可重构DNA折纸术的折纸机制

 

　　《自然》封面：折纸术。《自然》杂志第7968期封面文章报道了一种可重构DNA折叠的方法，这种方法可以创建多种动态形状。DNA折纸术能用模板创建有用的超分子结构。但这种技术也有局限性，因为大部分结构只有两种构型：折叠或展开。本期一项研究开发了一种能创造出多种动态形状的可重构DNA折叠方法。研究团队利用一张纸可重复折叠和展开成不同形状的概念，以折纸产生图案的方式构建了一个DNA线框。通过这种方法，研究团队能用核酸分子、酸碱度或光触发DNA折叠、展开、重新折叠成不同形状。

 

全球珊瑚礁的塑料污染情况

 

　　《自然》封面：通常，海底的海胆会找一些海草或碎石帮助它们藏身，而封面所示的变异囊海胆却找来了蓝色塑料袋的碎片，并缠绕在珊瑚礁上的废弃鱼线里。《自然》杂志第7969期封面文章报道了塑料污染对全球生态系统的严峻影响，报道中提到的两篇论文量化了塑料污染对偏远水环境的影响程度。一篇文章聚焦珊瑚礁，在分布于太平洋、大西洋和印度洋25个地点的84个珊瑚礁系统中寻找塑料污染物。另一篇文章调查了23个国家的38个湖泊和水库的微塑料污染。两篇文章获得了同样的结论：塑料污染无处不在，对此的监管应覆盖地球上所有水体。

 

人体细胞图谱

 

　　《自然》封面：2018年启动的人类生物分子图谱计划（HuBMAP）旨在绘制人体内各类型细胞的排列图谱。《自然》杂志第7970期封面文章报道了3项HuBMAP的早期研究成果。一是科学家利用新型成像技术和单细胞技术绘制了人体肠道图谱，二是利用空间转录组学构建了人类肾脏图谱，三是利用成像技术获得母胎界面图谱。这3个单细胞分辨率图谱体现出空间分析在理解人体生物学与疾病中的重要作用。人类生物分子图谱计划一直在开发必要技术，并用它们以单细胞分辨率构建器官图谱。

 

热辅助探测与测距研究

 

　　《自然》封面：夜视。《自然》杂志第7971期封面文章报道了一种人工智能（AI）的辅助方法，极大提高人造机器的夜视能力。从机器人助手到自动驾驶汽车，让机器参与社会互动的一个必要条件是其感知周围环境的能力。光照充足的环境问题不大，但黑暗环境目前还有大量困难。研究团队设计了一个名为HADAR（热辅助探测与测距）的系统，能够将热物理学和红外成像技术与机器学习技术相结合，在漆黑一片的环境里像在大白天一样辨别物体。HADAR利用热辐射定律在黑暗中感知纹理和深度，而且准确度远高于传统的热成像系统。

　　

电子的电偶极矩的新上限

 

　　《科学》封面：激光探测振荡电场悬浮真空室中的电子。《科学》杂志第6653期封面文章报道了粒子物理学研究的新成就。研究人员使用限制在分子离子内的电子，经受巨大的分子内电场，并相干演化长达3秒，提出迄今为止最精确的电子的电偶极矩（eEDM）测量。针对电子的电偶极矩de，科学家在90%的置信度水平给出了最新实验上限。基于这一结果，并对某些相关参数做了特殊的假设，研究发现可将对电偶极矩作出贡献的新物理模型的有效能标限制到4×1013eV（即40 TeV）以上，远高于正在运行的大型强子对撞机的质心能量14TeV。

 

机器智能世界

 

　　《科学》封面：人工智能（AI）在科学和社会上的发展和应用已经取得了巨大的进步。《科学》杂志第6654期特刊文章报道了人类社会持续寻找安全、公平的合作方式，让人类与人工智能和谐发展。人工智能带来了极大的利好，特别是当应用程序涉及大量数据和高度可变性时。例如，机器学习被用来促进对动物交流的理解，在药物开发和化学应用中增加新发现等。在部署生成式人工智能时，则需要一种制衡。人工智能还不能做所有的事情，但它可以帮助我们走得更远。问题是如何确保人工智能是安全的，从而使其利大于弊。

 

人类骨骼形态的遗传结构和进化

 

　　《科学》封面：人类行走的骨骼X光片。《科学》杂志第6655期封面文章报道了人类骨骼比例的遗传基础。文章利用深度学习技术从3万人中提取23个骨骼比例，结合遗传和生物银行数据，确定了100多个与这些比例相关的遗传变异，研究成果为人类骨骼形态的进化及其在肌肉骨骼疾病中的作用提供新见解。例如，臀宽与臀高之比较高的人（也就是臀宽、腿短）更容易患骨关节炎和臀部疼痛；大腿骨长度与身高之比较高的人（也就是大腿比例长）更容易患膝盖关节炎、膝盖疼痛和其他膝盖问题；躯干长度与身高之比较高（也就是上半身比例长）的人更容易患背痛。

 

卡托克廷炼铁炉埋葬的非裔美国人遗传血统与特征

 

　　《科学》封面：失去了根。《科学》杂志第6657期封面文章报道了美国殖民时期和现代非裔美国人之间的多代联系。在1774年至1850年期间，被奴役的人在马里兰州卡托克廷熔炉工作。卡托克廷熔炉在美国早期历史上发挥了作用（包括在独立战争期间提供弹药），但人们对在那里工作的非洲裔美国人或他们的后代知之甚少。研究者对27名被埋葬的非裔美国人的DNA进行了测序，通过基因组数据进行比较，确定了生活在美国各地的41 799个相关近亲和远亲。卡托克廷近亲的最高浓度之一仍然在美国马里兰州。

　　

破译大麻素受体选择性信号转导机制

 

　　浙江大学医学院李晓明教授课题组联合张岩教授课题组开展科研攻关，从原子分辨率水平解析了大麻素受体和信号转导复合物的精细三维结构，阐明了大麻素受体CB1产生下游特定信号谱图的机制，有望在保留大麻治疗效果的同时规避其副作用。相关成果发表于《细胞》（Cell）。大麻早在《黄帝内经》中就被记载是拥有治疗价值的药物，其中的活性成分作用于人体内的大麻素受体，可以有效治疗抑郁、焦虑、疼痛和癫痫。这项研究对于理解大麻素受体CB1受体配体偏向信号传递机制提供了重要依据，为发现新颖的偏向性CB1小分子奠定了坚实的基础，在以CB1为靶点的药物开发中具有重要意义。

 

揭示新冠康复者刺突蛋白特异性共享抗体图谱

 

　　中国科学院广州生物医药与健康研究院呼吸疾病全国重点实验室陈凌、熊晓犁等与国内同行合作，开展了深度抗体组库测序、抗体组学和结构分析。相关成果发表于《新兴微生物和感染》（Emerging Microbes & Infections）。靶向新冠病毒（SARS-CoV-2）刺突蛋白的中和抗体是保护性体液免疫的关键组成部分，全面剖析SARS-CoV-2感染诱导的中和抗体库的组成对于疫苗设计和评价具有重要科学意义。研究团队通过对33名新冠早期感染康复者和24名健康个体的抗体重链库进行深度测序，获得3.6亿条抗体重链序列，绘制了迄今为止最为全面的新冠康复者刺突蛋白特异性共享抗体图谱。

 

揭示卷曲受体的激活机制及与平面细胞极性调控的相互关系

 

　　上海科技大学生命科学与技术学院徐菲课题组联合复旦大学附属眼耳鼻喉科医院白内障与晶状体屈光手术学科竺向佳课题组，解析了卷曲受体的激活机制及与平面细胞极性调控的相互关系。相关成果发表于《细胞发现》（Cell Discovery）。卷曲受体是信号传导的一个细胞表面“接收器”，在调控胚胎发育和肿瘤发生发展中发挥着重要作用。研究人员探究了卷曲受体家族的3个成员：主要参与经典Wnt信号通路的FZD1，以及主要介导非经典PCP信号通路的FZD3和FZD6。他们通过对受体激活态与抑制态两种功能构象的结构解析，揭示了这3个受体与G蛋白偶联的机制及各自的激活机制，并提出了蛋白偶联的通用模型。

 

贝伐单抗可减缓早期阿尔茨海默病进程

 

　　中山大学中山医学院叶小菁团队、孙逸仙纪念医院林伟杰团队和唐亚梅团队合作，开发有效方案预防和治疗阿尔茨海默病（AD）。相关成果发表于《转化性神经变性》（Translational Neurodegeneration）。阿尔茨海默病是老年痴呆最常见的形式，其特点是认知功能的进行性和不可逆转性的衰退。据统计，全球平均每3秒就新增1名阿尔茨海默病患者，我国阿尔茨海默病患者数量高达980万。研究显示，贝伐单抗可以通过性别差异性调节相关受体的表达水平，上调与脑血管功能相关的基因表达和信号通路，改善血脑屏障，增强脑血管反应性，并减少中性粒细胞在脑毛细血管中的滞留。

　　

单结构域二氢叶酸还原酶索烃的设计和生物合成

 

　　北京大学化学与分子工程学院方晶、张文彬等人通过对二氢叶酸还原酶（DHFR）的二级结构进行重新接线，利用其天然存在的缠结结构，在不引入外源模板的前提下实现了单结构域二氢叶酸还原酶索烃的胞内直接合成，且无需任何额外的体外反应。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review）。蛋白质是高分子中独特而重要的一类，它可以通过基因编码的手段精确合成，在生命体中发挥丰富的功能。单结构域索烃的设计和合成方法为蛋白质工程提供了全新的策略，并具有更广阔的设计空间和更好的可进化性，在工业酶工程和生物医药等领域具有广泛的应用前景。

 

单原子催化剂与载体协同机制实现乙烯羧甲酯化

 

　　中国科学院大连化学物理研究所催化与新材料研究室张涛院士、王爱琴研究员团队在单原子催化乙烯羧甲酯化反应研究方面取得新进展。相关成果发表于《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）。乙烯羧甲酯化反应（乙烯、一氧化碳和甲醇反应生成丙酸甲酯）是工业上制备甲基丙烯酸甲酯的重要途径。与传统丙酮氰醇法、异丁烯氧化法等相比，这一方法具有原料来源广、原子经济性高、选择性高等优势。目前，反应仍广泛使用钯-膦配合物为催化剂，并以硫酸、甲磺酸等强酸为助剂，存在催化剂分离困难、设备腐蚀等问题。新开发的铂单原子催化剂可在不添加酸助剂的条件下催化乙烯羧甲酯化反应，催化效果良好。

 

设计具有高热稳定性的莫内林变体

 

　　天津大学生命科学学院刘斯、叶升团队通过计算设计成功创造出4种能够在沸水中仍保持甜度的莫内林（Monellin）突变体，解决了莫内林甜蛋白在开发中的一个重要挑战。相关成果发表于《食品化学》（Food Chemistry）。莫内林是一种源自非洲植物浆果的小型植物蛋白，具有低热量、高甜度和丰富营养的特点，是一种具有潜在高附加值的食品甜味剂。研究团队最终得到4种突变体表现出显著改善的热稳定性，即使在沸水中加热一小时后，这些突变体仍保持溶解。此外，它们在碱性、酸性和中性环境中表现出卓越的稳定性。这些发现强调了这些突变体在食品和饮料行业应用中的潜力。

 

构建明确配位结构的Co(CN)3

 

　　北京化工大学孙晓明、田书博、庄仲滨等人开展了Co(CN)3（三氰化钴）晶体的精确可控合成研究。相关成果发表于《自然·催化》（Nature Catalysis）。研究团队制备并精确表征了新型Co(CN)3微晶，并将其用作氧还原反应催化剂。晶体材料相对于非晶态氮掺杂碳材料的主要优势在于其明确定义的长程有序性。这种特性能够直接从晶体结构推断表面配位环境，避免金属配位数和构型因X射线吸收光谱及其拟合技术所产生的平均化。这项研究不仅展示了Co(CN)3微晶在燃料电池中的潜力，还因其极其精确的表面结构，为实验上配位数与性能关系提供了参考系，为类似材料的设计、开发及标准化方面提供研究基础。

　　

力学调控拓扑铁电畴研究

 

　　北京理工大学王学云、洪家旺团队在力学调控拓扑铁电畴研究中取得新进展，解决了受拓扑保护的铁电畴难以在室温局域精准调控的难题。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。拓扑缺陷作为一种具有拓扑保护的微结构，是研究体系对称性与序参量演变的重要载体。在铁电领域，拓扑畴/畴壁结构展现出新奇物理现象，形成了稳定的荷电畴壁，展现出半波整流效应、高频交流导电特性等潜在应用前景，在多态存储器和纳米电子器件中具有潜在的应用价值。文章通过纳米压痕引入应力与晶格相互作用的马格努斯力，使铁电单晶中的涡旋畴呈现六重对称的分布，进而拓展压痕至划痕，为铁性材料的畴调控应用提供新思路。

 

氧化铪材料电矩交换作用机制研究

 

　　吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室马琰铭院士团队的赵宏健等人与国际同行合作，在氧化铪材料电矩间交换作用机制方面取得新进展。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。研究确认氧化铪是承载电矩反对称和对称各向异性交换作用的候选材料体系。对称性分析和第一性原理计算表明，氧化铪呈现出丰富的非共线电矩排布状态。通过建立三线性耦合模型，研究团队证实氧化铪的非共线电矩结构源于氧亚晶格结构畸变，这一畸变衍生出电矩反对称和对称各向异性交换作用。在此基础上，研究团队揭示了磁矩耦合模型和电矩耦合模型的相似性。

 

超快激光诱导纳米光栅的形成机理

 

　　上海大学理学院物理系超快光子学实验室戴晔团队与国际同行合作，以“光与物质相互作用”中的“物质”（包括透明电介质、半导体和晶体等）为重点，介绍了近20年来超快激光诱导纳米光栅的形成机理。相关成果发表于《材料科学进展》（Progress in Materials Science）。超快激光脉冲在透明材料加工领域内已经成为一种非常优异的加工工具，它可以诱导出具有高自由度和高空间精度的结构改性。文章基于材料化学组分对其周期性、纳米孔尺寸、填充因子及相关的“光学性能”（纳米光栅形成的起始/破坏的能量窗口、最大延迟量或者双折射）和“技术性能”（诱导纳米光栅的能量消耗、激光扫描速度及热稳定性）进行分析总结。

 

发现自旋超固态及其巨大磁卡效应

 

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孙培杰研究组与中国科学院大学苏刚、中国科学院理论物理研究所李伟、北京航空航天大学金文涛等人合作，通过极低温下的热力学测量、中子衍射实验，结合量子多体理论计算，在钴基三角晶格材料中发现了一种新型量子物态，即自旋超固态（兼具自旋固态序和自旋超流序）的关键实验证据，并在自旋超固态相内观测到了这一材料超越传统顺磁盐的巨大磁卡效应。相关成果发表于《自然》（Nature）。此前，除了基于冷原子气体的模拟实验外，人们尚未在固态物质中找到超固态存在的可靠实验证据。实验结果显示，新构建的磁场-温度相图和理论计算结果高度一致。

　　

蛋白质水下软体机器人研究

 

　　上海交通大学钱志刚、夏小霞等人创制出可编程驱动的蛋白质水下软体机器人。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。研究团队提出可编程黏附及形变的设计原理，以基因工程节肢弹性蛋白为原料，通过分子间共价和动态离子键双交联、剪切诱导的有序化组装，让固有无序的节肢弹性蛋白实现从溶液向多级有序水凝胶的转变。他们制备的水凝胶材料不仅具有水下黏附、自愈合、高延展、高强度等多重功能，而且拥有可编程的热、光、磁刺激形变特性。材料实现蛋白质水凝胶兆帕级拉伸模量和十倍可延展性的有机统一，具备按需切换水下黏附和变形能力，从而让以此为材质的原型机器人执行水下搬运、模型创口修补等复杂任务。

 

驱动凝固液滴自发升高的机理研究

 

　　复旦大学航空航天系邓道盛课题组开展凝固诱导溶质马兰戈尼流动驱动二元液滴自发升高研究。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。近年来，多组分液滴的动力学行为成为流体力学研究热点之一。研究团队开展了水/乙醇二元液滴壁面结冰实验，观察到与纯水液滴结冰截然不同的“自发升高”结冰形貌。他们结合实验中测量的液滴轮廓、温度场和流场信息，揭示二元液滴结冰过程中，由于冰-水凝固分界线附近乙醇浓度富集，导致表面张力局部降低，进而提出溶质马兰戈尼效应驱动液滴自发升高的物理机理。研究结果有助于加深对多组分液滴动力学的物理理解，为多组分流体凝固相关的技术应用提供参考。

 

增材制造可降解金属骨植入物

 

　　清华大学机械系温鹏副教授课题组和中国人民解放军总医院第四医学中心口腔科李岩峰教授团队开展合作，开展用于治疗感染性骨缺损的含载药涂层的生物可降解锌支架的体内外研究。相关成果发表于《今日材料生物》（Materials Today Bio）。锌是人体必需的生命元素，世卫组织推荐健康成年人每天须摄取锌15mg。锌能够在人体内安全降解，消除了植入物长期存在的隐患；适量的锌离子可促进骨再生，同时起到抗菌消炎效果。研究团队利用增材制造技术制备了可降解锌合金多孔支架，从合金成分、孔隙设计和表面涂层多个方面调控了其降解行为，揭示了降解机制及其对骨再生的影响，并在动物试验上实现了良好的促成骨效果。

 

新型超快激光器研究

 

　　中国科学院上海光学精密机械研究所梁晓燕等人在高重频高功率超快激光器研究方面取得新进展。相关成果发表于《光学快报》（Advanced Materials）。大功率、大能量、窄脉宽的超快激光器对于科研和工业应用具有重要意义。大功率、大能量、窄脉宽的超快激光器对于科研和工业应用具有重要意义。研究团队采用平凸柱面镜混合腔结构，实现了自激振荡抑制，设计并研制了高增益、高功率的板条放大器。实验对脉冲的演化过程也进行了定性分析，认为来自激光器前端残余的高阶色散、放大器的增益滤波效应、展宽器和压缩器之间三阶色散的轻微失配，以及放大器中累积的非线性相移的综合效应实现了高脉冲质量的输出。