創新引領發展
科研驅動進步
2020年末
國科大科研團隊們
助力五星紅旗首次在月球獨立展示
新冠病毒刺突蛋白與宿主親和力計算取得進展
研發世界首臺深地實驗強流離子源系統
揭示藏藥天然活性化合物的藥理作用
……
讓我們一起來看看
國科大2020年12月
具體的科研動態和最新突破吧！
科研動態概覽
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01
2020年12月3日晚，嫦娥五號探測器在月球成功著陸、順利採樣後，點火起飛前，一面鮮豔的五星紅旗在嫦娥五號探測器上展開，此次國旗展開是我國在月球表面首次實現國旗的獨立展示。國科大師生所在的中科院蘭州化學物理研究所磨損與表面工程課題組，在國旗獨立展示中，承擔了所有機構和關鍵位置的潤滑防冷焊處理，助力國旗首次在月球獨立展示。
國旗能夠實現獨立展示，主要依靠月面國旗展示系統輔助，該系統在摺疊狀態下隨探測器升空，著陸月球後按照指令解鎖打開。嫦娥五號月面國旗展示系統是本次任務有效載荷分系統一個關鍵項目。保證可靠性是整個國旗展示系統的第一任務。整套系統涉及解鎖、支架展開、支架固定等步驟，如果支架無法在月球上成功展開，一切都將前功盡棄。國旗展示系統使用的支架結構在空間環境中要承受冷熱交變、空間輻照、極低真空等惡劣環境考驗。
為了解決支架零部件的防冷焊問題，磨損與表面工程課題組用高強度的粘結固體潤滑塗層對系統所有的機構和關鍵位置都進行了潤滑防冷焊處理。針對展開系統質輕、件小、壁薄、精度高和環境苛刻等要求，課題組利用多官能團的活性樹脂對高強度樹脂做了改性，既保證了塗層強度不降、壽命不減，滿足地面空間各項試驗考核，又降低了塗層的交聯固化溫度。通過多項試驗，不斷調整材料參數，滿足了小零件高精度的要求，最終完成了展開系統零部件的防冷焊潤滑處理，為國旗在月球表面順利展開發揮了重要作用。
02
新冠病毒刺突蛋白與宿主親和力計算獲進展
席捲全球的新冠病毒肺炎（COVID-19）是由SARS-CoV-2病毒引起的。新冠病毒的刺突蛋白位於病毒表面，介導病毒與宿主細胞ACE2受體的結合，從而幫助病毒入侵和感染宿主，並因此成為許多疫苗和抗體藥物的靶點。研究發現，新冠病毒刺突蛋白的受體結構域（RBD）與ACE2受體的結合能力比2013年的非典SARS-CoV病毒更強。然而，在刺突蛋白全長結構上的研究卻表明，新冠病毒的ACE2結合能力比非典SARS-CoV病毒弱。
為弄清楚這種差異的分子機制，國科大博士生導師、中科院上海藥物研究所藥物發現與設計中心朱維良課題組通過計算模擬手段，研究了新冠病毒刺突蛋白的動態構象變化，計算了刺突蛋白在處於不同構象形態時的宿主ACE2結合能力，揭示了RBD結構域及全長蛋白與ACE2親和力差異的分子機制，並預測了多個潛在的藥物結合位點。相關成果2020年12月4日在J. Phys. Chem. Lett.上發表。
冷凍電子顯微鏡研究表明，刺突蛋白具有多種不同的構象狀態，只有當其處於「向上」的打開狀態時，它的RBD結構才能與宿主ACE2受體結合。因此，刺突蛋白全長結構和局部RBD結構的ACE2結合能力差異可能與其構象的動態變化過程有關。研究人員首先通過他們開發的高效分子動力學模擬方法NUMD及vsREMD，觀測到了新冠病毒刺突蛋白從「向下」轉變到「向上」的構象變化全過程，並發現刺突蛋白需要打開到一定角度（52.2°）才能與宿主ACE2結合。
在這一構象轉變中，作者還發現隨著刺突蛋白「向上」的角度越大，刺突蛋白與宿主ACE2的結合能力也變得越強。此外，相比SARS-CoV病毒，新冠病毒刺突蛋白呈現「向上」構象的比例更少，轉變成「向上」狀態的能壘也更高。這一結果表明，儘管新冠病毒刺突蛋白的RBD結構域具有比SARS-CoV病毒更強的宿主ACE2結合能力，但新冠病毒更不容易從「向下」轉變成「向上」狀態，導致其全長結構的ACE2結合能力與SARS-CoV病毒相當或者更弱。
論文共同第一作者為國科大博士研究生（培養單位：上海藥物所）彭誠和朱正誕，通訊作者為國科大研究生導師徐志建副研究員和國科大博士生導師朱維良研究員。
03
揭示硝酸鹽誘導的磷響應機制
國科大博士生導師、中科院遺傳與發育生物學研究所儲成才研究員課題組長期致力於水稻營養高效吸收利用的分子基礎解析及作物的分子設計育種研究，鑑定到硝酸鹽轉運蛋白NRT1.1B的自然變異是導致水稻秈粳亞群間氮利用效率差異的重要原因 。進一步研究發現，NRT1.1B在硝酸鹽存在情況下，通過招募泛素連接酶NBIP1，介導細胞質抑制蛋白SPX4的降解，從而釋放調控磷信號的核心轉錄因子PHR2，促進磷吸收；此外，SPX4還可與硝酸鹽信號核心轉錄因子NLP3互作，SPX4的降解同時促進了NLP3從細胞質向細胞核中的穿梭，進而激活硝酸鹽應答反應。因此，這一系列工作不僅揭示了NRT1.1B-SPX4-NLP3組成的硝酸鹽信號從細胞膜感知至細胞核響應的主信號通路，還揭示了硝酸鹽信號通過NRT1.1B-SPX4實現對硝酸鹽應答基因和磷應答基因的協同調控，實現氮磷營養平衡的分子機制。
國科大已畢業博士張志華等通過對硝酸鹽誘導的水稻進行RNA-seq分析，篩選鑑定到6個受硝酸鹽顯著誘導上調的轉錄因子HINGE1-HINGE6 (Highly Induced by Nitrate Gene)。該研究進一步完善了水稻氮磷互作信號網絡在細胞核內的調控機制，對於植物營養學研究具有重要意義。
該項工作於2020年12月11日在線發表於Molecular Plant。張志華和吉林大學師資博士後李釗為本文共同第一作者，儲成才研究員和胡斌研究員為共同通訊作者。
04
中心體蛋白調控大腦發育機制研究獲進展
Talpid3蛋白是一個定位於中心粒上的蛋白，遺傳學研究表明Talpid3(KIAA0586)基因突變會導Joubert綜合症。Joubert綜合症是一種纖毛缺陷導致的罕見的嚴重的神經發育疾病，患者小腦和腦幹畸形或發育不全，出現共濟失調和平衡障礙，但是大腦皮層發育是否正常卻鮮有報導。
國科大博士生導師、中科院遺傳與發育生物學研究所吳青峰研究員課題組在本研究中首先利用子宮胚胎顱內電轉技術敲降E13.5天胚胎小鼠大腦皮層中Talpid3蛋白，發現在小鼠大腦皮層發育過程中，敲降Talpid3會導致大腦皮層出現異常分層，放射狀膠質細胞（Radial Glial Cells，RGCs）從基底端到頂端的核動態遷移存在缺陷，從而滯留於腦室區基底端，並提前分化成中間前體細胞，最終影響大腦皮層中神經元的產生數量。進一步研究發現Talpid3通過調控中心體的完整性來保持微管組織的穩定，從而維持腦室面頂端區域粘著連接的完整，進而調控神經幹細胞增殖與分化過程。本研究揭示了一個中心體蛋白通過調控粘著連接進而影響大腦皮層發育的新機制。
該成果「Talpid3-Mediated Centrosome Integrity Restrains Neural Progenitor Delamination to Sustain Neurogenesis by Stabilizing Adherens Junctions」於2020年12月15日在Cell Reports雜誌在線發表。吳青峰組工程師王靜靜為本文第一作者，國科大已畢業碩士李彤和在讀博士研究生王景麗為本文共同第一作者。
05
實現三重態促進的高效有機固態雷射
國科大博士生導師、中科院光化學重點實驗室趙永生課題組近年來一直致力於有機固態雷射器的理論研究（Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1691-1700）和應用開發（Nat. Commun. 2019, 10, 870）。
針對有機光學增益材料載流子遷移率不平衡帶來的極化子損耗問題，他們構築了具有平衡雙極傳輸特性的電荷轉移複合物增益介質，首次實現了這類材料的受激輻射（Sci. Adv. 2019, 5, eaaw2953），為開發新型雙極傳輸雷射材料提供了有價值的參考。然而對於最具有挑戰性的三重態損耗，常規思路是利用三重態的化學淬滅來抑制三重態相關損耗。如果能夠有效利用三重態的能量，不僅能夠降低損耗，還將「變廢為寶」，從而顯著提高有機固態雷射的效率。
該研究成果發表於近期出版的德國應用化學（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21677-21682）上，通訊作者是閆永麗研究員和趙永生研究員，第一作者是周忠豪博士。
06
估算分析全球濱海溼地的碳埋藏速率及影響因素
典型濱海溼地藍碳生態系統碳循環示意圖（引自唐劍武等2018中國科學）
濱海溼地是一類重要的海岸帶生態系統。與陸地生態系統相比，濱海溼地擁有更強的固碳能力，可以更高效地從大氣中吸收CO2氣體並將其穩定儲存起來。但是，我們對濱海溼地這一藍碳生態系統的碳儲量、速率和機制尚缺乏足夠的了解。
為了彌補這一缺失，國科大研究生導師、中科院華南植物園小良站王法明副站長與中外科學家合作，利用濱海溼地碳沉積數據和全球濱海溼地分布數據，系統估算了當前全球尺度上的濱海溼地藍碳固碳能力。
結果顯示，無論在何種氣候變化情景和人類幹擾模式下，全球的濱海溼地碳埋藏速率都將穩定增加，顯示出濱海溼地對氣候變化的負反饋效應，即，隨著降水、溫度和相對溼度的增加，濱海溼地的碳埋藏速率也將增加。這意味著，在全球變暖的背景下，海岸帶藍碳生態系統將在應對氣候變化中發揮重要作用。該項研究是首個有關全球尺度上濱海溼地藍碳固碳速率（碳通量）的系統估算與預測，其結果對於指導全球和各國對濱海溼地等藍碳生態系統的管理與恢復、履行《巴黎協定》所規定的減排增匯目標具有重要的指導意義。
07
介紹鹼基編輯工具全基因組水平特異性檢測的實驗流程與分析方法
國科大博士生導師、中科院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究員課題組前期通過利用相似遺傳背景的植物突變體及全基因組測序技術，發現胞嘧啶鹼基編輯器可造成全基因組範圍的不依賴sgRNA的脫靶效應，並結合脫氨酶理性設計與新型篩選策略開發出了高精度、高編輯活性的新型胞嘧啶鹼基編輯工具。其基於水稻植物重測序的基因組編輯工具特異性評價方法利用了水稻基因組小、參考基因組序列清晰，具有突變體群體異質性較低的特點，可以準確、靈敏地評價全基因組範圍鹼基編輯工具的特異性。為了進一步普及和促進該方法的使用，高彩霞研究組應邀在Nature Protocols雜誌發表文章，詳細介紹在個體水平評價基因組範圍基因組編輯工具特異性的具體實驗和數據分析流程。
該文章於2020年12月21日在線發表於Nature Protocols雜誌上。國科大博士生靳帥（培養單位：遺傳發育所，指導教師：高彩霞研究員）為該論文的第一作者，高彩霞研究員為通訊作者。
08
世界首臺深地實驗強流離子源系統成功出束
國科大師生所在的中科院近代物理所團隊發揮在強流離子源技術方面的優勢，根據深地實驗的極低本底要求，成功研製世界上首臺深地實驗強流離子源系統。該系統於2020年12月14日在錦屏深地實驗室安裝並成功出束，可產生20emA的He+、10emA的He+、2.5emA的He2+束流，束流的穩定性好於驗收指標±5%的要求，離子源束流能散小於50eV。
該系統設計上綜合考慮了高流強、高品質與低輻射本底等關鍵技術因素，完全滿足了深地核天體物理實驗的需求，比國外同類裝置的流強高出10倍以上，是目前深地實驗中束流最強的離子源系統。
該系統與中國原子能科學研究院的加速器平臺相結合，將使我國科研人員有條件實現世界上其他實驗室無法完成的天體物理關鍵反應的精確測量，有望使我國在實驗核天體物理領域躋身國際領先行列。
09
揭示咽囊在弓動脈前體細胞特化中的重要作用
2020年12月17日，國科大博士生導師、中科院動物研究所王強研究員課題組在Development在線發表了題為Pharyngeal pouches provide a niche microenvironment for arch artery progenitor specification的研究論文。該研究以斑馬魚為模式生物，結合細胞譜系追蹤、組織特異性消除和突變體製備等實驗技術探討了咽囊對弓動脈發育的調控作用，發現咽囊直接與咽區中胚層接觸，並通過表達和分泌BMP2a與BMP5，激活咽區中胚層細胞的BMP活性，為其特化為弓動脈前體細胞提供了一個合適的微環境。
BMP信號胞內效應因子Smad1/5/8在弓動脈前體細胞中存在動態的磷酸化激活。咽囊能分泌表達多種BMP，咽囊缺失後，咽區中胚層的BMP活性被顯著抑制。在缺失咽囊的胚胎中重新激活BMP信號，能很好地挽救弓動脈前體細胞特化的缺陷。此項研究表明，咽囊在弓動脈發育過程中建立了一個前體細胞特化的微環境，對弓動脈發育具有直接且重要的作用。同時，這些研究揭示了咽囊的起源和其通過組織間相互作用調控頭部組織器官發育的重要功能機制。
10
闡明核子短程關聯在中子星輸運性質及r-模不穩定性中的作用
中子星作為一類緻密天體，其內部是具有極高密度的豐中子物質。因此，緻密物質輸運性質的可靠信息，對於理解恆星熱演化和引力波輻射驅動的r-模不穩定性至關重要。
國科大師生所在的中科院近代物理研究所課題組，首次闡明了核子短程關聯在核物質熱導率及剪切黏滯性中的作用，進而說明了其在中子星輸運性質及r-模不穩定性中的作用。研究者認為即使在非常低的溫度（106K）下，剪切黏滯性也不足以使得快速轉動的中子星的r-模震蕩穩定。這一點擴充了我們對於脈衝星物理中的r-模不穩定性的認知。
11
HIAF項目放射性次級束流分離器HFRS半孔徑CCT四六極超導組合磁體樣機成功完成低溫測試
國科大師生所在的中科院近代物理研究所強流重離子加速器裝置（簡稱HIAF）項目組自主研發的半孔徑CCT（Canted Cosine Theta）四六極超導組合磁體樣機首次完成目標電流滿載勵磁測試，四極線圈和六極線圈單獨勵磁一次達到設計值500A（四極線圈）和385A（六極線圈），低溫旋轉線圈測量磁場梯度及積分場高階量達到設計值，由此驗證了CCT型四六極組合磁體技術的可行性以及磁體結構和工藝的可靠性。
HIAF-HFRS是世界上磁剛度最高的放射性次級束流分離器（最高磁剛度達25Tm），將大規模採用最先進的CCT多極超導組合磁體技術。CCT結構超導磁體是HIAF核心關鍵技術之一，半孔徑樣機的成功研製和測試，標誌著項目組攻克了骨架加工、CCT線圈繞制和環氧浸漬等核心工藝技術，解決了HIAF又一核心關鍵技術樣機難題，為CCT超導磁鐵的批量加工奠定了良好基礎，同時對於推進未來重離子加速器裝置的高能化和小型化具有重要意義。
12
全球草地生態系統氧化亞氮排放速率對氮沉降響應特徵及調控因素
大氣氮沉降增加是全球變化重要特徵之一，也是反映大氣環境質量狀況變化的重要指標，它對全球尺度碳氮循環及環境質量均具有重要影響。目前，有關氮沉降對全球草地生態系統氧化亞氮排放特徵的影響強度及調控機理尚不清晰。
國科大師生所在的西北高原生物研究所高寒草地生物地球化學過程學科組的研究基於全球草地生態系統已開展的80項模擬氮沉降試驗結果進行meta分析表明：氮沉降極顯著增加全球草地生態系統N2O排放速率，平均效應值約為1.64 ± 0.14 (95%置信區間為1.37-1.92，P<0.0001)。採用隨機效應模型，引入分類變量(氮素類型)作為解釋變量，發現不同氮素對平均效應值影響強度順序依次為：家畜尿液、尿液和糞便混合物、糞便、硫酸銨、硝酸銨和尿素。通過混合效應模型，引入連續變量作為解釋變量發現，全球草地生態系統平均效應值主要受氣溫、海拔及pH值影響，分別可以解釋25.88%、20.50%和19.99%的效應值變異。積極應對全球增溫和土壤酸化及退化程度，降低全球平均氣溫和延緩土壤pH降低趨勢，均有利於降低氮沉降對草地生態系統N2O排放的激發效應。
研究結果以Nitrogen deposition increases global grassland N2Oemission rates steeply: a meta-analysis為題，發表在農林科學一區期刊Catena，影響因子4.33。
2020年12月科研動態梳理
就到這裡啦
各位UCASer科研工作也要順利呀
我們下期見！
素材來源：中國科學院大學