清華和中科院植物所合作在《科學》發表論文報導首個硅藻光系統II-捕光天線超級複合體的近原子解析度結構
清華-伯克利深圳學院王曉浩林立偉團隊在《科學·機器人學》發文報導可高速運動的耐擠壓柔性機器昆蟲
醫學院郭永實驗室合作在Talanta報導高靈敏和防汙染的「準共聚焦」微液滴數字PCR閱讀儀
交叉信息研究院金奇奐研究組《自然》發文
實現四離子量子比特的全局糾纏邏輯門
化工系陸奇團隊在串聯催化二氧化碳電化學還原製備甲烷研究中取得突破
清華和中科院植物所合作在《科學》發表論文報導首個硅藻光系統II-捕光天線超級複合體的近原子解析度結構
8月2日，清華大學生命科學學院隋森芳院士研究組與中科院植物所沈建仁研究員和匡廷雲院士研究組合作在國際頂尖期刊《科學》（Science）上在線發表了題為《硅藻光系統II-捕光天線超級複合體的色素-蛋白網絡結構》（Thepigment-proteinnetworkofadiatomphotosystemII-lightharvestingantennasupercomplex）的研究長文（ResearchArticle），首次報導了通過單顆粒冷凍電鏡技術解析的海洋硅藻角毛藻（Chaetocerosgracilis)光系統II-捕光天線超級複合體解析度為3.02埃的三維結構，為解釋硅藻(diatom)高效的能量傳遞和強大的光保護機制提供了關鍵的結構依據。
光系統II（PSII）是一個色素-蛋白超級複合體，它催化光誘導的水裂解反應，將太陽能轉化為化學能，並釋放出氧氣。為了充分利用太陽能，光合生物進化出不同的捕光天線複合體（LHCs）用來捕獲太陽能，並將能量傳遞給光系統II。捕光天線複合體II（LHCII）與PSII核心結合形成PSII-LHCII超級複合體。生活在不同環境處在不同光照條件下的不同進化路線上的光合生物有著複雜多變的LHCII。LHCII除了捕獲光能之外，還有一個重要功能就是將強光照條件下吸收的多餘的能量耗散掉，從而避免強光對光系統的損傷。
▲圖1硅藻PSII-FCPII超級複合體在類囊體膜上的示意圖
硅藻的適應性極強，除了空氣和沙漠外，幾乎所有的環境中都有硅藻，因此硅藻貢獻了地球上每年原初生產力的25%左右（吸收二氧化碳的能力佔全球生態系統的四分之一左右）。硅藻強大的適應能力依賴於其精緻的細胞結構，高效的光合作用能力以及強大的光保護能力。硅藻的捕光天線系統主要結合葉綠素a/c和巖藻黃素（Fx），因此硅藻的捕光天線系統被命名為FCP，獨特的捕光天線系統使硅藻在水下能高效的利用藍綠光，同時還有極強的光保護能力(圖1)。
▲圖2硅藻PSII-FCPII超級複合體整體結構。A圖從類囊體基質側看整個PSII-FCPII超級複合體，虛線將整個結構分為兩個單體。B圖將PSII-FCPII單體的各個亞基名稱標識出來。C圖和D圖將類囊體腔側的5個蛋白亞基名稱標識出來。
通過單顆粒冷凍電鏡技術解析的海洋硅藻角毛藻（Chaetocerosgracilis)光系統II-捕光天線超級複合體的結構的整體解析度達到3.02埃(圖2)。該結構顯示PSII-FCPII超級複合體為二聚體，每個單體包含PSII核心的24個亞基和FCPII的11個亞基，還有200多個色素分子以及大量的脂質分子，整個PSII-FCPII超級複合體含有70個蛋白亞基，分子量高達1.4MDa。硅藻的PSII核心與藍藻和高等植物的比較相似，但是在放氧中心發現了另外5個外周蛋白，以及另外兩個跨膜蛋白亞基，這兩個跨膜蛋白亞基連接了PSII核心和FCPII。FCPII主要由兩個四聚體組成，其中一個四聚體與PSII核心緊密結合（ST），另外一個則較為鬆散（MT）。另外還有三個FCP單體與PSII核心結合，其中兩個FCP單體介導了結合較為鬆散的FCP四聚體（MT）與PSII核心的結合，第三個FCP單體結合在這個四聚體的外側。硅藻PSII-FCPII的這種組裝形式與綠色系進化路線光合生物的PSII-LHCII顯著不同，硅藻緊密結合的FCP四聚體和鬆散結合的FCP四聚體的位置與高等植物緊密結合的LHCII三聚體和鬆散結合的LHCII三聚體的位置剛好相反。硅藻PSII-FCPII複合體近原子解析度結構還揭示了大量的葉綠素a（Chlsa）,葉綠素c（Chlsc），巖藻黃素（Fx），矽甲藻黃素（Ddx）和胡蘿蔔素（BCR）獨特的排列方式，為闡明PSII-FCPII超級複合體獨特的吸收光譜，高效的能量傳遞，水裂解和強大的光保護機制提供了重要基礎，為揭示PSII複合體的進化演變提供了重要線索，也為人工模擬光合作用提供了新理論依據，同時為後續指導設計新型作物、提高作物的捕光和光保護效率提供了新思路。
清華大學生命科學學院博士研究生皮雄，中科院植物所博士研究生趙松浩和中科院植物所助理研究員王文達為本文共同第一作者。中科院植物所沈建仁研究員，清華大學生命科學學院隋森芳院士和中科院植物所匡廷雲院士為本文共同通訊作者。國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地冷凍電鏡平臺和計算平臺為數據收集和處理提供了支持。
論文連結：
http://science.sciencemag.org/
評述連結：
http://science.sciencemag.org/
清華-伯克利深圳學院王曉浩林立偉團隊在《科學·機器人學》發文報導可高速運動的耐擠壓柔性機器昆蟲
8月1日，清華-伯克利深圳學院王曉浩/林立偉團隊在《科學·機器人學》（ScienceRobotics）上發表題為「可高速運動的超魯棒類昆蟲柔性機器人」（Insect-scaleFastMovingandUltrarobustSoftRobot）的研究論文。該論文報導了一種可實現高速運動並可耐受成人踩踏的全柔性微型機器昆蟲。
▲圖1柔性微型機器人整體結構與軀幹多層結構微觀照片
微型機器昆蟲可用於災後搜救、環境監測、偵察監聽等隱蔽狹小空間作業場合，具有行動靈活、隱蔽性強、可集群化作業等特點。傳統剛性機器人昆蟲存在體形較大、不耐擠壓、易受破壞等問題，本研究中，研究者提出了採用柔性壓電材料和聚合物骨架相結合的驅動結構，通過運動姿態分析和結構優化，機器昆蟲的最高運動速度可達20身長/秒（20cm/s）,為已知柔性機器人中的最高值。同時，由於採用全柔性摺疊結構，可以在承受一個成人（近60公斤）踩踏後，仍然具備50%的運動能力。
▲圖2哺乳動物、節肢動物以及各類軟體機器人和執行器相對運動速度與體重的關係。星號為本文工作不同型號機器人達到的運動速度。
本文由清華大學王曉浩教授團隊與伯克利加州大學林立偉教授合作完成，清華大學為第一完成單位。論文第一作者為清華-伯克利深圳學院博士生吳一川，論文的共同通訊作者為清華大學深圳研究生院張旻副教授、伯克利加州大學鍾俊文博士後以及林立偉教授。論文的合作者還包括清華-伯克利深圳學院博士生梁家銘、伯克利加州大學電子與計算機工程系羅納德·菲爾林（RonaldFearing）教授、整合生物學系羅伯特·福爾（RobertFull）教授課題組，以及北京航空航天大學閆曉軍教授。《科學·機器人學》作為《科學》雜誌子刊，是機器人領域最頂級的期刊，2018年影響因子為19.4。
論文連結：
https://robotics.sciencemag.org/content/4/32/eaax1594
醫學院郭永實驗室合作在Talanta報導高靈敏和防汙染的「準共聚焦」微液滴數字PCR閱讀儀
8月1日，清華大學醫學院生物醫學工程系郭永實驗室合作在Talanta在線發表題為《一種用於高精準和防汙染檢測的「準共聚焦」螢光流式微液滴閱讀儀》（A"Quasi"ConfocalDropletReaderBasedOnLaser-InducedFluorescence(LIF)CytometryforHighly-SensitiveandContamination-FreeDetection）的研究論文，該研究創新地採用了「準共聚焦」式檢測光路和全封閉的微流控晶片，實現了微液滴數字PCR的高精準和防汙染檢測。
微液滴數字PCR是一種單分子水平的核酸定量分析技術。其策略是：首先將PCR反應體系分割為大量的微液滴，使得絕大多數微液滴內僅含有0個或1個模板分子（分別稱為「陰性微液滴」和「陽性微液滴」）；然後經過PCR擴增反應，「陽性微液滴」呈現出較強的螢光信號，而「陰性微液滴」呈現出較弱的背景螢光信號；最後，通過微液滴內螢光的檢測和分類，可以得到待測模板的拷貝數。
數字PCR的微液滴直徑介於10-100μm之間，這對傳統螢光檢測技術提出很高的要求。如果「陽性微液滴」與「陰性微液滴」之間的螢光信號對比度偏低，將引發「陽性微液滴」與「陰性微液滴」區分的困難和錯誤。與此同時，由於微液滴數字PCR具有超高的靈敏性，在PCR反應後的任何開放式操作都可能造成微液滴內容物的揮發和逸出，導致擴增產物的氣溶膠汙染。目前商業化微液滴數字PCR儀器多涉及PCR反應後的開放式操作，比如微液滴的吸取和轉移等，這在臨床應用中可能導致樣本假陽性的嚴重後果。
▲圖1.微液滴閱讀儀採用的「準共聚焦」螢光流式光路
為了解決上述不足，在這項研究中，研究人員採用了「準共聚焦」式螢光流式來構建微液滴閱讀儀的光路（圖1），其激發光路採用了新型的離焦激發模式，使得激發光斑恰好與微液滴的尺寸相匹配，最大限度地激發整個微液滴內的螢光信號，提高「陽性微液滴」與「陰性微液滴」之間的信號對比度；其螢光檢測光路使用與微流道共軛的小孔來消除微流道以外的雜散光，提高螢光信號的信噪比。基於上述光路，研究人員實現了10-10,000模板拷貝的微液滴數字PCR高靈敏度檢測，其相對誤差小於5%，線性度r^2>0.998。
▲圖2.微液滴閱讀儀採用的微流控晶片
與此同時，研究人員設計了新型的微流控晶片（圖2），該晶片採用了一種「密封-穿刺」的結構，使用適配器（Adaptor）在管蓋（Rubbercap）外側形成更大範圍的密封，使得反應管蓋被刺穿時微液滴處於一個更大的密閉空間中，從而在檢測過程中保持了嚴格的密閉，避免微液滴核酸擴增產物氣溶膠的汙染。基於上述晶片結構，研究人員在連續進行了7天表皮生長因子受體基因（EGFR）T790M突變位點的檢測後，將6管未加任何模板的EGFRT790M反應體系暴露於微液滴閱讀儀周邊15分鐘，以充分地吸收可能從微液滴閱讀儀中逸出的氣溶膠汙染。微液滴數字PCR的檢測結果顯示，所有6管未加模板的EGFRT790M反應體系全部呈陰性結果，證明該微液滴閱讀儀可有效避免微液滴數字PCR的汙染。
該研究為微液滴數字PCR的臨床應用提供了一種高靈敏和防汙染的自動化檢測裝置。隨著精準醫療的發展，開發高靈敏和防汙染的單分子核酸檢驗和定量分析技術對於疾病的篩查、診斷、用藥指導、病情監測和預後均具有重要意義。
清華大學醫學院的朱修銳博士和劉寶霞博士為該論文的共同第一作者，醫學院郭永研究員和精儀系荊高山博士對該研究進行了指導，北京新羿生物科技有限公司參與了合作研究。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.talanta.2019.120200
清華交叉信息研究院金奇奐研究組《自然》發文
實現四離子量子比特的全局糾纏邏輯門
清華大學交叉信息研究院金奇奐副教授研究組最近成功在離子阱系統中實驗演示了超過兩比特的全局糾纏邏輯門，該成果以《任意離子量子比特上的全局糾纏門》(Globalentanglinggatesonarbitraryionqubits)為題於7月24日在線發表於《自然》(Nature)。該文章的通訊作者為交叉信息研究院博士生路堯與金奇奐副教授，博士生路堯、張帥寧和張寬為共同第一作者。
近年來，圍繞量子計算與量子模擬的相關量子技術發展已取得諸多重要進展，對於量子系統控制的規模和精確度日益提升，使得量子計算機的實現不再遙不可及。這也正是尋找並填補實現實用性量子計算方法和技術缺失的良好時機。原則上，在量子線路模型下，任何通用量子計算任務都可以分解為一系列單量子比特門和雙量子比特糾纏門的組合。然而這種分解所得到的量子線路往往並不是最高效的。某些算法或模擬所需要量子門，特別是雙量子比特糾纏門的數量，會隨著研究問題的規模增長呈指數量級的增加。因此，建立更高效的多量子比特糾纏操作的方法對於實現實用量子計算有促進作用。理論研究中，已有許多研究人員指出了多量子比特糾纏門，特別是其中的全局糾纏門的實用意義，但這些方案還缺乏實驗驗證。
▲圖1全局糾纏門可以有效的對量子線路進行化簡。圖中示例為作用在選定四個量子比特上的全局糾纏門。為了製備四量子比特最大糾纏態，傳統量子電路一般需要至少三步雙量子比特糾纏門。使用全局糾纏門則僅需一步即可實現所有量子比特的最大糾纏。
本研究中，金奇奐組在實驗系統中對一種基於離子阱系統的全局糾纏門實現方案進行了演示與性能測試。離子阱系統作為實現大規模通用量子計算最具潛力的系統之一，具有最長的量子比特相干時間，能夠執行高保真度的量子態測量與量子門操作。通過在單個勢阱中囚禁多個離子，量子比特數可以擴展至數十至上百個，而基於此的小規模可編程量子計算機也在近日實現。離子阱量子計算系統利用雷射驅動下量子比特與離子鏈聯合振動模式的耦合實現比特間的糾纏，具有天然的全連接特性（即任意兩個量子比特間都存在可控的相互作用）。因此任意比特間的量子糾纏僅需要單發操作(singleshot)即可實現。這種全連接優勢也使得全局糾纏門的實驗實現成為可能。本研究所提出方案的關鍵在於優化與調製雷射脈衝的強度和相位，以均勻地驅動所有量子比特間的相互作用。
▲圖2離子阱量子計算系統的核心組成部分。圖示為真空腔中的刀片阱。
金奇奐研究組成功完成四量子比特的小規模量子計算系統，並基於該系統，在實驗上演示了多達四量子比特的全局糾纏門。為了對全局糾纏操作進行基準測試，該團隊利用四比特全局糾纏門一步製備了四量子比特的最大糾纏態，並通過保真度測量證明最終的量子糾纏遠超過經典邊界。與離子阱系統中傳統的雙比特糾纏門相比，該全局糾纏門有著與其基本相同的操作時長，意味著利用全局糾纏門不僅僅能夠減小量子線路的深度，也能夠真正縮短線路的運行時間。全局糾纏門的實現方案的建立和良好的實驗測試結果表明，多量子比特糾纏門有望成為通用量子計算系統的重要組成部分。
▲圖3全局糾纏門的實驗實現。左上圖為基於離子阱的通用量子計算系統示意圖。左下圖為實驗中製備的四量子比特最大糾纏態。
本研究由交叉信息研究院博士生路堯、張帥寧與張寬共同完成，博士生陳文濤、沈楊超與物理系本科生張家梁對本研究進行了協助，交叉信息研究院助理研究員張靜寧為本項研究提供了理論支持。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1428-4
清華化工系陸奇團隊在串聯催化二氧化碳電化學還原製備甲烷研究中取得突破
近日，化工系工業催化中心陸奇副教授帶領的研究團隊在《自然·通訊》(NatureCommunications)上發表了題為《串聯催化二氧化碳電化學還原製備甲烷的計算及實驗研究》(Computationalandexperimentaldemonstrationsofone-pottandemcatalysisforelectrochemicalcarbondioxidereductiontomethane)的研究論文。
隨著工業的快速發展，大量的化石燃料的使用導致了大氣中二氧化碳濃度的逐年升高，隨之而來的環境問題，如溫室效應、沙漠化等逐漸引起人們的關注。一種非常有前景的解決方式是使用可再生能源，如太陽能、潮汐能等產生的電能，通過電化學的方式將二氧化碳轉化為高附加值的化學產品，如甲烷、乙烯、乙醇等。二氧化碳的電催化還原既能夠有效地降低大氣中的二氧化碳含量，同時也為這些可再生能源提供了一種儲存的解決方案。但目前仍沒有一種可靠的催化劑能夠高效地實現這一過程。為了研發出高效的催化劑，對這個過程的反應機理的研究顯得尤為重要。
▲圖1.(a)密度泛函計算模型 (b)一氧化碳在電極表面遷移的能量曲面 (c)遷移而來的一氧化碳在電極表面的還原機理
在這項工作中，研究者闡述了二氧化碳電化學還原中的串聯反應機制，即二氧化碳還原過程可以拆分成兩個連續的步驟從而分別優化：先使用高選擇性的催化劑（如金、銀等）作為襯底將二氧化碳還原為一氧化碳，再通過負載在襯底上的催化劑（銅）將一氧化碳還原為需要的化學產品。為了闡明這一理論模型，研究者首先通過密度泛函理論計算，證明了襯底產生的二氧化碳能夠自發、快速地遷移到負載於襯底上的銅催化劑；負載的銅催化劑也能夠在一定的電壓下實現一氧化碳的電催化還原得到甲烷。進而，研究者依據計算化學結論的指導，通過電化學的實驗手段，驗證了這一模型的可行性。通過使用串聯反應機制，研究者能夠以接近60%的效率將二氧化碳轉化為甲烷，相對於二氧化碳的直接還原而言，效率提升接近一倍。為了進一步確認串聯反應機制的表面過程，研究者使用了原位全反射表面增強紅外光譜研究這一電化學過程。在較低電壓下，複合的電極材料便能夠觀測到特殊的一氧化碳的伸縮振動吸收峰，而單一的電極材料無法觀測到這一吸收峰，從光譜的角度確認了實驗模型中的串聯反應機制。這項工作通過設計密度泛函計算及相應的實驗模型，佐以原位紅外光譜進行表面表徵，闡明了二氧化碳電化學還原中串聯反應機制的可行性，為二氧化碳化學還原的反應機理研究、催化劑設計、反應器優化提供了新的思路。
論文共同第一作者為清華大學化學工程系2017級博士生張皓晨和美國德拉瓦大學化學工程系博士後常曉俠。美國哥倫比亞大學陳經廣（JingguangG.Chen）教授，美國加州理工學院威廉·戈達德三世（WilliamA.GoddardIII）教授參與了該項研究工作。論文共同通訊作者為美國德拉瓦大學化學工程系徐冰君副教授、臺灣成功大學化學系鄭沐政副教授和清華大學化學工程系陸奇副教授。
文章連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11292-9#Sec15
圖文|生命學院、深圳研究生院、醫學院、交叉信息研究院、化工系
編輯 |李婧
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