理系論文まとめ37回目 Nature communication 2023/7/17
単一原子触媒の挙動・電気化学C-H反応が分かりつつある！
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNature communicationです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
Deep-profiling of phospholipidome via rapid orthogonal separations and isomer-resolved mass spectrometry
高速直交分離と異性体分解質量分析によるリン脂質ドームのディーププロファイリング
「新しい脂質分析手法の開発により、脂質イソマーの詳細なプロファイリングが可能になり、病気の診断や理解を推進。」
Atlas-scale single-cell multi-sample multi-condition data integration using scMerge2
scMerge2を用いたアトラス規模のシングルセル・マルチサンプル・マルチ条件データ統合
「scMerge2は、大規模なシングルセル研究の統合を可能にし、疾患研究に新たな洞察を提供します。」
Location-selective immobilisation of single-atom catalysts on the surface or within the interior of ionic nanocrystals using coordination chemistry
配位化学を用いたイオン性ナノ結晶の表面または内部への単一原子触媒の位置選択的固定化
「触媒としての性能を改善するための単一原子の位置選択的配置法の開発。」
Carbene-catalyzed chemoselective reaction of unsymmetric enedials for access to Furo[2,3-b]pyrroles
カルベン触媒を用いた非対称エネジアルの化学選択的反応によるフロ[2,3-b]ピロール類の合成
「不均一エネダイアルの化学選択性反応を開発し、効率的にフロ[2,3-b]ピロール誘導体を合成。」
Electrocatalyzed direct arene alkenylations without directing groups for selective late-stage drug diversification
選択的な後発医薬品多様化のための電気触媒を用いた直接アレーンアルケニル化反応
「指向性基を必要とせずにパラジウム-電気化学的C–Hオレフィネーションを行う効率的かつ廃棄物を減らす方法と、位置選択性を予測するための機械学習の革新的な使用を示しています。」
Strong bulk photovoltaic effect in engineered edge-embedded van der Waals structures
人工エッジ埋め込みファンデルワールス構造における強いバルク光起電力効果
「ファン・デル・ワールスナノエッジによるバルク光電変換効果の新規解析とそのエネルギー収集への応用。」
要約
高速直交分離と異性体分解質量分析によるリン脂質ドームのディーププロファイリング
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40046-x
この研究では、液体クロマトグラフィー-イオン移動度分光法(LC-IMS)と質量分析(MS/MS)を組み合わせた新しい方法を提案し、脂質イソマーを詳細にプロファイリングすることが可能となった。
a Extracted ion mobilograms (EIMs) of five GPL standards detected in positive ion mode ([M + H]+ for PC, PE, and PS, [M + NH4]+ for PG and PI, upper panel) and negative ion mode ([M–H]− for PG, PI, PS, and PE, [M + HCO3]− for PC, lower panel). b Negative ion mode MS1 spectrum of a 10:1 mixture of PC 16:0/18:1 and PC 18:0/16:0, detected as [M + HCO3]−. c Zoomed-in MS2 CID spectrum of m/z 822.59 formed in panel b without TIMS separation. Only the m/z region of sn-1 fragment is shown. Inset shows the structure of the sn-1 18:0 fragment (m/z 447) derived from MS2 CID of PC 18:0/16:0 ([M + HCO3]−). d EIMs of m/z 822.585 (black trace) formed in panel b with a scan rate of 1 V/ms and 0.06 V/ms during TIMS separation. The +2 Da isotope of PC 16:0/18:1 and the mono-isotope of PC 18:0/16:0 are gaussian deconvoluted and shaded in red and blue, respectively. Resolving power (R) is listed. Mobility-resolved (e) MS1 spectrum and (f) MS/MS spectrum of m/z 822.59 isolated from 1/K0 of 1.464–1.482 V•s/cm2 in panel d. g Comparison of the purity of PC 18:0/16:0 without and with TIMS separation (N = 3 independent experiments). Bars represent mean values ± standard deviation (SD). (h) Schematic presentation of triFAP PB-MS2 CID for generating C = C diagnostic ions. (i) Extracted ion chromatograms (EICs) of unreacted PE 16:0/18:1(n-9) (blue trace) and triFAP-modified PE 16:0/18:1(n-9) (red trace). j EIMs of unreacted PE 16:0/18:1(n-9) (blue trace) and triFAP-modified PE 16:0/18:1 (n-9) (red trace). k MS2 CID spectrum of triFAP-derivatized PE 16:0/18:1(n-9) ([PBM + H] +, m/z 892.6). Source data are provided as a Source Data file.
①事前情報 :
脂質は多数の異性体と同位体を持つが、これらを区別するのは困難である。しかし、詳細な脂質プロファイリングは、脂質代謝の異常を捉え、病気の早期発見や診断に役立つ可能性がある。
②行ったこと :
親水性相互作用液体クロマトグラフィー(HILIC)と罠イオン移動度分光法(TIMS)の直交分離能力を活用して、脂質異性体の詳細なプロファイリングを行った。さらに、リン脂質とリン酸イソボリンのダブルボンドの位置を特定するために、HILIC-TIMSにイソマー解決MS/MS法を統合した。
③検証方法 :
このシステムは、短時間で(<10分/ラン)、高感度(nMの検出限界)で、広範囲にわたる脂質のプロファイリングを可能にした。その後、研究者たちは自分たちで開発したソフトウェア、LipidNovelistを使用してデータ分析を行った。
④分かったこと :
この新システムにより、従来の方法では識別できなかったリン脂質とリン酸イソボリンのダブルボンドの位置異性体の相対量を測定し、ヒトの膀胱がん組織のフェノタイピングが可能となった。これにより、健康と病気の状態における脂質代謝の研究において、イソマー分析の重要性が示された。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
新たなHILIC-TIMS-MS/MSワークフローは、脂質の詳細なプロファイリングを短時間で行うことができ、データ分析を自動化するソフトウェアLipidNovelistを開発したことで、手間を省くことができる。これらの結果は、脂質代謝の異常を捉える手法を改善する可能性がある。
応用先
この新たな方法は、病気の早期発見や診断、特に脂質代謝異常が関与する疾患（例えば、心疾患、糖尿病、神経変性疾患、癌など）の理解に対する新たな視点を提供することができる。
scMerge2を用いたアトラス規模のシングルセル・マルチサンプル・マルチ条件データ統合
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39923-2
本研究では、多様な研究からの大規模なシングルセルデータセットを統合するための新たなスケーラブルなアルゴリズム、scMerge2を提案します。
This new scalable algorithm uses (i) hierarchical integration to capture both local and global variation; (ii) pseudo-bulk construction to reduce computational load; and (iii) phenotype specific pseuduo-replicate, and outputs adjusted expression matrix for millions of cells ready for downstream analysis.
①事前情報 :
シングルセルデータセットは、生物学的な洞察を深めるための価値あるリソースであるが、これらを有効に統合することは未だ困難である。特に、大規模な多標本、多条件のシングルセルデータセットの統合は、計算上の挑戦を伴います。
②行ったこと :
scMerge2という新たなスケーラブルなアルゴリズムを開発し、大規模なシングルセルデータセットを統合できることを示しました。このアルゴリズムは、階層的統合、擬似バルク構築、擬似複製など、3つの主要な革新的な手法を用いています。
③検証方法 :
1000以上の個体からなる5百万セル以上の大規模なCOVID-19データセットを用いてscMerge2の効果を検証しました。
④分かったこと :
scMerge2を用いて統合されたデータセットは、COVID-19患者の重症度を区別する性能を向上させ、シングルセル解析を容易に行うことができました。
⑤独創的なところ :
多くの既存の統合手法はデータセットの多様性を考慮していないが、scMerge2はこの問題を解決するために、階層的統合という革新的なアプローチを取り入れました。
応用
scMerge2は、生物学的な洞察を深めるためのシングルセルデータセットの統合を容易にします。また、COVID-19やがんなどの疾患研究の進行を促進する可能性もあります。
配位化学を用いたイオン性ナノ結晶の表面または内部への単一原子触媒の位置選択的固定化
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40003-8
本研究では、触媒として作用する単一原子をサポート材料の表面や内部に意図的かつ選択的に配置する方法を開発しました。これにより、光触媒水素生成反応における触媒としての安定性が向上しました。
Immobilization of single atoms to a support can occur at surface and/or interior locations, and the different locations leads to different catalytic properties.
事前情報
単一原子（SA）触媒は、全ての活性原子を表面で利用でき、サポート材料との相互作用によってその特性を調整できるため、有望な触媒とされています。しかし、これらの単一原子をサポート材料の表面や内部に意図的かつ選択的に配置する方法については、これまでほとんど知られていませんでした。
行ったこと
本研究では、金属複合体の前駆体、溶媒、そして処理手順を選択することで、単一原子の位置選択的配置を達成しました。具体的には、無水溶媒系を使用しcis-[PtCl2(SO(CH3)2)2]（dmso：ジメチルスルホキシド）を前駆体として用いることで、CdSeナノプレートレット（NPLs）の表面に単一のPt原子を選択的に配置しました。
検証方法
プラチナ（Pt）単一原子の位置を確認するために、ナノプレートレットの原子的な厚さと極めて高いPt単一原子のローディングを活用しました。その結果、表面に吸着されたPt単一原子は、内部に取り込まれたものよりも、光触媒による水素生成に対する触媒としての安定性が高いことが明らかになりました。
分かったこと
サポート材料の表面に単一のPt原子を吸着させると、内部に取り込まれたものよりも光触媒による水素生成に対する触媒としての安定性が高まることが分かりました。また、内部に取り込まれたPt原子の存在が完全に排除されると、活性がさらに高まることが示されました。
この研究の面白く独創的なところ
この研究の特徴は、金属複合体の前駆体や溶媒の選択により、単一原子をサポート材料の表面や内部に意図的かつ選択的に配置する方法を初めて開発した点です。
応用
この研究で開発された技術は、触媒の設計と合成において、単一原子の位置制御を可能にし、その結果、光触媒水素生成反応などの触媒としての安定性と活性を向上させることができます。
カルベン触媒を用いた非対称エネジアルの化学選択的反応によるフロ[2,3-b]ピロール類の合成
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39988-z
不均一エネダイアルのカルベン触媒による化学選択性反応を開発し、その結果、バイシクリックなフロ[2,3-b]ピロール誘導体を高い選択性で合成する新たなアクセス方法を提供しました。
a Approaches for selective controls. b Selective oxidation via redox event.
①事前情報：
2つまたは複数の機能基の化学選択性反応は化学の持続的な課題であり、N-ヘテロ環状カルベン（NHC）触媒は多様な反応に対する独自の活性化と反応モードを提供します。しかし、基質/触媒の酸化還元特性による高い化学選択性はこれまで未開発でした。
②行ったこと：
不均一エネダイアルをフロ[2,3-b]ピロール含有分子に変換する新たなケモ-およびエナンチオ選択的戦略を開発しました。Breslow中間体の酸化イベントにより全体的な化学選択性が大幅に向上しました。
③検証方法：
高解像度質量分析（HRMS）を通じての機構的研究が行われ、私たちのプロセスが2つのキーとなるステップで化学選択的であることが示唆されました。
④分かったこと：
不均一エネダイアルの化学選択的反応は酸化プロセスを通じて達成することができ、この反応は四つの新しい化学結合と二つのキラル中心を形成し、優れたジアステレオ-およびエナンチオ選択性でバイシクリックなフロ[2,3-b]ピロール誘導体を得ることができました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
これまで未開発だった触媒と基質/試薬の酸化還元特性を活用し、反応結果に対して非通常の制御を実現する新たなアプローチを開発した点です。
応用
この研究で開発された化学選択性反応は、天然物や医薬品に広く見られるフロ[2,3-b]ピロール構造単位とその類似体の効率的な合成を可能にします。
選択的な後発医薬品多様化のための電気触媒を用いた直接アレーンアルケニル化反応
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39747-0
本研究では、指向性基を必要とせずに、パラジウム-電気化学的C-Hオレフィネーション法を開発しました。さらに、位置選択性を予測するための機械学習モデルを開発しました。
a Directing group (DG)-assisted oxidative C–H activation by installation and removal of DG. b Molar amount of electrons per 1000 euro from electricity and chemical oxidants. PIFA = (bis(trifluoroacetoxy)iodine)benzene. PIDA = (Diacetoxyiodo)benzene. c Electrochemical DG-free C–H olefination. d Machine learning in position-selectivity prediction. e Effects of the electrode material onto site-selectivity. f Late-stage functionalization of pharmaceutical molecules. (Potential DG was highlighted in gray).
①事前情報：
一般的に、アレーンの機能化にはC–H活性化のための指向性基が必要で、これにより追加の合成ステップが必要となり、望ましくない廃棄物が生成されます。電気化学的C–H活性化において指向性基を使用することは広く行われていますが、その効率は低いです。
②行ったこと：
外部の指向性基を使用せずにアレーンのパラジウム-電気化学的C-Hオレフィネーション法を開発しました。この方法は穏やかな反応条件で機能し、化学酸化剤を避けます。また、電気化学的C–Hオレフィネーションにおける位置選択性を予測するための機械学習モデルを構築しました。
③検証方法：
このプロトコルは、多種多様な電子供与型および電子不足型のアレーンに対して試験されました。さらに、複雑な医薬品化合物の後期機能化に適用されました。機械学習モデルの位置選択性の予測は、実験結果と比較して評価されました。
④分かったこと：
開発されたプロトコルは、多種多様なアレーンに対して高度に効果的であり、穏やかな条件下で、強い定量的酸化剤を使用せずに機能しました。機械学習モデルは位置選択性の精度の高い予測を提供しました。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
本研究は、指向性基の使用を必要とせずにアレーンのオレフィネーションを行う新たな方法を提供し、ステップと原子経済性を向上させています。また、化学分野での予測目的のための機械学習を採用しており、位置選択性に対する革新的なアプローチを示しています。
応用
この方法は、保護と指向性基操作の必要性を排除し、廃棄物を減らし効率を向上させることで、複雑な医薬品化合物の生産に非常に有益です。
人工エッジ埋め込みファンデルワールス構造における強いバルク光起電力効果
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39995-0
本研究では、バルク光電気効果（BPVE）の可能性を探求するために、ファン・デル・ワールス（vdW）ホモまたはヘテロ構造に組み込まれたナノエッジを提案しています。
a Scanning transmission electron microscope image (STEM) and schematic of ReS2 crystal from top view. b Cross-sectional schematic of nano edges in mechanically exfoliated vdW layered materials. Purple region represents the substrate. c, d Cross-sectional schematic of edge-embedded vdW homo- or hetero-structures proposed in this work. Effective vdW coupling between bottom edge regions and top vdW materials can result in strong symmetry-breaking and quasi-one-dimensional edge-embedded structures, which host strong bulk photovoltaic effect (BPVE). Symbols “” and “” represents the y and -y direction of BPVE-induced photocurrents IBPVE, respectively. The dashed-line enclosed area schematically shows the whole edge-embedded structure.
事前情報
BPVEは、エコエネルギー収集の一部として、光を電力に変換する効率的な手段を提供します。光電変換の効率をさらに向上させるための一つのアプローチとして注目されています。
行ったこと
低対称1D vdWナノエッジを用いた、エッジ埋め込みホモまたはヘテロ構造を構築しました。これらの構造は、異なる物質から作成することが可能で、その数は数千にも及びます。
検証方法
エッジ埋め込み構造のBPVE効果を評価し、その光電流がエッジの向きと入射光の偏光にどのように依存するかを調査しました。
分かったこと
エッジ埋め込み構造により、強いBPVEが誘導されることがわかりました。また、左右のエッジで光電流の極性が逆転することが観察されました。
この研究の面白く独創的なところ
それまで一般的なvdW材料では無視されていたナノエッジの有用性を明らかにし、BPVEの調査に対する新たなプラットフォームを提示しました。さらに、提案した方法は、さまざまなvdW層材料を使用して作成でき、その種類は非常に豊富であり、新たなデバイスエンジニアリングの可能性を開きます。
応用
この研究は、エネルギーハーベスティングの効率を向上させる可能性があり、具体的には、太陽電池の効率向上に寄与する可能性があります。また、新たな物理的現象の探求や、新たなデバイスの設計とエンジニアリングに役立つ可能性があります。
最後に
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