9月13日，清华大学、东北大学、上海交通大学、浙江大学分别在全球顶级科研期刊《Nature》上发表了最新的科学研究成果。
清华大学
9月13日，清华大学刘玉乐教授作为唯一通讯作者在全球顶级科研期刊《Nature 》发表题为“Molecular basis of methyl-salicylatemediated plant airborne defence”的研究论文。
该工作鉴定了识别气态MeSA的植物受体，揭示了MeSA介导的植物气传性免疫的分子机制及其植物病毒的反防御机制，为防治病虫害提供了突破点和研究方向。论文第一作者是清华大学生命科学学院博士后龚骞和王韵婧。
空气中的MeSA被邻近植物中的SABP2感知并转化为水杨酸。然后水杨酸引起信号转导级联，激活NAC2-SAMT1模块进行MeSA生物合成，诱导植物抗蚜免疫，减少病毒传播。为了对抗这种情况，一些蚜虫传播的病毒编码含有解旋螺旋蛋白的蛋白，通过与NAC2相互作用来亚细胞重定位和破坏NAC2的稳定，从而抑制AD。因此，植物对蚜虫的排斥程度降低，更适合蚜虫的生存、侵染和病毒传播。该研究揭示了AD和蚜虫-病毒共同进化的机制基础，证明AD是一种潜在的生物激励策略来控制蚜虫和病毒。
大多数植物病毒依赖昆虫等介体进行传播。当昆虫叮咬植物后，植物会产生VOCs，驱避昆虫的同时也招募这些植食性昆虫的天敌。此外，当这些挥发性化合物被临近植物吸收后会触发临近植物对昆虫的防御反应。刘玉乐研究团队发现蚜虫叮咬植物后，植物会产生MeSA，这些MeSA挥发到空气中能够被临近植物中的MeSA受体蛋白水杨酸结合蛋白-2（SA-binding protein-2，SABP2）感知结合，并将其转化为水杨酸（salicylic acid, SA）。SA激活转录因子NAC2，上调水杨酸羧基甲基转移酶1（SA-carboxylmethyltransferase-1，SAMT1）基因的表达，从而产生更多的MeSA，诱导植物的抗蚜虫免疫，从而降低病毒的传播。
▲图1：植物气传性免疫的分子机制示意图
值得注意的是，刘玉乐团队还发现一些蚜虫传病毒比如黄瓜花叶病毒、马铃薯Y病毒等能够编码含有解旋酶结构域的蛋白质与NAC2蛋白相互作用，改变NAC2蛋白的亚细胞定位，促进NAC2在细胞质中被26S蛋白酶体降解，从而负调控NAC2-SAMT1通路，抑制蚜虫叮咬植物中MeSA的合成和挥发，阻断植物间“预警”通讯，促进蚜虫对临近植物的侵染和对病毒的传播（图1）。这一发现揭示了植物气传免疫的详细分子机制及病毒的反防御机制，揭示了全新的蚜虫-病毒共进化互惠方式。
东北大学
9月13日，东北大学左良教授作为唯一通讯作者在全球顶级科研期刊《Nature 》发表题为“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”的研究论文，该研究提出了一种通过引入平带电子结构来大大提高态的关节密度的途径。该论文第一作者是东北大学杨波副教授。
TOP注意到，这是东北大学建校以来首次以第一作者和通讯单位在《Nature》上发表研究论文，这是一重大突破。
受人口增长、环境污染以及气候变化等因素的影响，淡水资源短缺问题日益严峻。根据全球水资源经济委员会最新研究报告，到2030年全球淡水供应短缺将达到40%。鉴于70%以上的地球表面被海洋覆盖，海水淡化无疑是破解这一急迫问题的最有效策略。近年来，科研人员致力探索基于光热转换效应的太阳能驱动界面水蒸发技术，其在减轻化石能源消耗与环境污染压力、保障清洁水资源安全供给方面有着广阔的应用前景。
获取具有宽吸收谱、高吸收率的光热转换材料，是将太阳能高效转换为热能需要解决的首要问题。该研究从光与物质相互作用的本质出发，通过第一性原理计算和实验研究发现，亚氧化钛（TinO2n-1）中存在的Ti-Ti二聚体结构导致Ti-3d电子在实空间的局域化，并在费米能级附近引入平带电子态，从而增强电子跃迁的联合态密度。如图1所示，金属性λ-Ti3O5在费米能级附近较宽的能量范围存在源于Ti-3d轨道的多重平带电子态，使得其在全太阳光谱范围内呈现出96.4%的吸光率。
▲图1. a，λ-Ti3O5晶体结构及Ti-Ti二聚体；b，λ-Ti3O5能带结构与电子态密度；c-e，λ-Ti3O5在不同波长光照下电子跃迁示意图（c-紫外，d-可见，e-近红外）；f，Ti4O7、β-Ti3O5和λ-Ti3O5实测反射光谱
利用第一性原理分子动力学模拟研究发现（图2），λ-Ti3O5最稳定的表面上的Ti-Ti二聚体能够将最初化学吸附的部分水分子分解为羟基（-OH）和氢（H），且二者分别与λ-Ti3O5表面Ti原子和O原子结合，导致λ-Ti3O5表面羟基化；此外，该表面特殊的U型槽结构能够促使快速的质子交换，使得羟基化表面上物理吸附的水分子层中易于形成亚稳的H3O*单元，可弱化含H3O*的水分子团簇与其周围水分子之间的氢键作用。结合实验验证，从本质上揭示了λ-Ti3O5表层水分子在光照条件下以团簇形式蒸发的机制，革新了水以单分子形式蒸发的传统认知。
▲图2. a，λ-Ti3O5（11 ̅0）表面的U型槽结构；b-e，水分子在λ-Ti3O5（11 ̅0）表面的吸附和分解第一性原理分子动力学模拟；f-g，水分子在λ-Ti3O5（11 ̅0）表面分解的能垒计算（f-表面吸附1个水分子，g-表面吸附2个水分子）；h， λ-Ti3O5（11 ̅0）表面不同水层中的氢键长度分布
基于上述理解，将光热转换材料λ-Ti3O5与聚乙烯醇（PVA）混合，制作出了三维多孔连通结构的蒸发器，在1个太阳光照条件下（1 kW m-2）获得了高达6.09 kg m-2 h-1的水蒸发速率，创造了长时间工作且无盐分析出的太阳能驱动光热水蒸发速率的新纪录（图3a，b）。进一步设计了户外海水淡化和淡水收集装置，置于东北大学南湖校区户外自然光照时的平均日收集淡水量达到23 L m-2 day-1（图3c-e），展现出了良好的应用前景。
▲图3. a，λ-Ti3O5-PVA三维多孔连通结构蒸发器的蒸发速率；b，不同光热转换材料蒸发器的蒸发速率与光-气转换效率比较; c，户外海水淡化装置；d，太阳光能量、淡水收集速率和收集淡水总量随时间变化；e，日平均光通量和淡水收集速率
该工作发现Ti原子二聚体化引入的多重平带电子态，据此提出了平带光热转换材料的新概念，研发出了全太阳光谱高吸收、低反射的λ-Ti3O5光热转换材料；结合三维多孔连通结构蒸发器设计，创造了光热水蒸发速率的世界纪录。研究结果为不仅设计开发高效光热转换材料提供了新的思路，而且为利用太阳能驱动海水淡化以及工业废水节能化处理提供了新的策略。
上海交通大学
9月13日，上海交通大学化学化工学院/变革性分子前沿科学中心樊春海院士、王飞副教授作为共同通讯作者在全球顶级科研期刊《Nature 》发表题为“DNA-based programmable gate arrays for general-purpose DNA computing”的研究论文，该研究展示了一个集成多层基于DNA的可编程门阵列(DPGAs)的DIC系统。该论文第一作者是吕慧。
利用生物分子相互作用的液相生物计算在高并行计算方面具有巨大潜力。利用DNA分子反应网络，研究者们已经成功实现了细胞自动机、逻辑电路、决策机器、神经网络等多种功能。然而，现有的DNA计算体系仅能针对特定功能进行硬件定制。而在电子计算机领域，通用性集成电路（如FPGA）可通过软件编程的方式执行各种运算功能，而无需从头设计制造硬件，这为研发计算机器提供了高阶平台。类似于从电子集成电路的特定应用向通用用途的演变，通用可编程DNA集成电路的发展对于多种场景的应用非常有前景。然而，在DNA集成电路中，生物分子组件会在溶液中扩散和混合，使得分子间内在的随机碰撞难以控制，阻碍了可扩展、可编程的DNA计算器件的开发，使得通用性DNA计算的实际实现具有挑战。
在这项工作中，樊春海院士团队开发了一种支持通用性数字计算的DPGA，并支持器件层次的多DPGA集成，实现了器件内的可编程性和器件间可集成性。利用DPGA的可编程性与高集成度，该研究突破了DNA分子计算在电路规模和电路深度的瓶颈，首次在实验上展示了高达30个逻辑元件、500条DNA链，包含30层DNA链取代反应的电路规模。由于DPGA的可扩展性，理论上任何实际问题都可以在模数转换后接入DPGA电路。这项研究概念性展示了将DPGA作为分子诊断中的信息处理核心，对疾病相关的分子靶标进行非线性分类。
▲图1：DPGA编程的工作流程
▲图2：一致的双轨运算元件与门控的全局DNA信号（DNA-UTS）传输
▲图3：通过连线指令实现DPGA内与DPGA间信号传输
▲图4：DPGA的多功能重编程
▲图5：多DPGA运算网络
▲图6：基于DPGA的非线性分类器
DPGA可集成运行大规模反应网络的能力，标志着迈向通用性DNA计算的关键一步，有望在数学运算、疾病诊断等方面得到更加广泛的应用。
浙江大学
9月13日，浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛教授、赵骞教授作为共同通讯作者在全球顶级科研期刊《Nature 》发表题为“Shape memory polymer with programmable recovery onset”的研究论文。论文共同第一作者为倪楚君博士与陈狄博士。
研究团队对材料定时响应的变形机理进行了深入阐述，他们认为，这类定时变形效应有望在深空深海、生物工程等领域发挥独特的作用。因为在许多场合中，“定时响应”是比“即时响应”更优的解决方案。
为什么新材料的“反射弧”特别长？研究团队发现其背后有一套独特的变形机制。
材料在从热变冷时，内部有两股力量在“竞争”：一方是保持临时形状的力，一方是恢复原始形状的力。开始时，保持临时形状的力占绝对优势，双方的力量差会达到1000倍以上。“就像小兔子拔萝卜，开始时萝卜埋得很深，土又很硬，拔不动。”赵骞介绍，在很长一段时间内，材料会停留在临时形状，纹丝不动；而随着时间的推移，“泥土”发生松动，也就是保持临时形状的力持续不断下滑，当双方的差异不再显著时，材料就会出现肉眼可见的变形。研究显示，在力量差缩小到20倍时，材料会出现5%的变形。
对于更深层原因，团队联合浙江大学化学系孔学谦教授（现上海交通大学），通过超高场核磁共振成像技术得到了答案。赵骞介绍，这种材料内部存在两种的水状态，一种是高分子相内部的结合水，另一种是高分子相间的游离水。在加热材料“植入”临时形状时，体系相分离的程度大，结构水含量低，材料硬度高；而降温是相融合的过程，结构水含量逐渐升高，材料随之变软。在整个降温过程中，“泥土”由坚硬变得松软。观察发现，材料中的结构水含量达到70%时，会出现肉眼可见的变形。
▲图1：不同形状记忆材料的性能比较
“定时变形行为是由水分子的扩散驱动的，不同于普通形状记忆的热传导控制。”赵骞说，正因如此，它的“反射弧”的长短取决于于材料在高温下固定临时形状的时间，也就是热编程时间——热编程的时间越长，自由水在材料内部扩散的时间越长，相分离程度就越大。
基于机理的把握，科学家得以利用“延时”来创造“定时”：操作方法非常简洁，只需调控一个参数——热编程时间。目前能实现的最长的“休眠期”为46分钟。有了这样的调控手段，研究团队就能让“变形金刚”做“体操”了：在一段视频中，躯体、左手、右手依次展开，顺滑流畅。科学家只是事先对材料的不同位置设置了不同的热编程时间，这样，它们的“休眠期”就各有长短，发生形变的次序由此产生。
▲图2：会做“体操”的“变形金刚”
“触发-响应”是自然与社会之中一种基本的交互关系。“我们既需要材料受到‘刺激触发’后按需响应，又希望它‘无刺激’自发变形，这是一对矛盾，也是需求。”谢涛认为，这一需求在生物医疗器件中尤为突出：比如，有的器件需要在光照或加热的触发条件下响应，但触发信号往往到达不了人体深部，阻止了响应的发生；另一种情况是自发变形太快，器件还未植入到目标位点，其变形就已经发生了，这也是许多植入式生物器件的瓶颈。
▲图3：4D打印制备的定时变形血管支架
研究团队认为，具有定时变形效应的器件有望在生物医学工程、深空深海探测等方面表现出独特的优势。在论文中，他们概念性地展示了4D打印制备的延时变形血管支架：支架从进入体内到输送到目标部位需要一定的时间，如果依赖人体温度的触发，普通的形状记忆支架材料在到达目的地之前就会发生形变；而定时变形器件得益于它的“休眠期”，能够在到达目标位置后再启动形变。受此启发，倪楚君还在浙二眼科中心晋秀明团队以及浙二大肠外科李军团队的指导下，设计了用于缓解干眼症的智能全泪道栓塞器以及具有自固定功能的腹腔引流导管。
转自：“TOP大学来了”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
