世界一流科技期刊文章精选

生命科学

线粒体外膜TOM转位酶复合体组装的分子机制

华中农业大学生命科学技术学院殷平教授团队与合作者在蛋白质科学研究领域取得新进展。相关成果发表于Sciences。线粒体是真核细胞能量代谢的主要场所，与动植物的生长发育密切相关。线粒体的生命活动需要多达1000种蛋白质参与，线粒体蛋白正确的靶向运输是线粒体正常行使功能的基础前提。99%的线粒体蛋白由细胞核基因编码，在细胞质中翻译为蛋白前体，再通过线粒体转位酶复合体运输至线粒体的各个部位。该研究探讨了TOM转位酶复合体的组装过程，探究线粒体蛋白的生物发生，为线粒体疾病治疗和作物遗传改良提供理论基础。研究方法和成果为阐明叶绿体蛋白生物发生机制提供了新视角。

植物抗病毒新机制及其相应的病毒反防御机制

清华大学生命学院刘玉乐课题组发现一个结合钙调蛋白的转录因子，可将钙信号与植物抗病毒RNAi防御联系起来。相关成果发表于Cell Host & Microbe。植物病毒可对作物的产量和品质造成巨大危害。同时植物也不是坐以待毙，植物也进化出多种防御机制对抗病毒的侵染。其中RNAi（RNAinterference）是一种重要的抗病毒机制。文章分析了植物通过识别植物病毒侵染过程中保守的分子模式：创伤诱导的钙流，启动植物抗病毒RNAi防御及其相应的病毒反防御机制。其中钙调蛋白结合转录因子CAMTA3通过激活RDR6、BN2基因的转录促进多个RNAi通路基因的表达，从而正向调控植物抗病毒RNAi过程的分子机制。

生命早期肠道菌群演变规律及决定因素

中国科学院北京生命科学研究院赵方庆团队收集并分析了来自全球17个国家的超过1万例新生儿肠道菌群数据，揭示了全球新生儿肠道菌群的地域特征，并通过生态学模型和系统功能分析阐明了人类肠道菌群由婴幼儿向成人转变的确定性模式。相关成果发表于Genome Biology。在婴幼儿前3年的发育过程中，肠道菌群逐渐发育成熟，肠型也经历了由不成熟的厚壁菌——双歧杆菌，向成熟的拟杆菌——普氏菌的确定性转变。该研究阐明了新生儿在出生后前3年肠道菌群的确定性转变，引入生态模型探究了菌群成熟的内在机制，并通过大人群队列分析揭示了肠型在全球新生儿中的特定分布模式。

牡蛎适应进化机制研究

中国科学院海洋研究所贝类遗传与进化研发团队揭示了不同时空尺度上的牡蛎适应进化及其机制。相关成果发表于Molecular Biology and Evolution。长牡蛎与福建牡蛎是自然分布在我国北方与南方的潮间带优势种，是我国两大主养经济贝类，也是不同温度适应型的近缘姊妹亚种。南方福建牡蛎表现出更高的适应性表达可塑性，受选择基因同时作为环境响应基因，其在非编码区表现出更强的遗传变异特征。南方牡蛎具有更强的ATP（三磷酸腺苷）合成和脂肪酸分解能力，而北方牡蛎ATP消耗和脂肪酸合成能力更强，说明脂肪酸和ATP代谢间的能量代偿在长牡蛎和福建牡蛎适应南北环境中发挥了重要作用。

全面评估基因编辑产物的新方法

北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心胡家志课题组系统评估了CRISPR-Cas9编辑过程中的DNA修复产物并阐述其影响机制，提示基因编辑时抑制非同源末端连接（NHEJ）的潜在诱变危险，全面评估多种SpCas9变体的切割活性和特异性，促进这些变体在合适的基因编辑背景下的应用。相关成果发表于Nucleic Acids Research。利用PEM-Q在人和小鼠细胞中对Cas9编辑后的产物进行了系统且定量的评估。随后对该领域内目前常见的SpCas9变体的编辑活性，脱靶活性及对基因组不稳定影响性进行了全面的评估和脱靶预测，总结了这些变体在人类细胞中的编辑活性和脱靶活性，为在这些变体之间进行选择提供指导。

一种基于质谱多碎裂方式组合靶向完整O-糖肽的质谱解析方法

上海交通大學系统生物医学研究院张延团队和严威团队合作，开发了质谱检测新策略，用于解析阿尔兹海默症相关糖蛋白APP的糖基化。相关成果发表于BBA-General Subjects。越来越多的研究表明糖基化对APP的加工及Aβ的产生具有关键的调控作用，精准判定APP糖基化修饰信息，对深入理解APP蛋白在AD疾病发生中的作用和疾病早期诊断方法开发上具有重要意义。该方法精准描绘出APP蛋白的O-糖基化修饰位点和糖链结构。为从蛋白质糖基化修饰水平理解APP的分子功能与AD的发病机制，发现AD治疗靶点以及开发AD早期诊断策略提供了新的思路。

一种生产高纯度DHA的细胞工厂

中国科学院青岛生物能源与过程研究所宋晓金、王森等人研究利用代谢工程手段对裂殖壶菌脂肪酸合酶途径进行弱化，显著提高了脂质中DHA的比例。相关成果发表于Journal of Agricultural and Food Chemistry。二十二碳六烯酸（DHA）是大脑和视网膜组织中磷脂的重要组成物质，裂殖壶菌是目前工业化发酵生产DHA的代表性物种之一，具有高生物量、高油脂含量和易培养等特点。该研究通过表达油脂合成途径的关键酶乙酰辅酶A羧化酶和二酯酰甘油酰基转移酶，进一步提高裂殖壶菌的总脂肪酸产量和脂质中DHA的纯度，而生物量和细胞生长速率不受影响，确保获得的突变株符合工业化生产需求。

蜜蜂腹部具毛表面的减阻机制

北京理工大学机械与车辆学院赵杰亮副教授团队与清华大学阎绍泽教授合作，阐述了蜜蜂微小的毛发可以减少腹部分节结构间相对运动产生的摩擦，为蜜蜂辛勤劳作的日常活动节省能量，同时减少腹部结构的磨损。相关成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces。蜜蜂作为一种集群生活的社会性昆虫，虽然没有人类发达的语言沟通能力，但是凭借其精巧的身体结构，可完成丰富多样的肢体动作，同样具备了较为完备的语言沟通技能，其中腹部的往复弯曲和伸缩发挥了不可替代的作用。在相同载荷下，毛状表面的摩擦比光滑表面的摩擦小。随着载荷的增加，无毛表面的摩擦力增加，而有毛表面的摩擦力没有明显增加。

光電技术

太赫兹加速器实现厘米尺度的高品质电子级联加速

上海交通大学物理与天文学院张杰院士和向导教授领导的课题组近期利用飞秒激光在周期极化铌酸锂晶体中产生的多周期窄带太赫兹源，结合兆伏特超快电子衍射装置提供的超短电子束，证明了相对论电子在厘米长度距离的尺度上实现高品质级联加速的可行性。相关成果发表于Physical Review Letters。通过改变电子束与太赫兹脉冲的延时，可精确观察到作用距离和作用相位的改变所引起的电子束能量增益的变化，实验结果与理论模拟具有很高的符合度。实验中保持了电子束的能散和能量稳定性，获得接近100%的级联耦合效率，实现了从“太赫兹加速（THz acceleration）”迈向“太赫兹加速器（THz accelerator）”的突破。

实现近红外二区磷光成像

中国科学院自动化研究所研究员胡振华、武汉理工大学常柏松副研究员、中国科学院上海药物研究所教授程震、武汉理工大学教授孙涛垒合作，开发出近红外二区磷光成像（NIR-II phosphorescent imaging）探针及技术，将磷光拓展到近红外二区区域，为探索面向重大疾病的特异性成像提供了新思路。相关成果发表于Nature Biomedical Engineering。该研究通过金属离子交换机理，制备出具有空心结构的CuISe纳米管，利用氢键诱导的受限自组装原理，改变了纳米探针的受激态衰减过程，将近红外二区（最大发射峰在1130nm左右）磷光探针CuISe纳米管的荧光寿命从73ns延长到336μs。

亚周期光场调控研究进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心魏志义研究组（L07）利用双色飞秒光场在非线性介质中的交叉及诱导相位调制效应，在透明固体材料中产生了紫外增强型超连续光谱，表现出优于气体介质的效率。相关成果发表于Applied Physics Letters。亚周期光场作为超快光学的前沿热点，是实现对光场极端调控的重要目标，有助于从光场波形的本源上认识和调控光与物质相互作用过程，也是产生孤立阿秒脉冲的理想驱动光源之一。如何产生小于一个光学周期的超快光场难度较大。实验中所获得的高强度超连续光谱覆盖了紫外-可见光-红外的范围，且全波段光谱相位均可调控，支持1.6fs的傅里叶变换极限脉宽，对应0.6个光学周期。

新型高效固态热整流二极管

中国科学院合肥物质科学研究院固体所研究员童鹏团队研制出具有优异热整流性能的固态热二极管。相关成果发表于Physical Review Applied。目前约90%的能源在使用过程中涉及热量的产生和操控，对于提高能源利用率、实现节能减排和可持续发展均具有重要意义。热二极管是重要的热流控制元件，在热量收集、储热、制冷等领域具有广阔应用前景。其中，具有非线性热导率温度依赖关系的固态材料是实现高整流效率的关键。新研制的热二极管具有优异的整流性能，通过改变Fe含量进行调控，均具有可逆的热导率突变。该研究为设计和构建面向不同工作温区和应用环境的高性能固态热二极管提供了备选材料。

基于水书写和电擦除制备可重写PEDOT薄膜

中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员等与合作者基于水书写和电擦除制备可重写聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）薄膜。相关成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces。基于溶剂与PEDOT薄膜之间的相互作用呈现出3种溶剂调制行为。低极性溶剂（LPS）与PEDOT薄膜无相互作用;中极性/高挥发性溶剂（MP/HVS）去除亲水性电解质，有助于将水接触角从原始亲水膜（6.5°）转换为疏水性可写基材（146.2°）;高极性溶剂（HPS）诱导PEDOT链中阴离子的去掺杂，导致薄膜颜色由蓝变紫，作为信息书写过程。研究以PEDOT膜表面浸润性调控为前提，结合高极性溶剂诱导颜色变化（写入）和电化学氧化还原反应（擦除），实现了可重写的PEDOT薄膜。

相对论涡旋激光驱动电子加速研究进展

中国科学院上海光学精密机械研究所强场物理国家重点实验室王文鹏等人与欧盟ELI-Beamlines团队合作，发现近红外圆偏振超强LG激光与超薄等离子体靶相互作用，可以驱动产生高能阿秒电子片。相关成果发表于High Power Laser Science and Engineering。涡旋激光自身光场可以提供一个类似“空泡”的结构，其纵向加速电场可以稳相加速电子束至数百兆电子伏特。通过载波包络相位调制相对应的横向电场强度，可以实现对电子片形状的不同调制。三维粒子模拟结果显示，在特定载波包络相位下，电子片可被调制成一个内直径约10μm的电子环，其纵向时间尺度约为670as，电荷量约0.19nc。

后摩尔时代的半导体材料“异构外延”研究进展

中国科学院半导体研究所照明研发中心刘志强研究员与北京大学高鹏研究员、北京石墨烯研究院刘忠范院士、美国北卡罗莱纳大学科研团队合作，实现了石墨烯玻璃晶圆氮化物“异构外延”突破，证实了氮化物外延摆脱衬底限制的可能性，为不同半导体材料之间的异构集成提供了一个新的思路。相关成果发表于Small。半导体产业进入“后摩尔时代”，“超越摩尔定律”迎来了高潮，未来半导体产业的发展需要跳出原有框架寻求新的路径。相关研究提出了一种纳米柱辅助的范德华外延方法，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法，国际上首次在玻璃衬底上成功外延出连续平整的准单晶氮化镓（GaN）薄膜，并制备蓝光发光二极管（LED）。

3D电子束光刻技术研究进展

中国科学院上海微系统所研究员陶虎团队与上海交通大学教授夏小霞、钱志刚合作，开发出基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶，实时控制加速电压调控电子在丝蛋白光刻胶里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，实现了分子级别精度的真三维纳米功能器件直写。相关成果发表于Nature Communications。电子束光刻精度极高，通常是二维微纳加工获得最小尺寸的标准工具。该技术加工精度可达14nm，接近天然丝蛋白单分子尺寸（约10nm），较之前技术提升了1个数量级。蜘蛛丝蛋白优异的机械强度为复杂三维纳米结构提供了关键支持。