科技名刊精選

Nature

山峰植物物種豐度加速提高與氣候變暖相關

Nature封面：阿爾卑斯山脈東部Piz Lagalb山巖石中的高山點地梅（Androsace alpina）。Nature雜志第7700期封面文章報道了Manuel Steinbauer及其同事考察過去145年來歐洲302座山峰的植物物種豐度變化。植被調查數據表明，歐洲大部分山峰的植物物種豐度在這一階段都顯著提高了，而且在加速提高，表現為過去10年的物種豐度是50年前的5倍。作者的分析揭示了物種豐度提高速率與氣候變暖速率之間的正相關關系，這意味著即使在地球上的偏遠地區，氣候引發的生物性變化也在加速發生。

手性等離子體激元金納米粒子的氨基酸及肽指導的合成

Nature封面：三維納米粒子。Nature雜志第7701期封面文章報道了一種基于溶液的合成均相高手性金納米粒子并控制其各自毒性的方法。在存在半胱氨酸或基于半胱氨酸的肽的情況下制備金，半胱氨酸或基于半胱氨酸的肽對映選擇性地結合金種子的高密勒指數結晶學平面，從而誘導產生手性。納米制造技術的進步使手性研究從有機化學中的傳統“鏡像”分子延伸到三維金屬納米結構。與具有手性的有機物類似，這些金屬結構表現出光學活性，每種鏡像形式與圓偏振可見光的相互作用都不一樣。

催化置換反應打破有機化學合成規則

Nature封面：分子控制。Nature雜志第7702期封面文章報道了如何利用一種通常無法控制的反應機制，從外消旋混合物中選擇性地生成四面體手性中心。單分子親核取代反應（SN1）在有機化學教科書中無處不在。它允許引入的親核試劑通過平面陽離子中間體，取代碳原子上已有的取代基之一。但是該機制的性質意味著親核試劑可以從任一面接近反應碳原子，也就是說一般不可能選擇性地添加外來基團。但是通過使用手性氫鍵催化劑和路易斯酸，Jacobsen和他的團隊打破了這一規則，使得SN1反應以立體控制的方式進展下去。

肝臟的生命線

Nature封面：肝臟的生命線。Nature雜志第7703期封面文章報道了關于一種保存移植前供肝的新方法的試驗結果。限制肝移植成功率的一個關鍵因素是供肝的數量與質量。研究人員采用了常溫機械灌注（NMP）技術，它可以在體溫下維持供肝，將來自肝臟的脫氧血帶入機器中，脫氧血在該機器內被氧合，同時添加關鍵營養素，然后被泵入肝內。與冷凍保存方法相比，該技術可以使供肝的保存時間延長54%，供肝損傷減少50%。研究團隊希望常溫機械灌注可以增加可用移植器官的數量。

Science

觀察原生狀態的細胞:多細胞生物的成像亞細胞動力學

Science封面：分辨率革命。Science雜志第6386期封面及特刊報道了活細胞3D立體細節。活細胞包含對外界擾動敏感的動態的、空間復雜的子組件。為了減少這種干擾，細胞應該在它們的原生多細胞環境中成像，在盡可能柔和的光照下。然而，要實現三維亞細胞過程所需要的時空分辨率是具有挑戰性的。霍華德休斯醫學研究所Eric Betzig教授團隊基于他們之前發明的晶格層光顯微術（lattice light-sheet microscopy，LLSM）和自適應光學技術（adaptive optics，AO），Betzig教授團隊實現了在活組織中，以前所未有的分辨率，展現出了細胞運動的3D影像。

CRISPR技術檢測病毒

Science封面：沙子中繪制的寨卡病毒衣殼的概念圖。Science雜志第6387期封面文章報道了基于CRISPR方法的診斷技術。快速準確地識別傳染病對于優化臨床護理、指導感染控制和公共衛生干預對于限制疾病傳播至關重要。理想的診斷測試應該是低廉、準確、快速，可在多種樣本類型上進行實時使用，無需專業技術人員、輔助設備或電源。基于CRISPR-Cas生物學開發的便攜式診斷工具可快速，高度靈敏地檢測患者樣本中的病原體。封面所示在沙子中繪制的寨卡病毒衣殼的概念圖突出了部署這些工具在遠程環境中檢測和追蹤疾病的承諾。

谷氨酸受體樣通道的細胞內運輸對植物鈣離子信號通路的影響

Science封面：花粉管信號。Science雜志第6388期封面文章報道了谷氨酸受體樣通道的細胞內運輸對植物鈣離子信號通路的影響。植物雖然缺少很多在哺乳動物中調節細胞內鈣離子濃度的機制，但是它們仍然利用鈣離子信號來幫助完成多種生理功能。而編碼谷氨酸受體樣通道（GLRs）的基因家族對鈣離子運輸有重要作用。擬南芥中的GLR基因家族（AtGLR）包含20個不同的GLR基因。科學家通過生成多種AtGLR突變體的方法對這些不同基因在鈣離子信號通路中的作用進行了研究。

兩棲動物真菌殺手很可能起源自東亞地區

Science封面：火腹蟾蜍Bombina orientalis。Science雜志第6389期封面文章報道了一種致命性真菌的源頭可被追溯至朝鮮半島，該真菌造成全球眾多兩棲類種群衰減達幾十年之久。一種致命性的稱為蛙壺菌（batrachochytrium dendrobatidis）的真菌長期以來就被認為是導致幾大洲的青蛙、蟾蜍、蠑螈和其他的兩棲類動物種減少和滅絕的原因。這種真菌會引起一種叫做壺菌病（chytridiomycosis）的疾病，它會攻擊兩棲動物的皮膚，影響它們調節水分和電解質水平的能力，從而導致心臟衰竭。研究團隊收集了來自世界各地的蛙壺菌樣本開展了系統研究。

生命科學

曬太陽改善學習、記憶和情緒的神經環路機制

中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心熊偉教授研究組與中國科學技術大學化學與材料科學學院黃光明教授研究組合作，揭示了一條腦內谷氨酸合成新通路及其參與紫外線照射改善學習記憶的分子及神經環路機制，相關論文發表于Cell。研究人員利用單細胞質譜技術在單個神經元中篩選到單個海馬神經元中的UCA。運用已經構建的紫外線照射模型鼠，模擬了紫外線暴露下小鼠各腦區中UCA的濃度變化。在細胞內UCA通過一系列的生物代謝酶最終轉化成興奮性神經遞質GLU。細胞內的GLU在運動皮層以及海馬的神經末梢釋放，進而激活運動學習以及記憶相關的腦內神經環路，從而增強動物的運動學習能力以及物體識別記憶能力。

腦內谷氨酸合成新通路及其參與紫外線照射改善學習記憶的分子及神經環路機制（圖片來源于Cell）

相關試驗數據（圖片來源于Cell）

正常人類組織中合子后單堿基嵌合突變分布模式

北京大學生命科學學院魏麗萍教授課題組揭示了合子后嵌合突變在人類正常發育過程中的突變來源和空間分布兩種重要分布模式并系統描述其差異，對理解人類突變的產生和積累有重要意義，相關論文發表于PLOS Genetics。研究發現存在兩種不同類型的pSNM：胚胎期pSNM中C＞T突變比例比克隆擴張pSNM更高，且這些突變在CpG位點上突變率更高；對復制時機的研究發現胚胎期pSNM集中在DNA復制早期的基因組區域，克隆擴張pSNM集中在DNA復制晚期的基因組區域；對DNA轉錄活性的研究發現胚胎期pSNM集中在胚胎期染色質開放區和拓撲關聯區域上。

植物開花分子機制研究

中國科學院華南植物園激素調控研究組侯興亮研究員、劉旭副研究員等以模式植物擬南芥為研究材料，證實了NF-Y亞基蛋白NF-YC是光周期途徑中FT基因表觀調控的重要因子，相關論文發表于Plant Physiology。開花是高等植物進入生殖階段的標志，在植物繁衍后代和外界環境適應中發揮著重要作用。植物的開花時間由環境因子以及內源信號共同精細地調控。目前已經發現多條開花調控途徑，如光周期途徑、春化途徑、自主途徑以及赤霉素途徑等。該研究揭示了NF-YC-CLF特異互作介導下游表觀調節和誘導開花的新型作用機制，增進了對植物開花時空特異性的表觀調控機制的理解。

家養動物基因交流研究

中國科學院昆明動物研究所研究員張亞平、吳東東課題組利用大規模基因組數據，闡明了基因交流在牛屬動物的馴化以及環境適應中的重要作用，相關論文發表于Nature Ecology & Evolution。通過系統性分析，確定了牛屬之間的系統發育關系，得出大額牛不是印度野牛的馴化種，而是一個獨立的物種或亞種的結論。進一步分析發現牛屬之間存在廣泛的基因交流，考慮到瘤牛的馴化時間較長，神經系統基因的快速進化是家養動物被成功馴化的關鍵，推測基因交流在促進動物被成功馴化的過程中起到重要的作用。同時也發現分布在青藏高原上的牦牛與藏黃牛之間存在顯著的基因交流。

氨基酸依賴的mTOR調控新機制

北京大學分子醫學研究所、北大—清華生命科學聯合中心劉穎課題組發現KLHL22 E3泛素連接酶對氨基酸依賴的mTORC1調控具有重要作用，證明KLHL22能夠影響乳腺癌發生和機體衰老進程，研究成果發表于Nature。KLHL22在細胞內氨基酸充足時離開細胞核并富集到溶酶體上，泛素化修飾mTORC1的抑制蛋白DEPDC5并促使其降解，從而活化mTORC1。論文同時報道了KLHL22的重要生理作用：抑制KLHL22可以延長秀麗線蟲壽命；33例乳腺癌病人樣品中KLHL22均高表達，敲除乳腺癌細胞的KLHL22可抑制裸鼠移植瘤的發生。該研究具有潛在的臨床應用價值，KLHL22可能成為乳腺癌治療和干預機體衰老的新靶點。

KLHL22的生理意義（圖片來源于北京大學）

中國大鯢遺傳多樣性與保護研究進展

中國科學院昆明動物研究所、中國科學院動物進化與遺傳前沿交叉卓越創新中心車靜研究員，中國科學院院士、中國科學院副院長張亞平以及昆明動物所特聘研究員、加拿大安大略皇家博物館教授Robert Murphy領銜的國內外研究人員參與合作，基于基因組水平數據，揭示了中國大鯢至少由5個物種（有可能為8個）組成，中國大鯢的保護面臨著重大調整，亟須進一步評估和改進。研究論文發表于Current Biology。中國大鯢俗稱“娃娃魚”，為中國特有珍稀野生動物，也是世界現存兩棲類中體型最大的物種，體長可達到2米。中國大鯢具有極高的進化獨特性，在全球生物多樣性資源保護中占據重要地位，堪稱“水中大熊貓”。

人類消化道發育細胞圖譜

北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心、生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬課題組、葛顥課題組，北京大學第三醫院喬杰課題組合作，從單細胞分辨率和全轉錄組水平系統闡明了食道、胃、小腸和大腸這四種器官在人類胚胎發育過程中的基因表達圖譜及其信號調控機制，揭示了這4種器官不同細胞類型之間的精準發育路徑和基因表達特征，研究論文發表于Nature Cell Biology。消化系統是人體中最重要的器官系統之一，消化道作為消化系統最重要的組成部分主要由食道、胃、小腸和大腸組成。此項研究進一步解析了大腸從胎兒到成人的發育、成熟路徑和關鍵生物學特征。

處于激活前狀態的兩個完全組裝釀酒酵母剪接體高分辨率電鏡結構

清華大學生命學院施一公研究組開展完全組裝的釀酒酵母剪接體激活前結構的研究，研究成果發表于Science。文章解析的pre-B complex結構由68個蛋白和6條RNA組成。在該結構中，首次觀察到了剪接體組裝早期U1 snRNP對5’剪接位點的識別，以及五種核糖核蛋白之間的相互作用界面。論文還報道了處于pre-B complex之后的另一個完全組裝的剪接體，即預催化剪接體B complex的高分辨率三維結構。結合B complex的結構信息，通過結構對比，可以看清在組裝過程中，pre-mRNA的5’剪接位點由一開始被U1 snRNP識別，而后由于構象變化被轉移并與U6 snRNA配對，這一步的變化為剪接體激活提供了結構基礎。

工程應用

斜爆轟起爆機理研究進展

中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室激波與爆轟物理團隊與北京理工大學宇航學院合作，開展了斜爆轟波起爆區結構對來流馬赫數依賴關系的數值模擬和理論分析；研究成果發表于Combustion and Flame和Physics of Fluids。來流馬赫數低于臨界值時，起爆區的流場結構和長度發生突變，并伴隨有二次斜爆轟波/斜激波的產生。通過開展穩定性參數的分析以及化學放熱反應速率的影響研究，確認了斜爆轟波流場結構的突變主要是爆轟波面變化引起的。更低的來流馬赫數條件下，觀察到波面位置的無衰減振蕩，揭示了斜激波和燃燒耦合系統的內在不穩定性。合作團隊進一步開展錐激波誘導的斜爆轟波探索。

斜爆轟波流場結構的突變（圖片來源于中國科學院力學研究所）

激波與燃燒面的耦合—解耦現象（圖片來源于中國科學院力學研究所）

高靈敏非鉛鈣鈦礦光電探測器

中國科學院大連化學物理研究所韓克利研究員團隊采用溶液法制備了一種基于非鉛鈣鈦礦的高靈敏度光電探測器，相關研究成果發表于The Journal of Physical Chemistry Letters。光電探測器在信號處理、通信、生物成像等諸多領域發揮著重要作用。研究團隊合成了一種含銻（Sb3+）元素的鈣鈦礦單晶。通過研究其載流子動力學，發現該單晶具有載流子壽命長、遷移率高、擴散長度長等優點。利用該材料構建的微米尺度光電探測器能達到高效的電荷收集率，可實現在弱光下的高靈敏響應（40A/W），該靈敏度為目前已有報道的非鉛鈣鈦礦光電探測器最高值。

鈉離子混合電容器

中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室閻興斌研究員團隊利用新型金屬有機骨架（MOFs）材料開放的孔道結構、高的比表面積和可調控的結構入手，構筑了高性能新型鈉離子混合電容器，研究論文發表于Advanced Functional Materials。金屬離子混合電容器集高能量密度、高功率輸出、長循環壽命等優點于一身，近年來已成為未來可持續發展新型儲能系統的一個重要發展方向。其中，因鈉資源豐富、價格低廉，與鋰的物理化學性質相似，使得鈉離子電池及鈉離子混合電容器作為鋰離子儲能體系有效的替代產品，發展勢頭迅猛。

納米貴金屬生物材料介導骨骼肌再生

西安交通大學前沿科學技術研究院雷波研究員課題組研究發現，在不加藥物和生長因子的情況下，納米金和金銀合金納米粒可以顯著介導成肌細胞的肌管形成和促進細胞成肌分化，并將進一步的研究成果發表于Biomaterials。納米合金顆粒可以通過激活p38α MAPK的信號途徑刺激成肌分化相關基因和蛋白的表達，調控骨骼肌的分化。體內骨骼肌缺損動物模型發現，納米金銀合金材料可以顯著促進缺損區肌纖維和毛細血管的形成，最終實現骨骼肌的再生。該研究拓寬了納米貴金屬材料在組織再生方面的應用，并揭示了其調控骨骼肌分化的分子生物機制。

超聲空化作用可增強聲動力治療效果

中國科學院聲學研究所超聲技術中心白立新副研究員與北京化工大學生命科學技術學院劉惠玉教授團隊合作，發現金屬有機骨架（MOF）衍生的含有類卟啉結構的介孔碳球（PMCS）可作為一種高效無機聲敏劑用于聲動力治療，克服了傳統有機聲敏劑在水中溶解度低、易于從血液循環中消除，在腫瘤部位積蓄量少的問題，增強了其聲動力治療效果，研究成發表于Advanced Materials。研究人員以沸石咪唑類骨架材料ZIF-8作為模板，通過高溫煅燒合成介孔碳球，其類卟啉結構、高比表面積和多孔道結構帶來了大量氣核，降低了空化閾值。這些氣核在超聲的作用下發展成空泡，增強了超聲的空化效應。

介孔碳球（PMCS）的聲動力治療過程示意圖介孔碳球強化的超聲空化（（圖片來源于中國科學院聲學研究所）

介孔碳球強化的超聲空化介孔碳球強化的超聲空化（圖片來源于中國科學院聲學研究所）

生物質熱解分布活化能模型的動力學補償效應

上海交通大學蔡均猛研究組與英國的合作者分析了理論模擬數據和纖維素熱解動力學實驗數據，研究生物質組分（纖維素、半纖維素和木質素）熱解的動力學頻率因子與Logistic活化能分布之間的關系，研究結果發表于Bioresource Technology。研究發現存在多組模型參數集可非常好地描述熱解動力學曲線，而且這些參數集中頻率因子的對數與活化能分布平均值之間存在完美的線性關系（即動力學補償效應）。研究結果有助于生物質熱解動力學機理的解析以及生物質熱解過程的計算流體力學（CFD）仿真和過程模擬。論文中建立的分析方法對其他固態反應體系的動力學研究也有著重要的借鑒意義。

多通道柔性生物電子器件

天津大學精儀學院生物醫學與科學儀器系教授黃顯實現了與生物高效融合的多通道柔性生物電子器件，相關研究成果發表于Advanced Materials。植入式柔性傳感器通過實時在體的測量人體和組織器官的各種參數，揭示各種生物過程，輔助疾病診療。柔性電子器件對人體的組織傷害小，能夠適應組織的表面形貌和復雜的內部構造。黃顯團隊提出了高通量柔性生物電子器件的概念，通過將剛性的脆性MOFs材料納米化，成功實現了具有柔性的MOFs功能性薄膜。該工作拓寬了柔性植入式傳感器電極材料的選擇范圍，加深了從分子層次對傳感器性能的理解，提供了從分子層次設計具有靶向識別傳感器的可能性。

成年非人靈長類脊髓損傷修復

北京航空航天大學教授李曉光、上海同濟醫院教授孫毅及首都醫科大學教授楊朝陽帶領團隊自主研發的活性生物材料可改善損傷局部微環境，促進非人靈長類恒河猴的皮質脊髓束（CST）長距離再生，越過損傷區與宿主脊髓建立起功能性神經網絡從而使截癱肢體功能恢復，相關研究成果發表于PNAS。研究人員使用活性生物可降解材料支架誘導非人靈長類恒河猴脊髓損傷后穩定的神經再生，包括皮質脊髓束軸突的長距離生長、感覺和運動功能長期穩定的恢復。生物材料治療脊髓損傷的方法在非人靈長類脊髓損傷模型中取得成功，為進一步開展臨床應用提供了基礎。