世界一流科技期刊文章精選

生命科學

線粒體外膜TOM轉位酶復合體組裝的分子機制

華中農業大學生命科學技術學院殷平教授團隊與合作者在蛋白質科學研究領域取得新進展。相關成果發表于Sciences。線粒體是真核細胞能量代謝的主要場所，與動植物的生長發育密切相關。線粒體的生命活動需要多達1000種蛋白質參與，線粒體蛋白正確的靶向運輸是線粒體正常行使功能的基礎前提。99%的線粒體蛋白由細胞核基因編碼，在細胞質中翻譯為蛋白前體，再通過線粒體轉位酶復合體運輸至線粒體的各個部位。該研究探討了TOM轉位酶復合體的組裝過程，探究線粒體蛋白的生物發生，為線粒體疾病治療和作物遺傳改良提供理論基礎。研究方法和成果為闡明葉綠體蛋白生物發生機制提供了新視角。

植物抗病毒新機制及其相應的病毒反防御機制

清華大學生命學院劉玉樂課題組發現一個結合鈣調蛋白的轉錄因子，可將鈣信號與植物抗病毒RNAi防御聯系起來。相關成果發表于Cell Host & Microbe。植物病毒可對作物的產量和品質造成巨大危害。同時植物也不是坐以待斃，植物也進化出多種防御機制對抗病毒的侵染。其中RNAi（RNAinterference）是一種重要的抗病毒機制。文章分析了植物通過識別植物病毒侵染過程中保守的分子模式：創傷誘導的鈣流，啟動植物抗病毒RNAi防御及其相應的病毒反防御機制。其中鈣調蛋白結合轉錄因子CAMTA3通過激活RDR6、BN2基因的轉錄促進多個RNAi通路基因的表達，從而正向調控植物抗病毒RNAi過程的分子機制。

生命早期腸道菌群演變規律及決定因素

中國科學院北京生命科學研究院趙方慶團隊收集并分析了來自全球17個國家的超過1萬例新生兒腸道菌群數據，揭示了全球新生兒腸道菌群的地域特征，并通過生態學模型和系統功能分析闡明了人類腸道菌群由嬰幼兒向成人轉變的確定性模式。相關成果發表于Genome Biology。在嬰幼兒前3年的發育過程中，腸道菌群逐漸發育成熟，腸型也經歷了由不成熟的厚壁菌——雙歧桿菌，向成熟的擬桿菌——普氏菌的確定性轉變。該研究闡明了新生兒在出生后前3年腸道菌群的確定性轉變，引入生態模型探究了菌群成熟的內在機制，并通過大人群隊列分析揭示了腸型在全球新生兒中的特定分布模式。

牡蠣適應進化機制研究

中國科學院海洋研究所貝類遺傳與進化研發團隊揭示了不同時空尺度上的牡蠣適應進化及其機制。相關成果發表于Molecular Biology and Evolution。長牡蠣與福建牡蠣是自然分布在我國北方與南方的潮間帶優勢種，是我國兩大主養經濟貝類，也是不同溫度適應型的近緣姊妹亞種。南方福建牡蠣表現出更高的適應性表達可塑性，受選擇基因同時作為環境響應基因，其在非編碼區表現出更強的遺傳變異特征。南方牡蠣具有更強的ATP（三磷酸腺苷）合成和脂肪酸分解能力，而北方牡蠣ATP消耗和脂肪酸合成能力更強，說明脂肪酸和ATP代謝間的能量代償在長牡蠣和福建牡蠣適應南北環境中發揮了重要作用。

全面評估基因編輯產物的新方法

北京大學生命科學學院和北大-清華生命科學聯合中心胡家志課題組系統評估了CRISPR-Cas9編輯過程中的DNA修復產物并闡述其影響機制，提示基因編輯時抑制非同源末端連接（NHEJ）的潛在誘變危險，全面評估多種SpCas9變體的切割活性和特異性，促進這些變體在合適的基因編輯背景下的應用。相關成果發表于Nucleic Acids Research。利用PEM-Q在人和小鼠細胞中對Cas9編輯后的產物進行了系統且定量的評估。隨后對該領域內目前常見的SpCas9變體的編輯活性，脫靶活性及對基因組不穩定影響性進行了全面的評估和脫靶預測，總結了這些變體在人類細胞中的編輯活性和脫靶活性，為在這些變體之間進行選擇提供指導。

PEM-Q全面揭示基因編輯產物規律。(A) PEM-Q檢測基因編輯產物類型；(B) 不同DNA修復蛋白缺失背景下，在CH12F3細胞c-Myc位點Cas9編輯時各產物的定量。（圖片來源于北京大學新聞網）

利用PEM-seq評估Cas9變體。(A) Cas9變體脫靶位點的數目；(B) 利用深度學習模型預測SpRY的脫靶位點；(C) SpRY切割自身表達質粒載體并造成大量外源片段插入基因組中；(D) SpRY與3個高保真SpCas9變體結合，降低脫靶活性。（圖片來源于北京大學新聞網）

一種基于質譜多碎裂方式組合靶向完整O-糖肽的質譜解析方法

上海交通大學系統生物醫學研究院張延團隊和嚴威團隊合作，開發了質譜檢測新策略，用于解析阿爾茲海默癥相關糖蛋白APP的糖基化。相關成果發表于BBA-General Subjects。越來越多的研究表明糖基化對APP的加工及Aβ的產生具有關鍵的調控作用，精準判定APP糖基化修飾信息，對深入理解APP蛋白在AD疾病發生中的作用和疾病早期診斷方法開發上具有重要意義。該方法精準描繪出APP蛋白的O-糖基化修飾位點和糖鏈結構。為從蛋白質糖基化修飾水平理解APP的分子功能與AD的發病機制，發現AD治療靶點以及開發AD早期診斷策略提供了新的思路。

一種生產高純度DHA的細胞工廠

中國科學院青島生物能源與過程研究所宋曉金、王森等人研究利用代謝工程手段對裂殖壺菌脂肪酸合酶途徑進行弱化，顯著提高了脂質中DHA的比例。相關成果發表于Journal of Agricultural and Food Chemistry。二十二碳六烯酸（DHA）是大腦和視網膜組織中磷脂的重要組成物質，裂殖壺菌是目前工業化發酵生產DHA的代表性物種之一，具有高生物量、高油脂含量和易培養等特點。該研究通過表達油脂合成途徑的關鍵酶乙酰輔酶A羧化酶和二酯酰甘油酰基轉移酶，進一步提高裂殖壺菌的總脂肪酸產量和脂質中DHA的純度，而生物量和細胞生長速率不受影響，確保獲得的突變株符合工業化生產需求。

蜜蜂腹部具毛表面的減阻機制

北京理工大學機械與車輛學院趙杰亮副教授團隊與清華大學閻紹澤教授合作，闡述了蜜蜂微小的毛發可以減少腹部分節結構間相對運動產生的摩擦，為蜜蜂辛勤勞作的日常活動節省能量，同時減少腹部結構的磨損。相關成果發表于ACS Applied Materials &Interfaces。蜜蜂作為一種集群生活的社會性昆蟲，雖然沒有人類發達的語言溝通能力，但是憑借其精巧的身體結構，可完成豐富多樣的肢體動作，同樣具備了較為完備的語言溝通技能，其中腹部的往復彎曲和伸縮發揮了不可替代的作用。在相同載荷下，毛狀表面的摩擦比光滑表面的摩擦小。隨著載荷的增加，無毛表面的摩擦力增加，而有毛表面的摩擦力沒有明顯增加。

光電技術

太赫茲加速器實現厘米尺度的高品質電子級聯加速

上海交通大學物理與天文學院張杰院士和向導教授領導的課題組近期利用飛秒激光在周期極化鈮酸鋰晶體中產生的多周期窄帶太赫茲源，結合兆伏特超快電子衍射裝置提供的超短電子束，證明了相對論電子在厘米長度距離的尺度上實現高品質級聯加速的可行性。相關成果發表于Physical Review Letters。通過改變電子束與太赫茲脈沖的延時，可精確觀察到作用距離和作用相位的改變所引起的電子束能量增益的變化，實驗結果與理論模擬具有很高的符合度。實驗中保持了電子束的能散和能量穩定性，獲得接近100%的級聯耦合效率，實現了從“太赫茲加速（THz acceleration）”邁向“太赫茲加速器（THz accelerator）”的突破。

傳統射頻加速結構vs基于激光直寫技術及介質波導的太赫茲加速結構（圖片來源于上海交通大學新聞學術網）

太赫茲加速能量增益vs電子-太赫茲延時（圖片來源于上海交通大學新聞學術網）

實現近紅外二區磷光成像

中國科學院自動化研究所研究員胡振華、武漢理工大學常柏松副研究員、中國科學院上海藥物研究所教授程震、武漢理工大學教授孫濤壘合作，開發出近紅外二區磷光成像（NIR-II phosphorescent imaging）探針及技術，將磷光拓展到近紅外二區區域，為探索面向重大疾病的特異性成像提供了新思路。相關成果發表于Nature Biomedical Engineering。該研究通過金屬離子交換機理，制備出具有空心結構的CuISe納米管，利用氫鍵誘導的受限自組裝原理，改變了納米探針的受激態衰減過程，將近紅外二區（最大發射峰在1130nm左右）磷光探針CuISe納米管的熒光壽命從73ns延長到336μs。

亞周期光場調控研究進展

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心魏志義研究組（L07）利用雙色飛秒光場在非線性介質中的交叉及誘導相位調制效應，在透明固體材料中產生了紫外增強型超連續光譜，表現出優于氣體介質的效率。相關成果發表于Applied Physics Letters。亞周期光場作為超快光學的前沿熱點，是實現對光場極端調控的重要目標，有助于從光場波形的本源上認識和調控光與物質相互作用過程，也是產生孤立阿秒脈沖的理想驅動光源之一。如何產生小于一個光學周期的超快光場難度較大。實驗中所獲得的高強度超連續光譜覆蓋了紫外-可見光-紅外的范圍，且全波段光譜相位均可調控，支持1.6fs的傅里葉變換極限脈寬，對應0.6個光學周期。

新型高效固態熱整流二極管

中國科學院合肥物質科學研究院固體所研究員童鵬團隊研制出具有優異熱整流性能的固態熱二極管。相關成果發表于Physical Review Applied。目前約90%的能源在使用過程中涉及熱量的產生和操控，對于提高能源利用率、實現節能減排和可持續發展均具有重要意義。熱二極管是重要的熱流控制元件，在熱量收集、儲熱、制冷等領域具有廣闊應用前景。其中，具有非線性熱導率溫度依賴關系的固態材料是實現高整流效率的關鍵。新研制的熱二極管具有優異的整流性能，通過改變Fe含量進行調控，均具有可逆的熱導率突變。該研究為設計和構建面向不同工作溫區和應用環境的高性能固態熱二極管提供了備選材料。

基于水書寫和電擦除制備可重寫PEDOT薄膜

中國科學院理化技術研究所江雷院士、王京霞研究員等與合作者基于水書寫和電擦除制備可重寫聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）薄膜。相關成果發表于ACS Applied Materials & Interfaces。基于溶劑與PEDOT薄膜之間的相互作用呈現出3種溶劑調制行為。低極性溶劑（LPS）與PEDOT薄膜無相互作用；中極性/高揮發性溶劑（MP/HVS）去除親水性電解質，有助于將水接觸角從原始親水膜（6.5°）轉換為疏水性可寫基材（146.2°）；高極性溶劑（HPS）誘導PEDOT鏈中陰離子的去摻雜，導致薄膜顏色由藍變紫，作為信息書寫過程。研究以PEDOT膜表面浸潤性調控為前提，結合高極性溶劑誘導顏色變化（寫入）和電化學氧化還原反應（擦除），實現了可重寫的PEDOT薄膜。

PEDOT膜的制備及表征（圖片來源于中國科學院理化技術研究所網站）

PEDOT膜上水寫、電擦圖案（圖片來源于中國科學院理化技術研究所網站）

相對論渦旋激光驅動電子加速研究進展

中國科學院上海光學精密機械研究所強場物理國家重點實驗室王文鵬等人與歐盟ELI-Beamlines團隊合作，發現近紅外圓偏振超強LG激光與超薄等離子體靶相互作用，可以驅動產生高能阿秒電子片。相關成果發表于High Power Laser Science and Engineering。渦旋激光自身光場可以提供一個類似“空泡”的結構，其縱向加速電場可以穩相加速電子束至數百兆電子伏特。通過載波包絡相位調制相對應的橫向電場強度，可以實現對電子片形狀的不同調制。三維粒子模擬結果顯示，在特定載波包絡相位下，電子片可被調制成一個內直徑約10μm的電子環，其縱向時間尺度約為670as，電荷量約0.19nc。

后摩爾時代的半導體材料“異構外延”研究進展

中國科學院半導體研究所照明研發中心劉志強研究員與北京大學高鵬研究員、北京石墨烯研究院劉忠范院士、美國北卡羅萊納大學科研團隊合作，實現了石墨烯玻璃晶圓氮化物“異構外延”突破，證實了氮化物外延擺脫襯底限制的可能性，為不同半導體材料之間的異構集成提供了一個新的思路。相關成果發表于Small。半導體產業進入“后摩爾時代”，“超越摩爾定律”迎來了高潮，未來半導體產業的發展需要跳出原有框架尋求新的路徑。相關研究提出了一種納米柱輔助的范德華外延方法，利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法，國際上首次在玻璃襯底上成功外延出連續平整的準單晶氮化鎵（GaN）薄膜，并制備藍光發光二極管（LED）。

3D電子束光刻技術研究進展

中國科學院上海微系統所研究員陶虎團隊與上海交通大學教授夏小霞、錢志剛合作，開發出基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，實時控制加速電壓調控電子在絲蛋白光刻膠里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，實現了分子級別精度的真三維納米功能器件直寫。相關成果發表于Nature Communications。電子束光刻精度極高，通常是二維微納加工獲得最小尺寸的標準工具。該技術加工精度可達14nm，接近天然絲蛋白單分子尺寸（約10nm），較之前技術提升了1個數量級。蜘蛛絲蛋白優異的機械強度為復雜三維納米結構提供了關鍵支持。