作者:赵广立 来源:科学网微信公众号 发布时间:2022/2/10 21:22:52
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中国学者今日发6篇Nature,中科院收揽5篇

 

作者|赵广立

俗话说“没出正月就是年”。大年初十,中国学者在《自然》上“过年了”——北京时间2月10日凌晨,《自然》一口气在主刊发表了6篇中国作者的科研成果。

《中国科学报》观察到,6篇中国学者的论文中有5篇来自中国科学院下属机构;更值一提的是,其中3篇论文均出自中国科学技术大学。

“可能是偶然吧!”对于同一学校、同一日期、3篇论文同登《自然》,其中一篇论文的通讯作者、中国科学技术大学教授刘海燕告诉《中国科学报》:“没预料到会有这样的巧合。但中科大各学科高水平团队很多,出现这种情况可能也在情理之中。”

“八仙过海,各显神通”。我们来看看这6篇论文都取得了哪些突破。

1. 科院院士、中国科学技术大学教授陈仙辉等

在笼目结构超导体研究领域取得重要进展

中国科学院院士、中国科学技术大学教授陈仙辉与吴涛、王震宇等组成的团队,在笼目超导体CsV3Sb5中发现一种新型电子向列相。该成果于2月10日凌晨以“加速预览”的方式在线发表于《自然》。

论文指出,这一发现不仅为理解笼目结构超导体中电荷密度波与超导电性之间的反常竞争提供了重要实验证据,也为进一步研究关联电子体系中与非常规超导电性密切相关的交织序提供了新的研究方向。

这一发现的重要意义也得到了同行的高度认可。在《自然》最新一期上线的“News and Views”中,这一成果和同期发表的另外一篇工作获得了同行的高度评价:“这两项研究的结果清楚地为笼目结构超导体的对称性破缺带来了新的见解,这无疑将激发对这些有趣材料的进一步研究。”

论文的快速发表也表明了编辑的态度。陈仙辉向《中国科学报》披露,团队于2021年9月2日向《自然》投稿,今年1月26日正式接收,2月10日即以“加速预览”方式在线发表,正式接收到在线发表的时间仅半个月,而通常为两个月左右。

2. 中国科学技术大学教授刘海燕、副教授陈泉团队

建立蛋白质从头设计新方法

中国科学技术大学教授刘海燕、副教授陈泉团队基于数据驱动原理,开辟出一条全新的蛋白质从头设计路线,在蛋白质设计这一前沿科技领域实现了关键核心技术的原始创新,为工业酶、生物材料、生物医药蛋白等功能蛋白的设计奠定了坚实的基础。相关成果北京时间2月10日发表于《自然》。

论文报道了9种从头设计的蛋白质分子的高分辨晶体结构,其中5种蛋白质具有不同于已知天然蛋白的新颖结构。审稿人认为,这项工作中提出的方法具有足够的新颖性和实用性;从头设计蛋白质具有挑战性,本工作中6种不同蛋白质的高分辨率设计是一项重要成就,证明这种方法运行良好。

刘海燕告诉《中国科学报》,其团队自2008年起就着手于数据驱动蛋白质设计研究,中间也有若干阶段性成果见刊。她表示,从头设计蛋白可以说是集计算结构生物学之大成,同时又是生物技术、合成生物技术的基础。“国内现在已经有一些很优秀的年轻人进入这一领域,期待更多人加入,让我们共同稳定地占住这个重要国际前沿。”

3. 中国科学技术大学潘建伟、赵博等与科院化学所白春礼小组

首次在超冷原子分子混合气中合成三原子分子

中国科技大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作,在超冷原子分子混合气中首次合成三原子分子,向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出重要一步。该成果2月10日发表于《自然》。

研究团队首次成功实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中,他们从接近绝对零度的超冷原子混合气出发,制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子,并成功地在钠钾分子的射频损失谱上观测到射频合成三原子分子的信号,并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。这一成果为量子模拟和超冷化学的研究开辟了一条新的道路。

中国科学技术大学教授赵博告诉《中国科学报》,量子计算的短期目标是发展专用型量子计算机(即专用量子模拟机),它能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如,超冷原子分子量子模拟,利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的、难于计算的物理系统,可以对复杂系统进行精确的、全方位的研究,因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。而超冷三原子分子就是模拟量子力学下“三体问题”的理想研究平台。

此外,超冷三原子分子可以用来实现超高精度的光谱测量,这为刻画复杂的三体相互作用势能面提供了重要的基准。由于计算势能面需要高精度地求解多电子薛定谔方程,超冷三原子分子的势能面也为量子化学中的电子结构问题提供了重要的信息。

4. 科院遗传所高彩霞、肖军与科院微生物所邱金龙合作团队

用双重“基因剪刀”实现突破性抗病高产育种

科院遗传所研究员高彩霞、肖军与科院微生物所研究员邱金龙合作团队在《自然》发表题为“Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties”的研究长文,阐明了小麦新型mlo突变体既抗白粉病又高产的分子机制;并通过基因组编辑在主栽小麦品种中对感病基因MLO相关遗传等位实现精准操控,快速获得广谱抗白粉病又高产优质的新种质。该研究为感病基因在抗病育种中的实际应用提供了一条新路径。

该工作证明了叠加的遗传改变可以克服感病基因突变带来的生长缺陷,为作物抗病育种研究提供了新的理论视角。相比于传统育种方法,基因组编辑育种极大地缩短了育种进程。这项研究是小麦抗白粉病育种的重要进展,充分展现了基因组编辑在现代农业生产中巨大的应用前景,也为培育抗病高产作物品种提供了新的策略和技术路线。

据介绍,研究团队一直不断探索如何在抗病育种中进一步利用MLO基因,从而实现“鱼与熊掌可以兼得”。幸运的是,他们在大量的基因组编辑小麦突变体中筛选获得了一个新型mlo突变体Tamlo-R32。该突变体表现出对白粉菌完全的抗性,同时生长发育和产量正常。

经过8年的通力合作,研究人员最终解析了小麦Tamlo-R32突变体表型形成的分子机制,进而克服了感病基因MLO突变引起的负面表型,最终实现了抗病和产量的双赢。

5. 科院地化所李和平等与科院外籍院士毛河光等合作团队

地球内核超离子态物质新发现

科院地球化学研究所高压室研究员李和平、何宇、孙士川团队与科院外籍院士、北京高压科学中心主任毛河光,Duck Young Kim研究员和Bo Gyu Jang博士团队合作,对多种铁合金的性质进行了计算模拟(在地球核心的温度和压力下),发现六方相(hcp)Fe-H、Fe-C和Fe-O合金在内核温压下转变成为了超离子态,该研究以“Superionic hcp-Fe alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core”为题于2022年2月10日发表在《自然》主刊。

研究发现,超离子态转变导致合金的加速软化,引起地震波速显著降低,其数值能够与地震学的观测结果很好符合。模拟结果则表明,流动的轻元素杂质可以引起铁合金的软化,特别是横波波速的降低解释了长期存在的内核软化之谜。该研究表明地球内核并非传统认知的固态,而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。

地震学研究显示,内核结构展现出复杂的异质性和各向异性特征,还存在地震波衰减和结构变化等特性。解答上述未解之谜,是认知内核结构、组成和演化的关键。超离子态内核,更新了我们对内核状态的认知,流体一般运动的轻元素为认识内核对流,各向异性结构的形成和地震波的衰减提供了新的线索,将成为地球内核研究的新基石。

6. 香港城市大学杨勇与台北大学Chun-Wei Pao等合作团队

报告了一种化学复杂合金

最近,化学复杂的合金如“高熵合金”由于其良好的性能,引起了学者们的极大研究兴趣。2月10日凌晨,香港城市大学杨勇、香港大学D. J. Srolovitz及台北大学Chun-Wei Pao共同通讯在《自然》在线发表题为“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”的研究论文,就报告了一种化学复杂的合金,该合金在室温下表现出高弹性应变极限和非常低的内摩擦。

更有趣的是,这种合金在室温和 627摄氏度(900°开尔文)之间保持近乎恒定的弹性模量,这是迄今为止报道的现有合金所无法比拟的。

开发具有超强强度、大弹性应变极限和对温度不敏感的弹性模量(Elinvar 效应)的高性能超弹性金属,对于从执行器和医疗设备到高精度仪器的各种工业应用非常重要。由于位错易滑移,块状结晶金属的弹性应变极限通常小于1%。形状记忆合金(包括胶质金属和应变玻璃合金)可以达到高达百分之几的弹性应变极限,尽管这是伪弹性的结果并且伴随着大量的能量耗散。

除了中国学者发力,本期《自然》还发表了2篇海外华人学者的论文,同样引发关注。它们分别是:

加州大学圣地亚哥分校王竞团队

探讨动物从进食到求偶的分子和神经元机制

加州大学圣地亚哥分校王竞团队在《自然》在线发表题为“A nutrient-specific gut hormone arbitrates between courtship and feeding”的研究论文,探讨了在黑腹果蝇中协调从进食到求偶的转变的分子和神经元机制,该研究通过钙成像实验进一步解决了潜在的动力学问题。

该研究发现在饥饿的雄性中,喂食优先于求爱,而富含蛋白质的食物的消费会在几分钟内迅速逆转这一顺序。在分子水平上,一种肠道衍生的营养特异性神经肽激素(利尿激素31,Dh31)推动了从进食到求爱的转变。

食物中的氨基酸会急性激活肠道中的 Dh31+肠内分泌细胞,从而增加循环中的 Dh31水平。此外,完整果蝇的三光子功能成像显示 Dh31+肠内分泌细胞的光遗传学刺激迅速激发了表达Dh31受体 (Dh31R) 的脑神经元子集。肠道衍生的 Dh31 在几分钟内通过循环系统激发大脑神经元,与“喂食—求爱”行为转换的速度一致。

在神经回路层面,大脑中有两个不同的Dh31R+神经元群,一个群通过 allatostatin-C 抑制进食,另一个群通过 corazonin 促进求爱。总之,该研究结果说明了一种机制,即食用富含蛋白质的食物会触发肠道激素的释放,这反过来又优先通过两条平行的途径求爱而不是进食。

耶鲁大学Mark A. Lemmon(第一作者胡淳为华人)团队

发现一类癌症靶向治疗的潜在影响

耶鲁大学Mark A. Lemmon(胡淳为第一作者)团队在《自然》在线发表题为“Glioblastoma mutations alter EGFR dimer structure to prevent ligand bias”的研究论文,该研究显示常见的细胞外“多形性胶质母细胞瘤”(GBM)突变,会阻止“表皮生长因子受体”(EGFR)区分其激活配体。

EGFR在人类癌症中经常发生突变,也是一个重要的治疗靶点。EGFR抑制剂在肺癌中取得了成功,其中细胞内酪氨酸激酶结构域的突变激活了受体,但在多形性胶质母细胞瘤 (GBM) 中却没有,其中突变仅发生在细胞外区域。

该研究使用 X 射线晶体学,进一步表明 R84K GBM 突变使 EREG 驱动的细胞外二聚体对称,因此它们类似于通常在表皮生长因子中看到的二聚体。

相比之下,第二个 GBM 突变 A265V 重塑了关键的二聚化接触,以增强不对称 EREG 驱动的二聚体。该研究结果证明了 EGFR 在 GBM 中改变配体识别的重要作用,对靶向治疗具有潜在影响。

相关论文信息:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04493-8

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04297-2

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04395-9

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04361-x

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04309-1

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04408-7

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04393-3

 
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