完美！四月最後兩天，南科大連發Nature、Science

本文來源| 南方科技大學

四月份的最後兩天，南科大可謂捷報頻傳！

• 4月29日，南方科技大學理學院生物系教授郭紅衛課題組在《自然》（Nature）雜誌發表了以「Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation」為題的研究成果。該論文通過在特定突變體中鑑定到大量植物內源22nt siRNA，揭示了擬南芥22nt小RNA介導翻譯抑制與脅迫適應性的重要生物學功能，是植物小RNA領域的一項突破性研究成果。

• 4月30日，南方科技大學工學院材料科學與工程系副教授劉瑋書課題組與美國國家工程院院士、麻省理工學院教授陳剛課題組在離子型室溫熱電材料上獲得重大突破，通過離子的擴散熵與氧化還原電對反應熵的協同效應在準固態離子凝膠中實現了高達17 mV/K的巨熱電勢效應。研究成果以First release的形式發表在頂級期刊《科學》（Science）上。

下面進行詳細介紹：劉瑋書課題組在Science刊文報導巨熱電勢的離子熱電材料

DOI: 10.1126/science.aaz5045

果凍是小朋友們喜愛吃的甜點，但是機器人不吃東西，只需要充電。南方科技大學材料科學與工程系副教授劉瑋書課題組打破了這個常識——研究人員運用最新原創性研究，做出了一個可以發電的「果凍」。「果凍」主要物質是從動物骨頭中提取出來的高分子物質明膠，不僅可以作為餐桌上的美食，也是重要的工業原料。

近日，劉瑋書課題組與美國國家工程院院士、麻省理工學院教授陳剛課題組在離子型室溫熱電材料上獲得重大突破，通過離子的擴散熵與氧化還原電對反應熵的協同效應在準固態離子凝膠中實現了高達17 mV/K的巨熱電勢效應（如圖1）。研究成果以First release的形式發表在頂級期刊《科學》（Science）上。

圖1.巨熱電勢離子型熱電材料。(A)本工作製備的離子型熱電材料Gelatin-x KCl-m/n FeCN4-/3-熱電勢對比圖(x和m/n是摩爾濃度，FeCN4-/3-是Fe(CN)64-/Fe(CN)63-)，其中Gelatin（x = 0 M, m/n = 0 M），Gelatin-FeCN4-/3-（x = 0 M, m/n = 0.42/0.25 M），Gelatin-KCl（x =0.8 M, m/n = 0 M）和Gelatin-KCl-FeCN4-/3-（x = 0.8 M, m/n = 0.42/0.25 M，水/明膠體積比rv=2.0和3.0）；(B)本工作和報導採用thermodiffusion效應和thermogalvanic效應的絕對熱電勢。

基於Seebeck效應的熱電轉換材料可以實現熱能與電能之間的直接相互轉換，可為物聯網體系中的小型傳感器或電子設備提供可持續工作的電能。目前，基於傳統電子型的熱電轉換材料（e-TE）在室溫環境下捕獲的能量可以達到毫瓦級的輸出功率，但是受半導體電聲輸運行為的限制，優化的熱電勢約在200 μV/K左右。為了獲得1-5伏的供傳感器工作的電壓，在室溫環境下的小溫差工況下需要成千上萬對n/p傳統電子型熱電對，增加了熱電器件的集成難度和複雜程度；或者需要外接DC-DC升壓模塊提高電壓，但會增加功耗，提高成本。

離子型熱電轉換材料具有較高的熱電勢，產生熱電勢的形式大體上分為兩種形式：一種是利用離子的熱擴散效應（Thermodiffusion Effect），即利用溫差下離子定向遷移的濃度差引起的熵變實現熱到電的轉換，這與以電子為能量載體的Seebeck效應類似；另一種是利用氧化/還原電對的溫度效應（Thermogalvanic Effect），即利用氧化/還原反應過程中的熵變實現熱到電的轉變。該研究工作從實驗和理論兩個角度闡明了有負的溫度係數的thermogalvanic效應和p型熱電勢的thermodiffusion效應能夠協同作用進而產生高的p型熱電勢（如圖2）。

圖2.協同機理。(A)本工作製備的離子型熱電材料的電化學勢和電壓分布，E為內建電場。（A）Gelatin-KCl，（B）Gelatin-FeCN4-/3-，（C）Gelatin-KCl-FeCN4-/3-。

研究人員對準固態離子型熱電轉換器件提出了一種新的準連續熱充電/放電工作模式，可以使器件循環運行100圈，實現5小時的工作時長。研究人員將25個5×5×1.8 mm的準固態離子型熱電單元串聯組裝成柔性可穿戴器件，該器件利用人體溫差實現高達2.2 V的電壓和5μW最大輸出功率（如圖3）。該工作以離子為能量載體實現熱到電的轉換，為物聯網體系中傳感器及電子設備實現所需電能自供給提供了一種選擇。

圖3.可穿戴離子型熱電器件的概念驗證。(A)拉伸示意圖；（B）由25個單元（Cu∣i-TE∣Cu，5×5×1.8 mm）組成的可穿戴離子型熱電器件利用人體溫差產生的電壓變化；（C）放電過程中的功率-電壓-電流變化；（D）可穿戴i-TE和e-TE器件利用人體溫度回收電能的性能對比圖。

劉瑋書主要從事室溫熱電材料與器件的研究。2017年，劉瑋書在為Material Today Physics撰寫的一篇題為「New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective」的邀請綜述論文中，提出「Go beyond Seebeck effect」的展望。經歷了多次的失敗，劉瑋書課題組終於在「果凍」中找到了靈感，研發出了以離子為能量載體的新型室溫熱電材料。

該工作理論方面的突破得到了陳剛院士的重要支持。劉瑋書表示，科學探索除了需要有面臨挫折時的堅持，還離不開良師益友的指導。「實驗發現巨熱電效應，帶給我們的是短暫的喜悅和一堆疑問，在與研究夥伴反覆推敲，回答陳剛院士提出的一個個問題的時候，才真正體驗到研究的意義和魅力：研是動手，去探索與發現；究是動腦，去思考窮極真理，格物致知」。

論文第一作者為劉瑋書課題組博士後韓成功，共同第一作者、麻省理工學院博士後錢鑫對於論文在協同效應的理論解釋上有重要貢獻。劉瑋書和陳剛為論文通訊作者，南方科技大學為論文第一通訊單位。論文的參與作者還包括南科大物理系教授張文清、南開大學教授王衛超、香港大學副教授馮憲平，以及2018級南科大-港大聯培博士生李其鍇、2017級南科大-哈工大聯培博士生朱永濱、2018級南科大-哈工大聯培碩士生鄧彪、北科大訪問學生韓志佳等。

劉瑋書簡介

劉瑋書主要從事熱電材料與器件研究，目前已經在Proc. Natl. Acad. Sci USA、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等學術期刊發表學術論文90餘篇，論文總引用超過6000次，H指數38；已申請專利28項，獲得授權中國專利16項、美國專利3項、國際專利1項，參與了兩部英文專著中5個章節的編寫；應邀在美國TMS、國際陶瓷年會CICC、中國熱電大會等重要學術會議作特邀報告；獲首屆騰訊「科學探索獎」，深圳市孔雀計劃人才（B類）；任中國材料研究學會下屬熱電材料及應用分會理事，英國物理學會IoP旗下雜誌Nanotechnology諮詢委員會成員。

郭紅衛團隊在Nature刊文報導22nt siRNA重要生物學功能

DOI:10.1038/s41586-020-2231-y

RNA是生命遺傳信息傳遞的核心載質，遺傳信息從DNA到RNA到蛋白質構成了分子生物學的中心法則。RNA的種類和形式極為多樣，新型肺炎冠狀病毒（COVID-19）就是一種RNA病毒。RNA幹擾是生物免疫病毒入侵的重要機制，RNA幹擾通過長度為20-24個核苷酸單位（nucleotide, nt）的小RNA來調控靶基因RNA。小RNA，包括miRNA (microRNA)和siRNA (small interfering RNA)，對於動植物的生長發育和抗性至關重要。植物RNA在Dicer-like（DCL）蛋白的作用下，切割形成21-24nt長度的小RNA, 小RNA的長度決定了其發揮生物功能所採用的機制。模式植物擬南芥基因組一共編碼四個DCL蛋白（DCL1-4），其中DCL1切割後產生 21-22nt miRNA，介導靶標mRNA切割或翻譯抑制；DCL3切割後產生24nt siRNA，介導異染色質區域DNA甲基化，維持基因組穩定；DCL4 切割後產生21nt siRNA，介導靶mRNA或非編碼RNA（ncRNA）的切割。然而，關於DCL2切割後產生的22nt siRNA知之甚少，尤其植物內源產生的22nt siRNA的種類、功能及作用機制尚不清楚。

圖1. ein5 dcl4和ski2 dcl4雙突變體中產生大量22nt siRNA，並介導翻譯抑制。

2015年，郭紅衛課題組在Science雜誌上發表文章指出，由EIN5和SKI2分別介導的植物細胞質5』-3』和3』-5』RNA降解途徑對於防止破壞性的內源基因沉默至關重要。當缺失EIN5和SKI2基因時，兩個細胞質RNA降解途徑同時受阻，植物會積累眾多非正常的mRNA（aberrant mRNA），然後通過經典的RNAi途徑產生大量內源21nt siRNA。這類21nt siRNA (被命名為ct-siRNA or coding transcript-derived siRNA) 會識別並切割正常功能的mRNAs，導致破壞性的內源基因沉默，從而引發一系列的發育和生長缺陷。而此次發表在Nature上的研究結果進一步發現，當植物缺失其中一條RNA降解途徑，並同時缺失DCL4時（即在ein5 dcl4和ski2 dcl4雙突變體中, 圖1a, 1b），內源基因產生大量22nt siRNA (圖1c)，導致更為嚴重的生長發育缺陷。進一步遺傳學和高通量小RNA測序分析發現，這些22nt siRNA的產生依賴於RNA聚合酶6（RDR6）和DCL2 （圖1a, 1b）。

該研究進一步發現，兩個參與氮代謝的硝酸還原酶基因（NIA1和NIA2）產生的22nt siRNA約佔總22nt siRNA的一半。然而，研究人員發現大部分產生22nt siRNA的基因，包括NIA1和NIA2，其表達量在雙突變體中與野生型相比並未明顯降低 (圖1d)。這一發現與21nt ct-siRNA 的作用明顯不同，因此研究人員猜測22nt siRNA極可能有不同於21nt siRNA的作用機理和生物學功能。通過蛋白檢測、核糖體結合、遺傳關係分析和體外RNA切割和翻譯抑制等一系列實驗發現，22nt siRNA主要通過結合AGO1蛋白，介導靶標mRNA的翻譯抑制。此外，22nt siRNA結合AGO1後，通過RDR6的作用誘發次級小RNA的產生，導致22nt siRNA的大量擴增。該研究首次揭示了植物22nt siRNA的翻譯抑制作用，豐富了對於小RNA長度與其功能關係的理解。

圖2. 22nt siRNA參與氮素脅迫響應及其工作模型。

該研究進一步探索了22nt siRNA在自然條件下的生物學功能。研究人員發現當植物在缺乏氮素營養時，表現出生長發育抑制表型，並伴隨產生大量內源22nt siRNA，包括來自於NIA1和NIA2基因的22nt siRNA，且NIA1和NIA2蛋白含量和轉錄水平也顯著降低。進一步翻譯組學研究發現，缺氮條件下植物總體翻譯水平亦降低。基於以上證據，研究者提出一種植物響應缺氮脅迫的機制，即在極端缺氮條件下，植物通過降低NIA1/2轉錄和增加NIA1/2 22nt siRNA，抑制NIA1/2蛋白合成。NIA1/2負責將硝酸還原為亞硝酸，進一步被亞硝酸還原酶還原為氨根離子，作為胺基酸合成的重要原料，因此NIA1/2蛋白的缺失會減少氨的供應和胺基酸的積累，降低蛋白質翻譯效率。植物通過這種降低蛋白翻譯效率，減少極端營養缺失條件下能量消耗的方式，暫時抑制生長狀態，同時激活自身脅迫反應，保證自身生存，也可謂是一種智慧。研究還發現，NIA1/2的翻譯調控機制可能參與植物對其它環境脅迫的響應，例如植物脅迫激素脫落酸（Abscisic acid, ABA）和高濃度鹽處理均調控NIA1/2 22nt siRNA的產生及其蛋白水平，暗示NIA1/2可能作為植物體內關鍵的調控節點，協調和平衡植物正常生長發育和脅迫響應。總而言之，該研究不僅揭示了22nt siRNA介導的翻譯抑制，還發現了一種植物響應外界環境脅迫的新機制。

郭紅衛課題組此次在Nature上發表的研究結果，揭示了植物中22nt siRNA可以在特定的RNA降解缺失情況下產生並大量擴增，並通過抑制靶標mRNA的翻譯這一新機制發揮重要生物學功能。此前，該課題組在Science雜誌上發表了在細胞質雙向RNA降解缺失時大量21nt siRNA產生並剪切mRNA的重要工作。至此，郭紅衛課題組系統建立了植物特定長度的內源siRNA 的產生、作用機制以及生物學功能的模型，在RNA降解和RNA幹擾關聯機制這一重要的前沿研究領域建立了國際領先的地位和優勢。
南方科技大學為該論文第一單位，郭紅衛為論文通訊作者。訪問學生吳輝輝博士（北京大學）和研究助理教授李博生為該論文共同第一作者。郭紅衛實驗室成員潘亞婕、唐賢禮、令狐黔豔、劉躍林、盛世欣、張新巖以及日本東京大學教授Iwakawa，北京林業大學教授夏新莉、東北林業大學教授唐中華、南方科技大學副教授翟繼先及其實驗室成員馮麗和張洪為該論文共同作者並為研究做出重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、廣東省創新創業團隊基金和深圳市科創委基金的大力支持。

郭紅衛簡介

郭紅衛1992年本科畢業於南開大學生物系，1995年碩士畢業於北京大學生科院，2001年博士畢業於美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）分子細胞發育系，同年進入Salk Institute從事博士後研究，2005年回國任北京大學生命科學學院教授，2016年加入南方科技大學生物系任講席教授，及南科大-北大植物與食品研究所所長，2018年起兼任生物系副主任。郭紅衛教授為生物系植物生物學學科帶頭人，是目前國際上植物激素研究領域和植物衰老領域中最具影響力的學者之一。他長期致力於乙烯信號轉導的機理研究和植物小RNA作用機制的研究，迄今已在國際著名學術期刊以通訊作者或第一作者發表論文50餘篇，包括3篇Science、2篇Cell、1篇Nature、7篇Plant Cell、5篇PNAS、4篇NAR、3篇Cell Research等，先後承擔各級科研項目10餘項，獲批發明專利8項。他先後擔任Plant Cell、Mol Plant等植物學頂級雜誌編委，榮獲教育部特聘專家、國家傑出青年科學基金、國家特支計劃、珠江人才科技創新領軍人才、談家楨生命科學創新獎、中國青年科技獎等榮譽。