未知世界中的那些中國發現

原標題：未知世界中的那些中國發現

　　中科大董振超課題組

　　利用化學誘導的多潛能幹細胞獲得的成年嵌合體小鼠

　　大腦星形膠質細胞、小膠質細胞和神經元三種細胞之間相互通信模式圖

　　亞納米化學成像

　　納米孿晶立方氮化硼塊材樣品(右上插圖)及其顯微組織

　　複合材料（NICSMA）的超常力學性能

　　利用小分子化合物

　　將小鼠體細胞誘導成為多潛能幹細胞

　　利用核移植方法或轉基因的方法可以將體細胞重編程為多潛能幹細胞，這為獲得病人自體來源的組織器官提供了無限的幹細胞來源。但核移植帶來的倫理問題以及外源轉入轉錄因子所帶來的基因突變和致癌等風險限制了其進一步應用。北京大學鄧宏魁和趙揚研究小組開發出了一個新的方法，他們利用7個小分子化合物的組合將小鼠體細胞重編程為多潛能幹細胞。他們將利用該方法得到的多潛能幹細胞稱為「化學誘導的多潛能幹細胞(CiPS細胞)」。這種幹細胞具有與胚胎幹細胞類似的基因表達譜、表觀遺傳狀態以及分化發育和生殖傳遞潛能。他們利用這種幹細胞還成功獲得了成年嵌合體小鼠及種系傳遞小鼠。他們的研究表明，利用小分子化合物可激活細胞內源的轉錄調控網絡，使得轉入外源基因的方法不再是體細胞重編程所必需。相關研究進展發表在2013年8月9日Science[341(6146):651—654]上。

　　專家點評

　　李黨生（中國科學院上海生命科學研究院客座研究員、Cell Research常務副主編）：完全使用小分子化合物來改造體細胞的命運並實現從已分化的特化細胞到多潛能性幹細胞這一發育的逆轉，是世界首創。首先，這項成果提供了非常簡潔和更加安全的體細胞重編程途徑，為自體細胞治療甚或器官移植提供了理想的潛在功能細胞來源，是「再生醫學」領域的裡程碑式工作。其次，小分子化合物通過改變細胞的信號傳導和表觀遺傳狀態來激活內源基因的表達，進而改變了細胞的命運，這為進一步理解細胞的多潛能性、可塑性，以及理解體細胞重編程的分子機制提供了一個全新的理論框架。更有意思的是，這項成果通過小分子化合物來改變哺乳動物體細胞的命運，還將會引申出一個新的研究方向——用小分子化合物直接在體內重塑細胞的功能，或誘導器官的再生，這也將為再生醫學打開一扇新的大門。

　　合成出極硬納米 孿晶立方氮化硼

　　立方氮化硼是一種具有廣泛工業應用的超硬材料。基於Hall-Petch效應，硬度隨晶粒尺寸減小而增加，因此降低材料的晶粒尺寸是提高材料硬度的一條途徑。傳統方法可以合成晶粒尺寸小到約14nm的多晶立方氮化硼。燕山大學田永君研究組與合作者，合成出了以孿晶為主要納米結構的立方氮化硼，其孿晶平均厚度僅為3.8nm。他們製備的納米孿晶立方氮化硼光學透明，具有一系列優良物理性能：其維氏硬度超過了硬度最高的合成金剛石；其氧化溫度高達約1294℃；其斷裂韌度超過了商用燒結碳化鎢。特別的是，他們製備的這種立方氮化硼的孿晶厚度已經遠小於Hall-Petch效應臨界尺寸（10—15nm），但仍然呈現出硬化效應。他們的分析認為，這是量子限域效應帶來的硬化超過了反Hall-Petch效應帶來的軟化的結果。相關研究進展發表在2013年1月17日Nature[493(7432):385—388]上。

　　專家點評

　　鄒廣田（中國科學院院士、吉林大學教授）：自然界中金剛石的硬度最高。合成出比金剛石更硬的材料一直是人類的夢想。遺憾的是，科學家們一直沒能找到實現夢想的原理和途徑，田永君及其合作者找到了。他們在建立多晶共價材料硬化模型基礎上，成功地合成出超細納米孿晶立方氮化硼。材料的硬度、韌性和穩定性都得到了顯著提高。他們發展的基本原理和合成技術也適用於納米孿晶金剛石及其複合材料。這類先進的刀具材料在加工業中具有重要的應用價值。

　　研發出一種兼具大彈性應變、低模量 和高強度的相變金屬納米複合材料

　　單體態納米線具有超大彈性應變（4%—7%）和超高屈服強度，但大塊複合材料中的納米線卻不具有此超常力學性能，納米線的超常力學性能難以從納米走向宏觀的現象曾被喻為「死亡之谷」。中國石油大學（北京）崔立山研究組與北京工業大學韓曉東、西安交通大學李巨及美國阿貢國家實驗室任洋等合作，針對上述問題，提出了金屬基體相變應變與納米線彈性應變相匹配的設計概念，使大塊複合材料中納米線可展現出超常力學性能。基於此理論突破，他們採用常規冶金法（真空熔煉、鍛造及拔絲）研發出了Nb納米線/NiTi記憶合金大塊複合材料,該複合材料兼具超大彈性應變（﹥6%）、低彈性模量（﹤28GPa）和高屈服強度（﹥1.65GPa）。相關研究進展發表在2013年3月8日Science[339(6124):1191—1194]上。

　　專家點評

　　徐惠彬（中國工程院院士、北京航空航天大學教授）：納米線具有超常力學性能，但其在複合材料中卻失去此性能，納米線的超常力學性能未能從納米走向宏觀的現象曾被喻為「死亡之谷」。針對此問題，該研究團隊將傳統相變領域與前沿納米領域交叉，提出基體相變應變與納米線彈性應變相匹配的設計概念，在大塊材料中實現了納米線的超常力學性能，並基於此突破，成功研發了兼具大彈性應變、低彈性模量及高屈服強度的納米複合材料，因此，該成果具有重要的科學意義與工程應用價值。

　　基於等離激元增強拉曼散射 實現單分子化學成像

　　具有化學甄別能力的單分子識別與成像一直是催化科學、分子科學和生物技術等領域長期追求的目標。中國科學技術大學董振超和侯建國研究組與合作者報導了一種解析度達到亞納米（約0.5nm）的拉曼光譜成像技術，可以分辨單個分子的內部結構和表面構型。該技術不僅使單分子水平上的化學成像成為可能，而且開闢了一條研究單個分子非線性光學過程和光化學過程的新途徑。相關研究進展發表在2013年6月6日Nature[ 498(7452):82—86]上。

　　專家點評

　　田中群（中國科學院院士、廈門大學教授）：首次實現亞納米分辨的拉曼成像是光譜學和精密譜學技術領域的一個裡程碑式的突破，為在單分子水平上精確觀察和研究表面分子的結構及其變化、物理化學特性以及反應過程等提供了強大的工具。作者引入的雙共振非線性新概念，提升了人們對等離激元的物理特性的理解和認識，有望開闢單分子非線性光學的新研究領域。這個新技術也將拓展光誘導/光增強納米催化的應用範圍。

　　發現星形膠質細胞多巴胺D2受體 通過αB晶狀體蛋白抑制神經炎症

　　慢性炎症是大腦衰老和一些神經退行性疾病的普遍表現。但是，中樞神經系統中調節先天免疫反應的分子和細胞機制一直沒有被闡釋清楚。中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所周嘉偉研究組與合作者的研究表明，星形膠質細胞的多巴胺D2受體(DRD2)活化可通過一種αB晶狀體蛋白(CRYAB)依賴性機制抑制中樞神經系統中的先天免疫反應，進而抑制神經炎症。他們的研究提供了一個通過靶向中樞神經系統中星形膠質細胞介導的先天免疫反應來抑制衰老和疾病中炎症反應的策略。相關研究進展發表在2013年2月7日Nature[494(7435):90—94]上。

　　專家點評

　　王以政（中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所研究員）：隨著我國人口老齡化速度的加快，神經退行性疾病（如老年性痴呆、帕金森病）受到越來越多的關注，但迄今為止，腦老化和神經退行性疾病的起因尚不清楚。此前研究表明，人進入中年後大腦呈現衰老跡象，同時伴有多巴胺D2受體水平下降。周嘉偉研究組發現，星形膠質細胞的多巴胺D2受體下降會導致大腦的慢性神經炎症，促進帕金森病的發生和發展。他們這一成果揭示了星形膠質細胞的多巴胺D2受體在神經炎症抑制過程中的重要作用，對理解腦老化的成因和建立以星形膠質細胞多巴胺D2受體為基礎的腦老化和神經退行性疾病防治的新方法具有重要的科學意義和社會意義。