榧{米團(tuán)簇合成開(kāi)發(fā)合理的合成路線，我們希望這些途徑能廣泛適用于各種納米材料。

普林斯頓大學(xué)Abigail G. Doyle教授：化學(xué)反應(yīng)和分子結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的高維空間中。合成化學(xué)家在這一領(lǐng)域有著廣泛的知識(shí)和直覺(jué)，然而化學(xué)反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化仍然消耗了大量的時(shí)間和物質(zhì)資源，而對(duì)數(shù)據(jù)的利用卻是有限的。機(jī)器學(xué)習(xí)和化學(xué)之間的聯(lián)系工具的發(fā)明將加強(qiáng)當(dāng)前的實(shí)踐，加快分子發(fā)現(xiàn)的步伐，這對(duì)于許多社會(huì)關(guān)注的突出問(wèn)題至關(guān)重要。要取得進(jìn)展，就需要一批不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師發(fā)明新的數(shù)據(jù)收集和管理、描述化學(xué)空間，以及針對(duì)化學(xué)問(wèn)題的預(yù)測(cè)和可解釋算法的新方法。

上海交通大學(xué)樊春海教授：一個(gè)令人激動(dòng)的學(xué)科前沿是理解人工設(shè)計(jì)的核酸結(jié)構(gòu)如何在活細(xì)胞和動(dòng)物體內(nèi)組裝并發(fā)揮作用。創(chuàng)造新的工具來(lái)控制活細(xì)胞內(nèi)的天然和人工核酸分子的組裝過(guò)程，將有可能為核酸化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化，從而推動(dòng)納米診療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。更長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮的話，另一個(gè)大有可為的研究方向是探索和發(fā)展具有人工智能的DNA或RNA機(jī)器人，并在動(dòng)物和人體內(nèi)工作。（參考來(lái)源：上海交通大學(xué)化學(xué)院）

上海交通大學(xué)馮新亮教授：合成化學(xué)的一個(gè)主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)有助于應(yīng)對(duì)當(dāng)前社會(huì)挑戰(zhàn)的新材料，從而更多地使用可持續(xù)能源、智能制造或健康信息學(xué)。長(zhǎng)期以來(lái)，可用于傳輸電子、自旋、離子和光子且具有神秘物理或化學(xué)性質(zhì)的新型凝聚態(tài)物質(zhì)一直是化學(xué)合成的目標(biāo)。合成這些新物質(zhì)需要開(kāi)發(fā)新的合成方法和策略。開(kāi)發(fā)過(guò)程本身就需要?jiǎng)?chuàng)造性思維，才可在原子和分子水平上設(shè)計(jì)并可控合成出具有特殊結(jié)構(gòu)和可定制性能的理想材料。（參考來(lái)源：上海交通大學(xué)化學(xué)院）

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)所李昂研究員：在天然產(chǎn)物合成領(lǐng)域，借助計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)合成路線可能會(huì)成為一個(gè)越來(lái)越有吸引力的方向。與相對(duì)“扁平”的藥物相比，立體化學(xué)復(fù)雜的天然產(chǎn)物仍然是計(jì)算方法的挑戰(zhàn)性目標(biāo)。基于對(duì)生物合成網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析以發(fā)現(xiàn)未被充分認(rèn)識(shí)的反向合成的策略可以顯著改善計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)路線的實(shí)用性和普適性。此外，負(fù)責(zé)天然產(chǎn)物生物合成中酶促反應(yīng)（或反應(yīng)級(jí)聯(lián)）的基因簇可能是計(jì)算機(jī)的有利工具，有可能使化學(xué)和酶結(jié)合途徑線在不久的將來(lái)更加普遍。

奧地利維也納大學(xué)Nuno Maulide教授：有機(jī)合成中令人興奮的機(jī)會(huì)當(dāng)然包括開(kāi)發(fā)專門(mén)的方法來(lái)操縱有機(jī)化合物中的C-H鍵，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了對(duì)大量人工化合物和生物質(zhì)進(jìn)行“解構(gòu)”的新反應(yīng)。的確，有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域無(wú)疑已經(jīng)對(duì)C-C鍵形成反應(yīng)產(chǎn)生了興趣，但同樣強(qiáng)大的C-C鍵裂解過(guò)程的研究卻相對(duì)滯后。將精細(xì)的化學(xué)過(guò)程擴(kuò)展到智能材料和適應(yīng)性有機(jī)分子領(lǐng)域也可能是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的努力。

加州大學(xué)伯克利分校Richmond Sarpong教授：有機(jī)合成是改善我們生活的大量醫(yī)藥、材料和農(nóng)用化工工業(yè)的基礎(chǔ)。在21世紀(jì)，我們的目標(biāo)不僅是掌握操縱有機(jī)分子外圍的能力，而且要精確地打破和改革有機(jī)化合物的碳-碳鍵結(jié)構(gòu)，即所謂的“C-C活化”。另一個(gè)令人興奮的方向-信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，以及機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)科學(xué)等許多不同領(lǐng)域的交叉-是利用計(jì)算機(jī)加速發(fā)現(xiàn)制備復(fù)雜分子的穩(wěn)健路徑(策略)。真正實(shí)用的計(jì)算機(jī)輔助合成是非常有前景的！

密西根大學(xué)Corinna Schindler教授：Lewis酸催化羰基-烯烴復(fù)分解反應(yīng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的碳-碳鍵形成新方法。這些轉(zhuǎn)變最令人興奮的方面是它們有望作為替代戰(zhàn)略，使羰基烯烴化和生產(chǎn)功能化烯烴。然而，為了大大拓寬催化羰基-烯烴復(fù)分解的底物范圍，必須要有新的、更強(qiáng)大的Lewis酸。因此，開(kāi)發(fā)新的催化體系，有效地激活目前沒(méi)有反應(yīng)的底物，擴(kuò)大我們能夠創(chuàng)造的產(chǎn)物范圍，將是這一領(lǐng)域未來(lái)研究中最有趣和最有價(jià)值的方面。

西班牙馬德里自治大學(xué)Mariola Tortosa教授：利用被認(rèn)為是惰性的官能團(tuán)開(kāi)發(fā)催化轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。C-C鍵活化的方法仍處于起步階段，這一領(lǐng)域的進(jìn)展改變了科學(xué)家對(duì)設(shè)計(jì)新分子的思考方式。需要選擇性催化劑來(lái)擴(kuò)展用于高度衍生化合物的后期官能化的工具箱，并且該領(lǐng)域的研究將對(duì)加速藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。生物聚合物的選擇性修飾是另一個(gè)令人興奮的前沿領(lǐng)域，生物偶聯(lián)新方法的設(shè)計(jì)是合成化學(xué)家最具挑戰(zhàn)性的機(jī)會(huì)之一。

美國(guó)西北大學(xué)Emily Weiss教授：我相信，激發(fā)態(tài)（非熱）化學(xué)有望成為合成化學(xué)的主要力量。通過(guò)使反應(yīng)分子脫離電子平衡，或者通過(guò)創(chuàng)建新的系統(tǒng)-環(huán)境相互作用以使整個(gè)系統(tǒng)脫離熱力學(xué)平衡，都將使得光化學(xué)和光催化反應(yīng)的反應(yīng)性和選擇性很快變得可控。這種干涉可以通過(guò)將系統(tǒng)耦合到諧振腔以產(chǎn)生新的極化電位表面，或者對(duì)機(jī)械或化學(xué)響應(yīng)于反應(yīng)的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得反饋回路放大催化作用。這些類型的策略更接近天然酶的功能。

威斯康星麥迪遜分校Tehshik Yoon教授：對(duì)映選擇性反應(yīng)需要一些手性信息來(lái)源。在實(shí)踐中，這是由手性化學(xué)試劑提供的，但長(zhǎng)期以來(lái)化學(xué)家們一直假設(shè)手性物理力也可能影響反應(yīng)的立體化學(xué)。圓偏振光（CPL）是一種固有的手性物理力-由各種天文現(xiàn)象自然發(fā)射-并且它已被提出作為益生元同手性的潛在起源。到目前為止，CPL的唯一成功案例是原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，選擇性很低。然而，該問(wèn)題的一般解決方案可以深刻地影響立體選擇性合成，并且對(duì)生命起源提供見(jiàn)解。

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)所游書(shū)力研究員：精準(zhǔn)合成無(wú)疑是合成化學(xué)的首要目標(biāo)。化學(xué)家應(yīng)該考慮如何最大限度地利用大宗化學(xué)原料，包括化石資源和生物質(zhì)，以提高催化化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的效率和選擇性，并提高最終產(chǎn)品的多樣性。就個(gè)人而言，我期待看到惰性化學(xué)鍵和惰性化學(xué)體系的高效和選擇性轉(zhuǎn)化取得進(jìn)一步發(fā)展，以及高級(jí)理論計(jì)算和人工智能的實(shí)施將如何從根本上改變有機(jī)化學(xué)。

化學(xué)的未來(lái)與挑戰(zhàn)（三）——材料和超分子化學(xué)

隨著化學(xué)合成技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)家們也合成了更多的具有優(yōu)異性能的材料，材料科學(xué)和超分子的未來(lái)和挑戰(zhàn)又在哪里呢？

印度科學(xué)與教育研究所Rahul Banerjee教授：下一代多孔性結(jié)晶聚合物或共價(jià)有機(jī)框架材料應(yīng)該克服現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)(DCC)的局限性。因?yàn)楦鱾€(gè)有機(jī)單元的化學(xué)性質(zhì)以及它們之間的連接方式各不相同，共價(jià)鍵的多樣性使材料具有迷人的特性。一旦我們將多孔性結(jié)晶聚合物的合成推進(jìn)到DCC的邊界以外，這些材料將帶來(lái)結(jié)構(gòu)的多樣性，同時(shí)獲得令人興奮的新特性，這將為聚合物工業(yè)提供研究這些材料用于商業(yè)應(yīng)用的新機(jī)會(huì)。另一個(gè)有趣的進(jìn)展可能是設(shè)計(jì)靈活和反應(yīng)靈敏的晶體共價(jià)網(wǎng)絡(luò)。

日本京都大學(xué)Shuhei Furukawa教授：金屬有機(jī)框架材料（MOF）中一個(gè)令人興奮的前沿研究方向是它們?cè)跈C(jī)械應(yīng)力作用下，其可重構(gòu)的微孔結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在才剛剛開(kāi)始了解MOF靈活性的機(jī)制，并設(shè)計(jì)具有多井勢(shì)能圖的材料。進(jìn)一步了解如何將宏觀力轉(zhuǎn)化為分層結(jié)構(gòu)中的分子運(yùn)動(dòng)將有助于微孔率的調(diào)整，而實(shí)現(xiàn)這種“機(jī)械氣孔”的關(guān)鍵是調(diào)和遠(yuǎn)程協(xié)同性和局部結(jié)構(gòu)自由度。我認(rèn)為，控制框架中的缺陷和無(wú)序以及制造諸如凝膠等軟物質(zhì)的最新研究將導(dǎo)致這種進(jìn)步。

印度科學(xué)研究協(xié)會(huì)Suhrit Ghosh教授：超分子聚合物雖然內(nèi)部有序，但也缺乏宏觀的結(jié)構(gòu)規(guī)律性。最新報(bào)道表明，暫時(shí)捕獲處于休眠狀態(tài)的單體，使用合適的引發(fā)劑能夠在受控的超分子鏈增長(zhǎng)聚合中獲得新的可能性。最近，有可能合成具有非常低的分散性和可預(yù)測(cè)的聚合度的超分子聚合物。與共價(jià)嵌段共聚物類似，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)順序可控的多個(gè)結(jié)構(gòu)單元的超分子共聚。這一基本進(jìn)展為在不同尺度上實(shí)現(xiàn)具有結(jié)構(gòu)精度的復(fù)雜分子組裝開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)，例如生物系統(tǒng)中普遍存在的組裝。

的里雅斯特大學(xué)Silvia Marchesan教授：手性已經(jīng)吸引了化學(xué)家近兩個(gè)世紀(jì)，并且在從亞原子到銀河系的尺度上帶來(lái)了意想不到的奇跡。同質(zhì)性在自然界中起著重要的作用，但異質(zhì)組裝在構(gòu)建功能性宏觀網(wǎng)絡(luò)中的重要性和潛在效用不容低估。渴望模仿自然的優(yōu)雅復(fù)雜性的超分子系統(tǒng)也必須是可持續(xù)的。在相關(guān)研究中，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是破解自然的設(shè)計(jì)規(guī)則，使我們能夠?qū)⑿畔⒕幋a到異構(gòu)的構(gòu)建模塊中，以便它們能夠自組裝成具有特定功能的層次結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，就像我們所知道的自然組裝生命的組成部分一樣。

哈佛大學(xué)德克利夫高級(jí)研究所Pan?e Naumov教授：分子晶體是一類獨(dú)特的材料，它結(jié)合了各向異性性質(zhì)固有的結(jié)構(gòu)控制；與中間相材料相比，分子晶體具有快速的能量傳遞、機(jī)械順性和柔性。大量的報(bào)道描述了它們的結(jié)構(gòu)，但還有一個(gè)揮之不去的問(wèn)題-它們到底有多適用？答案在于設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工程原理中，這是一種合成化學(xué)家難以理解的語(yǔ)言。本研究的重點(diǎn)必須從結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向性能，再到功能，除非建立性能指標(biāo)，否則分子晶體的獨(dú)特性質(zhì)將停留在炒作和承諾之間。

西班牙巴塞羅那材料學(xué)會(huì)Rosa Palacin教授: 目前電池研究的前景非常令人興奮，因?yàn)橹饕难芯糠较蚴怯膳c運(yùn)輸、電氣化和可再生能源整合相關(guān)的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的。主要目標(biāo)是通過(guò)使用金屬陽(yáng)極提高電池壽命和提高能量密度，這兩者都需要電化學(xué)、材料科學(xué)和工程方面的技能。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能最近已經(jīng)成為有望獲得顛覆性發(fā)現(xiàn)的途徑。最后，但同樣重要的是，可持續(xù)性至關(guān)重要：必須避免使用危險(xiǎn)材料，應(yīng)促進(jìn)回收利用，并強(qiáng)制使用二氧化碳排放量較低的制造工藝。

麻省理工學(xué)院楊少紅（Yang Shao-Horn）教授：一個(gè)令人興奮的前沿領(lǐng)域?qū)⑹抢贸肿踊瘜W(xué)來(lái)連接生物催化和多相催化，以滿足人們對(duì)水、氮或二氧化碳還原生產(chǎn)化學(xué)品和燃料的需求和可持續(xù)生產(chǎn)的要求。為了發(fā)展基礎(chǔ)知識(shí)和促進(jìn)應(yīng)用，需要利用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算兩種方法設(shè)計(jì)三維催化中心，從而脫離傳統(tǒng)的二維催化劑，并根據(jù)“生物水”的知識(shí)控制催化中心附近的水結(jié)構(gòu)。超越傳統(tǒng)的學(xué)科界限，開(kāi)發(fā)新的原位和時(shí)間分辨研究的新技術(shù)也是這一領(lǐng)域發(fā)展的核心，將使結(jié)構(gòu)與功能聯(lián)系起來(lái)，加強(qiáng)催化劑的設(shè)計(jì)。

新加坡納米生物實(shí)驗(yàn)室Jackie Y. Ying教授：化學(xué)將對(duì)新生物材料的應(yīng)用產(chǎn)生越來(lái)越廣泛的影響，尤其是隨著更復(fù)雜的系統(tǒng)變得可用和實(shí)用。特別是，在生物相容性納米載體的設(shè)計(jì)和合成中需要研究突破，其能夠控制遞送藥物和疫苗-優(yōu)選以口服方式-以及免疫療法的靶向遞送。為控制人類、動(dòng)物、植物和環(huán)境中的傳染病，迫切需要能夠繞過(guò)抗藥性的有機(jī)和無(wú)機(jī)材料形式的新型抗菌劑。

巴西帕拉那聯(lián)邦大學(xué)Aldo J. G. Zarbin教授：全球?qū)δ茉吹男枨笕找嬖黾樱陂_(kāi)發(fā)具有成本效益的材料方面開(kāi)辟了令人興奮的前沿領(lǐng)域，這些材料可以提高可持續(xù)能源技術(shù)的效率而不損害環(huán)境。尋找新的結(jié)構(gòu)、新的合成途徑和新的加工技術(shù)將材料結(jié)合到諸如薄膜之類的器件中，將隨著時(shí)間的推移而變得至關(guān)重要。此外，了解新材料的潛力，例如，納米碳、二維材料、鈣鈦礦、金屬和半導(dǎo)體納米粒子和納米復(fù)合材料，用于有效的太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)換、從水電解制氫、高容量電池和超級(jí)電容器以及水環(huán)境操作裝置仍然是巨大的挑戰(zhàn)。

香港城市大學(xué)張華教授：納米材料由于其優(yōu)異的特性，在光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、傳感器、催化、清潔能源和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。以控制復(fù)合材料的形成以及材料的尺寸、表面、形貌和結(jié)構(gòu)為主要依據(jù)的各種納米材料的制備方法已日趨成熟。另一條路線（也是我們團(tuán)隊(duì)竭力完善中的一條路線）即晶相工程路線：探索發(fā)現(xiàn)已有材料新晶相，特別是亞穩(wěn)態(tài)或新的無(wú)序非晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而探索該類材料的大規(guī)模可控合成，并研究其基于新相的理化性質(zhì)與其工業(yè)應(yīng)用。

化學(xué)的未來(lái)與挑戰(zhàn)（四）——生命科學(xué)

化學(xué)與生命科學(xué)密切相關(guān)，化學(xué)的發(fā)展也必將深刻影響著生命科學(xué)領(lǐng)域。

劍橋大學(xué)Shankar Balasubramanian教授：現(xiàn)在可以快速確定人類基因組的DNA初級(jí)序列，使DNA測(cè)序能夠在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行。下一個(gè)十年將更充分地了解，這些基因信息在何種情況下，可以解釋我們是誰(shuí)，或幫助改善疾病的治療。在更多的分子水平上，DNA的結(jié)構(gòu)和共價(jià)化學(xué)在生命系統(tǒng)中是動(dòng)態(tài)的。了解DNA是如何發(fā)生的，為什么發(fā)生，以及何時(shí)發(fā)生這種變化，這將揭示出分子機(jī)制-除了沃森-克里克堿基配對(duì)，DNA還可以儲(chǔ)存和傳遞指令。畢竟大自然“探索”DNA納米科學(xué)的時(shí)間比我們實(shí)驗(yàn)室里探索的時(shí)間要長(zhǎng)得多。

北京大學(xué)陳鵬教授：一種類似DNA和RNA分子聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的蛋白質(zhì)擴(kuò)增方法將開(kāi)辟許多令人興奮的前沿，包括從單分子蛋白質(zhì)測(cè)序到單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)。然而，蛋白質(zhì)更復(fù)雜的性質(zhì)，尤其是20個(gè)不同氨基酸側(cè)鏈的性質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想面臨的巨大挑戰(zhàn)。然而，一組高效的、正交的化學(xué)反應(yīng)或酶反應(yīng)的發(fā)展能夠選擇性地將不同類型的氨基酸轉(zhuǎn)化為可放大和可分辨的信號(hào)，并結(jié)合創(chuàng)新的數(shù)據(jù)處理方法，最終可能產(chǎn)生一種突破性的技術(shù)，將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為可擴(kuò)增的分子。

荷蘭特溫特大學(xué)Nathalie Katsonis教授：我研究領(lǐng)域最激動(dòng)人心的挑戰(zhàn)是分子運(yùn)動(dòng)規(guī)則的解開(kāi)，因?yàn)樗鼈儗椭覀兪篃o(wú)生命物質(zhì)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。我們?nèi)匀徊恢婪巧锘瘜W(xué)如何能夠轉(zhuǎn)變?yōu)樯夭豢缮俚亩ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)，但我強(qiáng)烈地感覺(jué)到我研究的人造分子機(jī)器將提供答案。在這個(gè)過(guò)程中，我期待著無(wú)與倫比的人造分子機(jī)器，他們能夠協(xié)同工作，并使用反饋回路和非線性響應(yīng)在自適應(yīng)物質(zhì)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。最終，這種化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原始細(xì)胞，從而進(jìn)化出集體和有目的的行為。

瑞典隆德大學(xué)Sara Snogerup Linse教授：分子自組裝是形成生物膜、細(xì)胞器和多聚蛋白質(zhì)等生物結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本過(guò)程。蛋白質(zhì)和多肽的自組裝也參與了幾種毀滅性的人類疾病，盡管在許多情況下，組裝過(guò)程與病理之間的確切聯(lián)系仍有待發(fā)現(xiàn)。這些聚集是一個(gè)原因，還是一個(gè)結(jié)果，還是一個(gè)促成因素？我們能根據(jù)物理化學(xué)原理使用調(diào)制器來(lái)控制組裝和解組裝嗎？我們能否向大自然學(xué)習(xí)并制造出性能可調(diào)控的可轉(zhuǎn)換自組裝材料？為了回答這些問(wèn)題，我們需要闡明區(qū)分有益和致病組裝體的化學(xué)特征。

密西根大學(xué)Alison R. H. Narayan教授: 隨著可利用的天然蛋白質(zhì)序列數(shù)量的指數(shù)增長(zhǎng)和蛋白質(zhì)工程能力的提高，生物催化的潛力是空前的。生物催化在未來(lái)十年對(duì)合成化學(xué)的影響局限于化學(xué)家在自然催化平臺(tái)上的創(chuàng)造性，以及將酶放入我們反應(yīng)瓶中的意愿。了解這些系統(tǒng)中控制催化和選擇性的機(jī)制，將使許多新的反應(yīng)流成為可能，并為傳統(tǒng)方法所不能滿足的挑戰(zhàn)提供解決方案。

南非羅得斯大學(xué)Tebello Nyokong教授：微生物對(duì)藥物的抗藥性以及持續(xù)的空氣和水污染構(gòu)成了重大的科學(xué)挑戰(zhàn)。作為光催化劑的新型“智能雜化”材料在這些關(guān)鍵領(lǐng)域提供了令人興奮的前景。這些雜化材料在不同的部件中結(jié)合了不同的理想性能，但它們共同作用形成了一個(gè)獨(dú)特的多功能結(jié)構(gòu)。可持續(xù)和綠色的光催化劑是一種明智的方法，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒幚磉^(guò)程中不會(huì)釋放任何額外的污染物，而微生物對(duì)它們產(chǎn)生抗藥性的可能性很低。這一領(lǐng)域的進(jìn)展將取決于雜化材料的發(fā)展，這種材料既能降解污染物，又能消除病原體。

麻省理工學(xué)院Gabriela S. Schlau-Cohen教授: 眼見(jiàn)為實(shí)。眾所周知，膜蛋白可以管理生命各個(gè)領(lǐng)域的信息和物質(zhì)的流動(dòng)，但這一非凡成就背后的原因仍不清楚。在分子水平的操作和測(cè)量方面的進(jìn)展使我們?cè)诳臻g和時(shí)間上對(duì)這些蛋白質(zhì)的看法更加敏銳。控制它們的化學(xué)和能量特性的動(dòng)態(tài)-甚至可能是實(shí)時(shí)的-是下一個(gè)前沿領(lǐng)域，在該領(lǐng)域，在人類健康和農(nóng)業(yè)方面有可能采用新技術(shù)，同時(shí)對(duì)這些重要和無(wú)處不在的分子有著基本的理解。

加拿大麥吉爾大學(xué)Hanadi Sleiman教授: 核酸作為治療手段、診斷工具和納米結(jié)構(gòu)，有望改變醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)的面貌。這一領(lǐng)域的兩個(gè)挑戰(zhàn)是細(xì)胞傳遞和大規(guī)模合成。隨著去年批準(zhǔn)的第一個(gè)siRNA治療，以及第一個(gè)中等規(guī)模的合成現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，我們正在取得卓越的進(jìn)展。但是，要理解核酸材料與生物環(huán)境之間的界面，還有很長(zhǎng)的路要走。當(dāng)我們中的許多人夢(mèng)想將DNA的前所未有的可編程性應(yīng)用于光學(xué)、電子、磁或刺激響應(yīng)材料時(shí)，實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想需要可規(guī)模化的合成和穩(wěn)定的DNA結(jié)構(gòu)。

英國(guó)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室John Sutherland教授：在過(guò)去的十年中，系統(tǒng)化學(xué)方法加速了對(duì)現(xiàn)存生物學(xué)的氨基酸、核苷酸和脂質(zhì)模構(gòu)建塊的益生元合理途徑的發(fā)現(xiàn)，除此之外，還沒(méi)有更多的別的進(jìn)展，這讓我們拒絕相信化學(xué)選擇具有自然選擇能力的觀點(diǎn)。通過(guò)提煉這些合成所依據(jù)的常見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)所提出的粗糙地球化學(xué)設(shè)想，反過(guò)來(lái)應(yīng)該簡(jiǎn)化化學(xué)過(guò)程。我們現(xiàn)在尋求脂質(zhì)囊泡中RNA和肽的協(xié)同，復(fù)制組裝過(guò)程。我們還必須考慮能量耗散如何使這種系統(tǒng)保持在非平衡狀態(tài)以及如何引發(fā)這些過(guò)程。

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Annette Taylor教授：在細(xì)胞中發(fā)生的反應(yīng)仍然是生產(chǎn)復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)的最有效手段，系統(tǒng)和合成生物學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)使得這些細(xì)胞過(guò)程顯著控制。另一種方法受到創(chuàng)造人工生命目標(biāo)的啟發(fā)，涉及相互作用化學(xué)物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的劃分。在我們能夠以與生物學(xué)相同程度的穩(wěn)健性控制這些混合物之前，系統(tǒng)化學(xué)還有很長(zhǎng)的路要走，然而，隨著我們?cè)絹?lái)越擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)生物激發(fā)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)可能會(huì)從微生物轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣杉?xì)胞工廠。

加州大學(xué)圣地亞哥分校Akif Tezcan教授：蛋白質(zhì)是構(gòu)建復(fù)雜的生物化學(xué)機(jī)器和動(dòng)態(tài)材料的最終構(gòu)建模塊，其中nm到mm尺度，使無(wú)生命的變?yōu)橛猩摹７肿釉O(shè)計(jì)的一個(gè)重要前沿將是在如此長(zhǎng)的尺度上規(guī)劃蛋白質(zhì)構(gòu)建塊的自組裝能力，以及它們以時(shí)間和空間控制的方式與其他形式的生物或非生物物質(zhì)可預(yù)見(jiàn)地相互作用、組織和重組的能力。沿著這些方向，另一個(gè)令人興奮的研究途徑將是設(shè)計(jì)和發(fā)展合成蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)組裝，其可以比現(xiàn)代生物利用更多的周期表中元素。

荷蘭拉德堡德大學(xué)（奈梅亨大學(xué)）Daniela Wilson教授：在開(kāi)發(fā)復(fù)雜生命的分子系統(tǒng)中，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是理解和設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)既可以通過(guò)采集不同的能量來(lái)源，又能感知、交流、互動(dòng)和響應(yīng)來(lái)自其環(huán)境的信號(hào)，并適應(yīng)其變化。這些仿生活動(dòng)系統(tǒng)最終能夠響應(yīng)于來(lái)自其復(fù)雜的生物環(huán)境的線索來(lái)控制它們的運(yùn)動(dòng)、方向性、速度和行為。這些特性可能改變生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的游戲規(guī)則，目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域僅依賴于被動(dòng)的高劑量藥物輸送系統(tǒng)。

撰稿：詩(shī)路化語(yǔ)