科学改变世界:2018年度中国科学十大进展揭晓_研究

发布时间:2021-04-20 发表于话题:影响世界的十大巨星 点击:167 当前位置:比乐族 > 科技 > 科学改变世界:2018年度中国科学十大进展揭晓_研究 手机阅读

基于体细胞核移植技术成功克隆出猕猴

创建出首例人造单染色体真核细胞

揭示抑郁发生及氯胺酮快速抗抑郁机制

研制出用于肿瘤治疗的智能型DNA纳米机器人

测得迄今最高精度的引力常数G值

首次直接探测到电子宇宙射线能谱在1TeV附近的拐折

揭示水合离子的原子结构和幻数效应

创建出可探测细胞内结构相互作用的纳米和毫秒尺度成像技术

调控植物生长-代谢平衡实现可持续农业发展

将人类生活在黄土高原的历史推前至距今212万年

01

基于体细胞核移植技术成功克隆出猕猴

非人灵长类动物是与人类亲缘关系最近的动物。因可短期内批量生产遗传背景一致且无嵌合现象的动物模型,体细胞克隆技术被认为是构建非人灵长类基因修饰动物模型的最佳方法。自1997年克隆羊“多莉”报道以来,虽有多家实验室尝试体细胞克隆猴研究,却都未成功。

中国科学院神经科学研究所/脑科学与智能技术卓越创新中心孙强和刘真研究团队经过五年攻关最终成功得到了两只健康存活的体细胞克隆猴。他们研究发现,联合使用组蛋白H3K9me3去甲基酶Kdm4d和TSA可以显著提升克隆胚胎的体外囊胚发育率及移植后受体的怀孕率。在此基础上,他们用胎猴成纤维细胞作为供体细胞进行核移植,并将克隆胚胎移植到代孕受体后,成功得到两只健康存活克隆猴;而利用卵丘颗粒细胞为供体细胞核的核移植实验中,虽然也得到了两只足月出生个体,但这两只猴很快夭折。遗传分析证实,上述两种情况产生的克隆猴的核DNA源自供体细胞,而线粒体DNA源自卵母细胞供体猴。

体细胞克隆猴的成功是该领域从无到有的突破,该技术将为非人灵长类基因编辑操作提供更为便利和精准的技术手段,使得非人灵长类可能成为可以广泛应用的动物模型,进而推动灵长类生殖发育、生物医学以及脑认知科学和脑疾病机理等研究的快速发展。

德国科学院院士Nikos K. Logothetis以“克隆猴:基础和生物医学研究的一个重要里程碑(Cloning NHP: A major milestone in basic and biomedical research)”为题发表评论认为,这项工作证明了利用体细胞核生殖克隆猕猴的可行性,打破了技术壁垒并开创了使用非人灵长类动物作为实验模型的新时代,是生物医学研究领域真正精彩的里程碑。

02

创建出首例人造单染色体真核细胞

真核生物细胞一般含有多条染色体,如人有46条、小鼠40条、果蝇8条、水稻24条等。这些天然进化的真核生物染色体数目是否可人为改变、是否可以人造一个具有正常功能的单染色体真核生物是生命科学领域的前沿科学问题。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所覃重军和薛小莉研究组、赵国屏研究组与中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究组等合作,以天然含有16条染色体的真核生物酿酒酵母为研究材料,采用合成生物学“工程化”方法和高效使能技术,在国际上首次人工创建了自然界不存在的简约化的生命——仅含单条染色体的真核细胞。

该研究表明天然复杂生命体系可以通过人工干预变简约,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。

Nature、The Scientist 等发表评论认为,这可能是迄今为止动作最大的基因组重构,这些遗传改造的酵母菌株是研究染色体生物学重要概念的强大资源,包括染色体的复制、重组和分离。

03

揭示抑郁发生及氯胺酮快速抗抑郁机制

抑郁症严重损害了患者的身心健康,是现代社会自杀问题的重要诱因,给社会和家庭带来巨大的损失。然而传统抗抑郁药物起效缓慢(6—8周以上),并且只在20%左右的病人中起效,这提示目前对抑郁症机制的了解还没有触及其核心。

近年来在临床上意外发现麻醉剂氯胺酮在低剂量下具有快速(1小时内)、高效(在70%难治型病人中起效)的抗抑郁作用,被认为是精神疾病领域近半个世纪最重要的发现。然而,氯胺酮具有成瘾性,副作用大,无法长期使用。因此,理解氯胺酮快速抗抑郁的机制已成为抑郁症研究领域的“圣杯”,因为它将提示抑郁症的核心脑机制,并为研发快速、高效、无毒的抗抑郁药物提供科学依据。

2018年,浙江大学医学院胡海岚研究组在这一领域的研究取得了突破性的进展:在抑郁症的神经环路研究中,该研究组发现大脑中反奖赏中心——外侧缰核中的神经元活动是抑郁情绪的来源。

这一区域的神经元细胞通过其特殊的高频密集的“簇状放电”,抑制大脑中产生愉悦感的“奖赏中心”的活动。通过光遗传的技术手段,他们直接证明缰核区的簇状放电是诱发动物产生绝望和快感缺失等行为表现的充分条件。针对抑郁的分子机制,该研究组发现这种簇状放电方式是由NMDAR型谷氨酸受体介导的,作为NMDAR的阻断剂,氯胺酮的药理作用机制正是通过抑制缰核神经元的簇状放电,高速高效地解除其对下游“奖赏中心”的抑制,从而达到在极短时间内改善情绪的功效。

同时,该研究组对产生簇状放电的细胞及分子机制做出了更深入的阐释。通过高通量的定量蛋白质谱技术,他们发现抑郁的形成伴随着胶质细胞中钾离子通道Kir4.1的过量表达。而Kir4.1通道对抑郁的调控植根于缰核组织中胶质细胞对神经元的致密包绕这一组织学基础。在神经元-胶质细胞相互作用的狭小界面中,Kir4.1在胶质细胞上的过表达引发神经元细胞外的钾离子浓度降低,从而诱发神经元细胞的超极化、T-VSCC钙通道活化,最终导致NMDAR介导的簇状放电。

上述研究对于抑郁症这一重大疾病的机制做出了系统性的阐释,颠覆了以往抑郁症核心机制上流行的 “单胺假说”,并为研发氯胺酮的替代品、避免其成瘾等副作用提供了新的科学依据。同时,该研究所鉴定出的NMDAR、Kir4.1钾通道、T-VSCC钙通道等可作为快速抗抑郁的分子靶点,为研发更多、更好的抗抑郁药物或干预技术提供了崭新的思路,对最终战胜抑郁症具有重大意义。

Science、Scientific American 等期刊对该工作进行了新闻报道,称“这是一项惊人的发现”。

04

研制出用于肿瘤治疗的智能型DNA纳米机器人

利用纳米医学机器人实现对人类重大疾病的精准诊断和治疗是科学家们追逐的一个伟大的梦想。国家纳米科学中心聂广军、丁宝全和赵宇亮研究组与美国亚利桑那州立大学颜灏研究组等合作,在活体内可定点输运药物的纳米机器人研究方面取得突破,实现了纳米机器人在活体(小鼠和猪)血管内稳定工作并高效完成定点药物输运功能。

研究人员基于DNA纳米技术构建了自动化DNA机器人,在机器人内装载了凝血蛋白酶——凝血酶。该纳米机器人通过特异性DNA适配体功能化,可以与特异表达在肿瘤相关内皮细胞上的核仁素结合,精确靶向定位肿瘤血管内皮细胞;并作为响应性的分子开关,打开DNA纳米机器人,在肿瘤位点释放凝血酶,激活其凝血功能,诱导肿瘤血管栓塞和肿瘤组织坏死。这种创新方法的治疗效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原发肺癌等多种肿瘤中都得到了验证。并且小鼠和Bama小型猪实验显示,这种纳米机器人具有良好的安全性和免疫惰性。

上述研究表明,DNA纳米机器人代表了未来人类精准药物设计的全新模式,为恶性肿瘤等疾病的治疗提供了全新的智能化策略。

Nature Reviews Cancer、Nature Biotechnology 等评论认为该工作为里程碑式的工作;美国The Scientist期刊将该工作与同性繁殖、液体活检、人工智能一起,评选为2018年度世界四大技术进步。

05

测得迄今最高精度的引力常数G值

牛顿万有引力常数G是人类认识的第一个基本物理常数,其在物理学乃至整个自然科学中扮演着十分重要的角色。两个世纪以来,实验物理学家们围绕引力常数G值的精确测量付出了巨大而艰辛的努力,但其测量精度目前仍然是所有物理学常数中最低的。按照牛顿万有引力定律,G应该是一个固定的常数,不因测量地点和测量方法的不同而变化。但是,当前国际上不同研究小组用不同方法测得的G值却不吻合。

为了深入研究这一问题,华中科技大学物理学院引力中心罗俊、杨山清和邵成刚研究组自2009年开始同时采用两种相互独立的方法——扭秤周期法和扭秤角加速度反馈法来测量G值。历经多年的艰苦努力,2018年两种方法均获得了迄今为止国际最高的测量精度(G值分别为6.674184 ×10−11和6.674484 ×10−11m3/kg/s2,相对标准偏差分别为百万分之11.64和11.61),更为关键的是两个结果在3倍标准差范围内吻合。

Nature 期刊以“引力常数的创纪录精度测量(Gravity measured with record precision)”为题发表评论,认为这项工作是迄今为止用两种独立的方法测定引力常数的不确定度最小的结果,为揭示造成万有引力常数测量差异的原因提供了非常好的机遇,同时也为进一步测量获得引力常数的真值提供了机遇;并评价这项工作是“精密测量领域卓越工艺的典范”。

06

首次直接探测到电子宇宙射线能谱在1TeV附近的拐折

高能宇宙射线中的负电子和正电子在其行进过程中会很快损失能量,因此其测量数据可以作为高能物理过程的一个探针,甚至用于研究暗物质粒子的湮灭或衰变现象。基于地基切伦科夫伽玛射线望远镜阵列的间接探测获得的电子宇宙射线能谱在1TeV(1TeV=1000GeV=1万亿电子伏特)附近存在有拐折的迹象,但其系统误差很大。

我国首颗天文卫星悟空号(DAMPE)的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备(如AMS-02、Fermi-LAT)有显著提高,拓展了人类在太空中观察宇宙的窗口。DAMPE合作组基于悟空号前530天的在轨测量数据,以前所未有的高能量分辨率和低本底对25GeV—4.6TeV能量区间的电子宇宙线能谱进行了精确的直接测量。悟空号所获得能谱可以用分段幂律模型而不是单幂律模型很好地拟合,明确表明在0.9TeV附近存在一个拐折,证实了地面间接测量的结果。

该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。此外,悟空号所获得的能谱在1.4TeV附近呈现出流量异常迹象,尚需进一步的数据来确认是否存在一个精细结构。

瑞典皇家科学院院士、诺贝尔物理学奖评奖委员会秘书Lars Bergstrom 教授肯定了这是首次直接测量到这一拐折。美国约翰霍普金斯大学Marc Kamionkowski 教授评论认为,这是年度最令人激动的科学进展之一。

07

揭示水合离子的原子结构和幻数效应

离子与水分子结合形成水合离子是自然界最为常见和重要的现象之一,在很多物理、化学、生物过程中扮演着重要的角色。早在19世纪末,人们就意识到离子水合作用的存在并开始了系统的研究。100多年来,水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点,至今仍没有定论。究其原因,关键在于缺乏原子尺度的实验表征手段以及精准可靠的计算模拟方法。

北京大学物理学院量子材料科学中心江颖、王恩哥和徐莉梅研究组与化学与分子工程学院高毅勤研究组等合作,开发了一种基于高阶静电力的新型扫描探针技术,刷新了扫描探针显微镜空间分辨率的世界纪录,实现了氢原子的直接成像和定位,在国际上首次获得了单个钠离子水合物的原子级分辨图像,并发现特定数目的水分子可以将水合离子的迁移率提高几个量级,这是一种全新的动力学幻数效应。结合第一性原理计算和经典分子动力学模拟,他们发现这种幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度,而且在室温条件下仍然存在,并具有一定的普适性。

该工作首次澄清了界面上离子水合物的原子构型,并建立了离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联,颠覆了人们对于受限体系中离子输运的传统认识。这对离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等很多应用领域都具有重要的潜在意义。

Nature Reviews Chemistry 期刊主编David Schilter发表评论文章认为,这项研究获得了“堪称完美的水合离子结构和动力学信息”。

08

创建出可探测细胞内结构相互作用的纳米和毫秒尺度成像技术

真核细胞内,细胞器和细胞骨架进行着高度动态而又有组织的相互作用以协调复杂的细胞功能。观测这些相互作用,需要对细胞内环境进行非侵入式、长时程、高时空分辨、低背景噪声的成像。

为了实现这些正常情况下相互对立的目标,中国科学院生物物理研究所李栋研究组与美国霍华德休斯医学研究所Jennifer Lippincott-Schwartz和Eric Betzig等合作,发展了掠入射结构光照明显微镜(GI-SIM)技术,该技术能够以97纳米分辨率、每秒266帧对细胞基底膜附近的动态事件连续成像数千幅。研究人员利用多色GI-SIM技术揭示了细胞器-细胞器、细胞器-细胞骨架之间的多种新型相互作用,深化了对这些结构复杂行为的理解。微管生长和收缩事件的精确测量有助于区分不同的微管动态失稳模式。内质网(ER)与其他细胞器或微管之间的相互作用分析揭示了新的内质网重塑机制,如内质网搭载在可运动细胞器上。而且,研究发现内质网-线粒体接触点可促进线粒体的分裂和融合。

中国科学院外籍院士、美国杜克大学Xiao-Fan Wang教授评论认为,这项工作发展了一项可视化活细胞内的细胞器与细胞骨架动态相互作用和运动的新技术,将会把细胞生物学带入一个新时代,有助于更好地理解活细胞条件下的分子事件,也提供了一个从机制上洞察关键生物过程的窗口,可对生命科学整个学科产生重大影响。

09

控植物生长-代谢平衡实现可持续农业发展

通过增加无机氮肥施用量来提高作物的生产力,虽能保障全球粮食安全,但也加剧了对生态环境的破坏,因此提高作物氮肥利用效率至关重要。这需要对植物生长发育、氮吸收利用以及光合碳固定等协同调控机制有更深入的了解。

中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究组与合作者的研究显示,水稻生长调节因子GRF4和生长抑制因子DELLA相互之间的反向平衡调节赋予了植物生长与碳-氮代谢之间的稳态共调节。GRF4促进并整合了植物氮素代谢、光合作用以及生长发育,而DELLA抑制了这些过程。作为“绿色革命”品种典型特征的DELLA蛋白高水平累积使其获得了半矮化优良农艺性状,但是却伴随着氮肥利用效率降低。

通过将GRF4-DELLA平衡向GRF4丰度的增加倾斜,可以在维持半矮化优良性状的同时提高“绿色革命”品种的氮肥利用效率并增加谷物产量。因此,对植物生长和代谢协同调控是未来可持续农业和粮食安全的一种新的育种策略。

Nature 期刊发表评论文章认为,该育种策略宣告了“一场新的绿色革命即将到来”。

10

将人类生活在黄土高原的历史推前至距今212万年

人类的起源和演化是重大世界前沿科学问题,国际上公认的非洲以外最老旧石器地点是格鲁吉亚的德马尼西遗址,年代为距今185万年。

由中国科学院广州地球化学研究所朱照宇、古脊椎动物与古人类研究所黄慰文和英国埃克塞特大学Robin Dennell领导的团队历经13年研究,在陕西省蓝田县发现了一处新的旧石器地点——上陈遗址。研究人员综合运用黄土-古土壤地层学、沉积学、矿物学、地球化学、古生物学、岩石磁学和高分辨率古地磁测年等多学科交叉技术方法测试了数千组样品,建立了新的黄土-古土壤年代地层序列,并在早更新世17层黄土或古土壤层中发现了原地埋藏的96件旧石器,包括石核、石片、刮削器、钻孔器、尖状器、石锤等,其年龄约126万年至212万年。

连同该团队前期将蓝田公王岭直立人年代由原定距今115万年重新定年为163万年的结果,上陈遗址212万年前最古老石器的发现将蓝田古人类活动年代推前了约100万年,这一年龄比德马尼西遗址年龄还老27万年,使上陈成为非洲以外最老的古人类遗迹地点之一。

这将促使科学家重新审视早期人类起源、迁徙、扩散和路径等重大问题。此外,世界罕见的含有20多层旧石器文化层的连续黄土-古土壤剖面的发现将为已经处于世界领先地位的中国黄土研究拓展一个新研究方向,同时将对古人类生存环境及石器文化技术的演进给出年代标尺和环境标记。

澳大利亚国立大学Andrew P. Roberts教授评论认为,这项轰动性工作确立了非洲以外已知的最古老的与古人类相关的遗址的年龄及气候环境背景,对于我们理解人类进化有着巨大的影响,不仅是中国科学的重大成果,也是2018年全球科学的一大亮点。

其余20个进入终选的项目:

01

翼龙3D胚胎研究揭示翼龙生命史

能够提供灭绝脊椎动物生殖和早期生长发育信息的蛋和胚胎化石非常罕见,特别是翼龙这一奇特的飞行爬行动物。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所汪筱林研究团队与巴西学者合作,报告了发现于中国新疆哈密早白垩世的数百枚三维立体保存的哈密翼龙蛋及16枚胚胎化石,这也是世界上首次发现的3D翼龙胚胎。

通过显微修理,利用CT扫描和骨组织学等研究发现,在处于晚期发育阶段的胚胎中,它们的牙齿还没有萌出,后肢发育速度比前肢快。这表明,孵化后哈密翼龙可能只能走不会飞,还需要父母的照顾,这与之前认为的翼龙具有早熟的胚胎发育模式有所不同,而且哈密翼龙具有快速生长发育史。根据化石埋藏学和沉积学特征,显示多次大型湖泊风暴灾难事件导致翼龙集群死亡。这些从胚胎到成年各发育阶段的大量雌雄翼龙、3D翼龙蛋和胚胎共生的特异埋藏现象,显示了翼龙的群居筑巢产卵行为和筑巢环境。

相关研究成果发表在2017年12月1日《科学》[Science,358(6367):1197—1201]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/358/6367/1197

02

制备出有序大-微孔金属有机框架单晶

华南理工大学化学与化工学院李映伟研究组与美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林等合作,在ZIF-8单晶中构建了高度有序和定向排列的大孔结构,开辟了在金属有机框架单晶中构建三维有序大/微孔结构材料(同时包含大孔和微孔结构的材料)的研究领域,也使多孔材料的应用成功延伸到有序大-微孔单晶领域。

研究人员采用的方法得益于聚苯乙烯三维有序纳米球的强成形效应和双溶剂诱导的异质成核方法。这种协同过程可使ZIF-8在模板内部有序的空隙中高效异质成核,并进一步原位生长,生成具有定向和有序大-微孔结构的单晶。这种独特有序大孔框架带来的优异扩散特性及单晶结构带来的强稳定性,使其在大分子缩合反应中显示出普通微孔ZIF-8和多晶ZIF-8空心球无法比拟的优异催化活性和再循环能力。

相关研究成果发表在2018年1月12日《科学》[Science,359(6372):206—210]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/359/6372/206

03

阐明中国被子植物区系的进化历史

一个地区较高的物种多样性可能是近期物种快速形成(“物种形成的摇篮”)的结果,也可能是物种持续积累和保存(“物种博物馆”)的结果,或者是二者共同作用的结果。中国拥有全世界近10%的被子植物种类,长期以来被认为既是物种的博物馆——有许多物种被认为是在远古时期形成并保存至今,也是物种形成的摇篮——由于近期地质、地理和气候的变化导致许多新物种的形成,如青藏高原的抬升及季风的影响促进了许多物种的快速辐射进化。

然而,针对中国被子植物区系的主要成分是在何时、何地及如何形成现存格局的这一科学问题,目前还没有详细的基于系统发育学的研究。中国科学院植物研究所陈之端研究组与合作者,重建了包含中国被子植物92%属的生命之树,模拟了包含26978种物种的近乎完整的物种水平的生命之树,结合140余万条详细的空间分布数据,首次从分子系统发育角度揭示了中国被子植物区系的时空分布格局。

他们的研究发现:中国约66%的被子植物属是在中新世早期(2300万年前)之后出现的(中新世是中国被子植物多样性形成的关键时期)。中国东部的植物区系呈现出分化古老(平均分化时间为2204—2539万年)、系统发育离散(亲缘关系较远的物种在空间上共存)和较高的系统发育多样性等特征。而在中国西部,植物区系展现出更为近期的分化特征(平均分化时间1529—1886万年)、更为显著的系统发育聚集(亲缘关系较近的物种共存)和较低的系统发育多样性等特征。

基于模拟分支长度的物种水平的系统发育多样性分析结果与属水平的分析结果一致。通过进一步对比分析草本植物属和木本植物属的分布格局发现,对于草本植物,中国东部是博物馆,而中国西部是近期快速进化的摇篮;而对于木本植物,中国东部既是博物馆也是摇篮。上述研究还明确了中国被子植物物种丰富和系统发育多样性高的热点区域,为中国致力于生物多样性保护和自然保护区建设提供了坚实的科学基础。

相关研究成果发表在2018年2月8日《自然》[Nature,554(7691): 234—238]上。

相关论文见:

http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature25485

04

发现天然金刚石可形成于镁铁碳酸盐矿物的自氧化还原

天然金刚石的形成通常需要金属等还原剂将碳还原为单质形式,其形成压力需要大于5GPa以跨越石墨-金刚石的转变边界。

中国科学院广州地球化学研究所陈鸣研究组与北京高压科学研究中心毛河光研究组等合作,针对岫岩陨石撞击坑中的冲击变质镁铁碳酸盐矿物的研究发现,25—45GPa的撞击压力和800—900°C的温度足以将铁白云石Ca(Fe2+,Mg)(CO3)2分解形成金刚石,而不需要其他还原剂。在这种温压条件下,这种碳酸盐中的碳发生自还原形成金刚石,同时二价铁被氧化为三价铁并形成一种新的MgFe3+2O4高压相(国际矿物学协会新矿物委员会(IMA-CNMNC)已将这种高压相批准和命名为 “毛河光矿”)。

这种亚固体状态碳酸盐的自还原机制的发现提示,金刚石作为下地幔中碳的一个主要载体可能普遍存在于下地幔中。

相关研究成果发表在2018年3月13日《美国科学院院刊》[PNAS,115(11):2676—2680]上。

相关论文见https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1720619115

05

发现促进晚期癌症恶化的新型红细胞样细胞亚群

医学界对于癌症患者出现全身性异常变化越来越重视,但对于远端器官异常在晚期癌症转移以及恶化中的作用尚不十分清楚。

海军军医大学医学免疫学国家重点实验室曹雪涛研究团队与国内多家基础与临床单位合作,通过动态分析早晚期癌症患者主要器官中的细胞异常变化,在晚期癌症患者肿大的脾脏中发现了一种称之为Ter细胞的新型红细胞样亚群,并发现此类细胞能够分泌大量的神经营养因子artemin进入血液而促进癌症的转移和恶化,将脾脏切除或者体内应用artemin抗体可以抑制癌症进展并延长晚期癌症患者存活期。他们利用肝癌患者样本验证了该发现的临床意义。

该发现为癌症预后判断和干预治疗提出了新靶点和新思路,丰富了人们对于晚期癌症患者往往伴随贫血以及精神应急性神经因子促癌恶化的认识。

相关研究成果发表在2018年4月19日《细胞》[Cell,173(3):634—648]上。

相关论文见:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.02.061

06

利用散点噪声实现对非局域热电子的空间成像

在现代的微电子芯片中,热电子在纳米尺度上加速、散射以及耗散能量,其中耗散能量形成的焦耳热阻碍着芯片技术的发展。尽管近期在纳米计温领域取得了系列进展,但直接对热电子能量耗散进行实空间成像还是一项挑战,这是因为现有技术还局限于探测晶格结构而不是电子。

中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究组与复旦大学物理系安正华研究组等合作,通过测量局部的电流随机涨落或与超快热电子运动相关的散点噪声(约21太赫兹)实现了对电子的纳米计温。研究人员利用一个扫描无接触钨针尖作为一个局域噪声探针,直接对与砷化镓/砷化铝镓晶体点阵热平衡前的热电子分布进行了空间成像。

利用该技术,研究人员在纳米受限器件中揭示出了一种偏离欧姆定律决定的非预期的室温下的非局域能量耗散过程,该过程类似于低温量子导体中的弹道输运。该项被称为“扫描噪声显微镜”的独特实验技术开创了固态器件中的纳米非平衡动力学研究方向,该技术的应用为后摩尔时代纳电子器件的热管理和新能源光伏器件突破传统光电转换理论极限等前沿领域带来了新的机遇。

相关研究成果发表在2018年5月18日《科学》[Science,360(6390):775—778]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/360/6390/775

07

发现溴掺杂可提高硒化锡晶体的面外热电优值

热电技术可收集工业废热将其直接转化为电能。热电转化效率由材料的热电优值(ZT)所决定。层状硒化锡晶体的热导率在面外(二维声子输运)方向最低。北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东研究组与南方科技大学物理系何佳清研究组等合作,通过溴掺杂层状硒化锡制备出具有重叠间层电荷密度(三维电荷输运)的n型硒化锡晶体。连续的相变提高了晶体的对称性,并使两种相会聚的导带分离。

这两种因素提高了载流子的迁移率,而保留了一个较大的塞贝克系数,其结果导致这种n型硒化锡晶体在773K温度下可具有高达2.8±0.5的面外ZT。上述研究结果可应用于二维层状材料,提供了一个新的强化面外电输运特性而不降低热特性的策略。

相关研究成果发表在2018年5月18日《科学》[Science,360(6390):778—783]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/360/6390/778

08

发现有机钙钛矿铁电材料

作为钙钛矿家族的另一重要成员,有机钙钛矿材料(无金属钙钛矿)不但可以避免潜在的金属毒性,还具有成本低、柔性佳、易成膜、能进行化学剪裁等优点,并使得手性的实现成为可能。继2002年Science杂志预言无金属钙钛矿材料的巨大潜力后,十余年过去,有关无金属的有机钙钛矿材料的研究依然停滞不前。

东南大学江苏省分子铁电科学与应用重点实验室熊仁根和游雨蒙研究组与合作者继有机-无机杂化的钙钛矿分子压电体研究之后,发现了一个具有三维结构的无金属有机钙钛矿材料体系,其中的MDABCO(N-methyl-N'-diazabicyclo[2.2.2]octonium)-三碘化铵具有22微库伦/平方厘米的自发极化,接近于无机铁电材料钛酸钡(BTO),它具有448K的高相变温度(比钛酸钡高)以及8个可能的极化方向。

除此以外,在这类有机钙钛矿铁电体中还首次实现了手性对映体铁电体的构筑。这些特性使其在柔性电子、柔性机器人、生物医药器件以及其他应用领域具有广泛的潜在应用。

相关研究成果发表于2018年7月13日《科学》[Science,361(6398):151—155]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/361/6398/151

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首次测定出双粲重子寿命

欧洲核子研究中心于2018年5月25日宣布,大型强子对撞机(LHC)底夸克探测器(LHCb)国际合作组首次测定了双粲重子的寿命。来自清华大学、华中师范大学、中国科学院大学、武汉大学等单位的LHCb中国组成员主导了该项研究。

这是他们继2017年首次探测到双粲重子后,在双粲重子研究中取得的又一项重要突破。双粲重子因为含有两个较重的粲夸克,其内部结构和物理性质都与质子和中子等普通重子迥异。双粲重子的研究提供了一个探索物质基本组成和相互作用规律的新途径。寿命测量是理解强子性质的关键一环。通过强相互作用或电磁相互作用衰变的强子通常寿命极短,而通过弱相互作用衰变的强子寿命相对较长。

此次测量到双粲重子寿命约为256飞秒(1飞秒=10-15秒),确定了该粒子只能通过弱相互作用衰变这一重要性质,同时也为理论上预言其它未发现的双粲重子性质、进一步开展相关实验探索打下了坚实的基础。

相关研究成果发表在2018年8月3日的《物理评论快报》[Physical Review Letters,121,052002]上。

相关论文见:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.052002

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发现阿尔法激酶1是细菌二磷酸腺苷庚糖的先天免疫受体

模式识别理论是现代免疫学的基石之一,发现新的病原相关分子模式及其模式识别受体是当代免疫学研究中“皇冠上的明珠”。历史上每一个新的模式识别通路的发现都无一例外地开辟了新的免疫学研究领域,其引发的研究热潮都大大促进人们对免疫系统与病原微生物互作机制的认知。

北京生命科学研究所邵峰研究组与合作者,通过对假结核耶尔森菌进行转座子遗传筛选,首次鉴定出细菌脂多糖(LPS)合成的前体糖分子——二磷酸腺苷庚糖(ADP-Hep),介导了病原菌III型分泌系统依赖的NF-κB炎症通路的活化。通过全基因组CRISPR筛选,他们又发现ADP-Hep激活NF-κB通路依赖于宿主的ALPK1(阿尔法激酶1)和TIFA 蛋白。

深入的生物化学和结构生物学研究揭示,ALPK1的N端结构域可以作为模式识别受体直接结合ADP-Hep,激活其C端的激酶结构域并磷酸化TIFA蛋白,磷酸化的TIFA蛋白则进一步通过TRAF6完成对NF-κB通路的活化。他们还发现,ADP-Hep可以自主进入宿主细胞,因此给小鼠直接注射ADP-Hep就会引起强烈的ALPK1依赖的炎症反应,展示出ADP-Hep是一个有效的免疫调节剂;细菌感染实验也表明ALPK1通路对小鼠通过炎症反应有效清除细菌至关重要。

上述研究发现ALPK1和ADP-Hep是一对全新的模式识别受体和病原相关模式分子,揭示了一个保守的存在于脊椎动物中的抗细菌天然免疫识别机制,也丰富和改变了人们对细菌脂多糖(通路)诱导炎症反应机制的认识。

相关研究成果发表在2018年9月6日《自然》[Nature,561(7721):122—126]上。

相关论文见:

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0433-3

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通过叠层设计使有机太阳能电池光电转化效率突破17%

有机太阳能电池具有很多优势,但其光电转化效率仍然落后于传统无机光伏电池。其中一个根本原因是有机光伏材料载流子迁移率较低,导致有机光伏器件活性层厚度受限,从而难以有效利用太阳光。

南开大学陈永胜和万相见研究组与国家纳米科学中心丁黎明研究组等合作,采取叠层电池策略克服了上述问题。他们首先建立半经验模型,从理论上预测了有机叠层太阳能实际可以达到的最高效率和理想活性层材料的参数要求。在此基础上,设计合成了具有高效和宽光谱吸收特性的活性层材料,通过溶液法制备出了创纪录的、验证效率达到17.29%的有机叠层太阳能电池。

相关研究成果发表在2018年9月14日《科学》[Science,361(6407):1094—1098]上。

相关论文见

http://science.sciencemag.org/content/361/6407/1094

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发现锂丰度最高恒星并揭示富锂巨星起源机制

锂元素是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键元素。已有的观测研究显示,大约有1%的巨星大气中具有异常高的锂丰度,这与标准恒星演化模型的预测结果存在直接的矛盾。这使得科学家们对宇宙中锂元素的形成和演化产生了很大的研究兴趣。虽然经过了数十年的努力,但富锂巨星的起源仍然还存在争论。

中国科学院国家天文台赵刚和施建荣领导的合作研究团队利用大科学装置郭守敬望远镜(LAMOST)发现了一颗迄今为止锂丰度最高的恒星(ALi=4.51),其锂含量是同类天体的3000倍。该富锂巨星来自于银河系中心附近的蛇夫座方向,位于银河系盘面以北,距离地球约4500光年。

他们不仅观测到这颗恒星具有异常高的锂丰度,而且发现它正处于红巨星的光度驼峰,如此高的锂丰度意味着这颗恒星刚刚经历过锂的增丰。该团队与中国原子能科学研究院科研人员一起利用最新的原子数据对恒星内部的核反应进行了模拟,并创造性地使用了不对称对流模型,突破了原有理论在锂丰度上遇到的天花板,成功再现了锂元素的形成过程。

他们的研究显示,这颗恒星的锂元素来自恒星内部的一种特殊的物质对流过程,恒星内部的铍-7元素被这种对流过程交换到表面衰变形成锂元素,从而使恒星大气中具有异常高的锂丰度。他们的理论计算与观测结果很好地吻合。上述研究结果打破了传统理论的限制,为研究锂元素的起源和演化找到了新的突破口,对恒星如何形成大量锂元素给出了合理解释。

相关研究成果发表在2018年10月《自然-天文学》[Nature Astronomy,2(10):790—795]上。

相关论文见:

https://doi.org/10.1038/s41550-018-0544-7

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实验实现三维非线性光子晶体

非线性光子晶体(NPC)具有空间依赖的二阶非线性系数,能够通过准相匹配有效控制非线性光学相互作用。铌酸锂(LiNbO3)晶体因其优异的非线性光学特性是制备非线性光子晶体最常用的材料之一。一维和二维铌酸锂非线性光子晶体在激光频率转换、空间光学调节以及非线性光学成像等领域已经得到广泛应用。然而,受到传统极化方法的限制,三维非线性光子晶体的实验实现一直是非线性光学领域最大的挑战之一。

南京大学物理学院张勇、肖敏研究组和祝世宁研究组与中国科学技术大学精密机械与精密仪器系吴东研究组等合作,利用飞秒激光选择性擦除铌酸锂晶体中的非线性系数,实验实现了三维铌酸锂非线性光子晶体,其转化效率可与典型的准相匹配过程相媲美。这种三维铌酸锂非线性光子晶体为未来基于其独特的控制三维构象中非线性相互作用波的能力,开展非线性光学、量子光学与量子信息研究提供了一种很有前景的平台。

相关研究成果发表在2018年10月《自然-光子学》[Nature Photonics,12(10):596—600]上。

相关论文见

https://doi.org/10.1038/s41566-018-0240-2

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研制出基于自组装亚微米结构的高效钙钛矿发光二极管

发光二极管(LED)可高效地将电能转化为光能,被称为第四代照明光源或绿色光源,在显示、照明与通信等领域应用广泛,具有广阔的市场前景以及巨大的市场价值。但是,目前平面结构的LED、尤其是有机LED(OLED)的发光效率还比较低。其主要原因在于,除了约20%—30%的光子能通过折射离开器件外,其他光子都被限制在器件中。

通常,科学家们采用光提取技术来提高LED的出光效率。然而,传统光提取技术需要使用图案化光栅等特殊光学结构,不但制备成本高,而且工艺复杂,对LED最终发光效率提升的效果并不显著且会造成发光光谱和出光方向的改变。

针对这一世界性的重大科学难题,南京工业大学先进材料研究院黄维和王建浦研究组,通过一种简单的低温溶液法,实现了具有随机分布亚微米结构的钙钛矿发光层,大幅度提高了LED的光提取效率,而且不影响发光光谱和出光方向。

这种亚微米结构是通过在钙钛矿前驱体溶液中加入一种氨基酸添加剂旋涂成膜后,在低温退火过程中自发形成的,由非连续、不规则分布的钙钛矿晶粒和嵌入在钙钛矿晶粒之间的低折射率有机绝缘层组成。而且,这种氨基酸添加剂还能有效钝化钙钛矿的表面缺陷,降低非辐射复合。通过这种方法制备出的钙钛矿LED的外量子效率(即出射光子数与注入电子数的比值)较国际同行提升了近一半,达到20.7%,创造了新的世界纪录。这与目前性能最好的OLED相当,而高电流密度(或高亮度)下能量转化效率超过了OLED。

这些结果表明了钙钛矿LED具有非常独特的优势,既具备OLED的可低温、低成本方式实现大面积柔性光源的优势,也具备无机LED在高亮度下还能保持高效率的优势,从而展现出非常广阔的应用前景。

相关研究成果发表在2018年10月11日《自然》[Nature,562 (7726):249—253]上。

相关论文见:

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0576-2

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在铁基拓扑超导体中发现马约拉纳费米子

马约拉纳束缚态(或马约拉纳费米子)因其可用于实现鲁棒量子计算中的非阿贝尔统计,引起了科学家寻找马约拉纳束缚态的极大兴趣。理论研究预测,马约拉纳束缚态可在拓扑超导材料中以零能模形式存在于磁涡旋中心。

中国科学院物理研究所高鸿钧和丁洪研究组与合作者,利用扫描隧道显微镜在铁基拓扑超导材料FeTe0.55Se0.45的磁涡旋中心观测到了一个尖锐的零偏压峰。该峰在远离磁涡旋中心的移动中不会发生分裂,其在不同磁场、温度以及隧道势垒下的演变行为与一个近乎纯粹的马约拉纳束缚态的行为一致,而与非拓扑束缚态不同。上述研究为在相对高的温度实现和操控马约拉纳束缚态提供了一个新的平台。

相关研究成果发表在2018年10月19日《科学》[Science,362(6412):333—335]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/362/6412/333

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实现器件无关量子随机数生成

器件无关的随机数发生器是安全性最高的随机数产生装置,因为即使采用恶意第三方制造的器件,或者窃听者拥有计算能力最强的量子计算机,也无法预测或获知它所产生的随机数。目前许多欧美国家都在开展器件无关随机数产生器的研制工作,比如,美国国家标准局(NIST)正计划利用器件无关的量子随机数产生器建立新一代的随机数国家标准。由于量子力学基础检验与量子内禀随机性存在着深刻的内在联系,基于量子纠缠的贝尔实验检验系统可以实现器件无关的量子随机数。

中国科学技术大学潘建伟、张强和范靖云研究组与清华大学量子信息中心马雄峰等合作,在此前贝尔检验实验研究发展的技术基础上,发展了高性能纠缠光源,并采用中国科学院上海微系统与信息技术研究所开发的高效率超导单光子探测器件,实现了高性能纠缠光源的高效探测[Physical Review Letters, 120,010503 (2018)],然后通过设计快速调制并进行合适的空间分隔设计,满足了器件无关的量子随机数产生装置所需的类空间隔要求,最终在世界上率先实现了器件无关的量子随机数产生器。这项突破性成果将在数值模拟和密码学等领域得到广泛的应用,并有望形成新的随机数国际标准。

相关研究成果发表在2018年10月25日《自然》[Nature,562(7728):548—551]上。

相关论文见:

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3

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揭开我国东部旱涝模态之谜

准确认识旱涝格局的分布规律对国民经济建设的战略布局和国家安全至关重要。现代气候研究表明,我国东部地区的旱涝格局存在偶极子模态(例如南涝北旱)和三极子模态(例如长江流域降水多而华南、华北都偏少)。人们对这两种模态的成因机制仍不清楚,直接影响了对未来旱涝格局的预测。产生这一困境的根本原因在于现代气象观测仅覆盖最近数十年的记录,无法捕获气候系统在更长时间尺度上的变化特征。因此阐明远古时期的旱涝格局及其控制因素是破解这一瓶颈的关键,也是全球变化研究中最具挑战性的一大科学难题。

中国地质大学(武汉)谢树成研究组及其国内外合作者在这一难题上取得了突破。通过对长江流域石笋新研发的气候代用指标研究,结合区域和全球古气候的对比,发现约12,000年前在北大西洋地区变冷背景下长江中游降水量显著增加,而华南降水量减少、华北干旱,据此提出北半球高纬变冷导致西风急流南移、东亚夏季风雨带在长江流域滞留时间延长的新观点。古气候模拟进一步验证了这一观点的合理性。这项研究解决了长期悬而未决的科学谜题,为理解我国东部降水三极子模态的成因机制、评估未来全球变化背景下我国东部旱涝格局的发展趋势奠定了理论基础。

相关研究成果发表在2018年11月2日《科学》[Science,362(6414):580—583]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/362/6414/580

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揭示真核生物核糖核酸酶P催化底物加工成熟的分子机制

核糖核酸酶P(RNase P)是地球上所有生物所必需的一类核酶,负责催化转运RNA(tRNA)前体5’端的成熟,以确保遗传信息的正确传递。真核生物的RNase P 是由一条长链非编码RNA分子(~300nt)和近十个蛋白质亚基组成的巨大分子机器。RNase P 是最早发现的核酶之一,这一发现颠覆了“所有酶都是蛋白质”的概念并获得了1989年诺贝尔化学奖。但是,自RNase P被发现近30年以来,有关核酶催化——这一生命科学核心领域的研究一直停滞不前,特别是对于真核生物RNase P的空间组织形式、催化机制以及该酶的进化路线等关键科学问题知之甚少。

上海交通大学医学院附属第九人民医院精准医学研究院雷鸣和武健研究组与中国科学院大连化学物理研究所李国辉研究组合作,在国际上率先报道了酿酒酵母RNase P及其与tRNA前体组成的复合体的冷冻电镜结构,这一里程碑式的研究工作首次完整地提出了真核生物RNase P催化底物tRNA前体切割成熟的分子机制,这一突破性工作大大催动了核酶催化这一领域的发展,解决了困扰该领域科学家几十年的科学难题。

与此同时,雷鸣和兰鹏飞研究组又进一步报道了人源RNase P及其与tRNA复合体的冷冻电镜结构,揭示了人源RNase P 的底物识别和催化机制,并提出了RNase P 这一古老核酶的进化模型。该模型揭示了细菌RNase P的RNA亚基中的辅助RNA元件逐步退化,进化到高等生物中由更加复杂的蛋白质组分所替代,这对理解生物大分子的进化和生命的起源具有重要意义。

相关研究成果分别发表在:2018年11月9日《科学》[Science,362(6415):eaat6678]上和2018年11月15日《细胞》[Cell,175(5):1393—1404]上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/362/6415/eaat6678

https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.10.003

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基于有序间隙原子复合体设计出高强度高塑性金属材料

金属材料作为航空航天、交通运输、国防装备等国民经济重要领域的关键材料,在制造加工过程中会不可避免地引入杂质,尤其是无处不在的氧。一般认为,氧的掺杂普遍以对材料机械性能不利的间隙杂质或脆性氧化物陶瓷相存在,虽能提高强度,但微量氧掺杂(ppm级别)往往大幅降低金属材料塑性并易引起灾难性脆性断裂,因此,通常金属材料在制造加工过程中必须严格控制极低的含氧量,这对金属材料制备和加工构成了严峻的挑战。

北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平研究团队与合作者以等原子比TiZrHfNb高熵合金为模型合金,发现在添加高达2at.%的氧后,间隙氧原子与Zr/Ti原子结合形成一种尚未被人们所认识的新结构——有序间隙原子复合体,这是一种介于常规随机间隙原子和陶瓷相之间的新的间隙原子存在状态。

这种有序间隙原子复合体能够同时显著提高合金的强度和塑性,打破了金属材料强度和塑性不可兼得的魔咒,拓展了材料学家们对间隙强化和有序强化的认识。而且,这一同时提高合金强度和塑性的有序间隙原子复合体可通过适当的合金设计及加工工艺获得,能够广泛应用于低成本、高性能金属材料的开发。

相关研究结果发表在2018年11月22日《自然》[Nature,563(7732):546—550]上。

相关论文见:

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0685-y

20

解析出分枝杆菌能量代谢系统超级复合物的结构与功能

结核病是全球头号传染性疾病,我国也是传统的结核病高负担国家。随着传统药物长达半个多世纪的组合应用,其致病菌结核分枝杆菌表现出日益严重的耐药性,已成为威胁人类健康的重大挑战。干预结核分枝杆菌的能量代谢系统,作为应对耐药结核药物研发的新思路,备受关注。

南开大学生命科学学院饶子和研究组与中国科学院生物物理研究所王权和孙飞研究组等合作,解析了分枝杆菌能量代谢系统呼吸链复合物III与复合物IV的超级复合物CIII2-CIV2-SOD2的高分辨率(3.5Å)冷冻电镜结构,在此基础上,深入阐释了该复合物内部协同反应的分子机制,揭示了分枝杆菌体内能量分子ATP合成动力的来源,为Beda、Telacebec等靶向该复合物和该系统的临床和在研药物的开发、优化,提供了重要的科学基础。

与此同时,该工作还首次揭示了生命体内一种新的醌氧化与氧还原相偶联的电子传递机制,首次通过结构生物学的研究,发现超氧化物歧化酶(SOD)直接参与呼吸链系统氧化还原酶超级复合物的组装并协同工作的现象,直接拓展了现有研究对细胞能量代谢和微生物免疫抵抗的认知,具有里程碑式的重要意义。

相关研究成果发表在2018年11月30日《科学》Science,362(6418):eaat8923上。

相关论文见:

http://science.sciencemag.org/content/362/6418/eaat8923

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本文来源:https://www.bilezu.com/info/8747.html

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