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  北京时间2月4日,国际学术期刊NucleicAcidsResearch(《核酸研究》)在线发表了中国科学院广州生物医药与健康研究院鲍习琛课题组、香港大学RalfJauch课题组和中山大学医学院(深圳)侯琳琳团队共同合作的成果“ConcurrentbindingtoDNAandRNAfacilitatesthepluripotencyreprogrammingactivityofSox2”。该成果揭示了转录因子Sox2同时结合DNA和RNA并协同调控体细胞重编程的新机制,着重强调了在体细胞重编程过程中Sox2与RNA直接相互作用的功能。  真核生物中,大约8%左右的核酸结合蛋白具有同时结合DNA和RNA的属性(DNA-andRNA-bindingproteins,简称DRBPs)。这些DRBP广泛参与mRNA加工、转录调控、DNA复制、DNA修复、应激反应和凋亡等生物学事件。Sox转录因子是胚胎发育和细胞重编程过程中确定细胞命运的重要调控因子,它在多能干细胞和神经干细胞的更新和分化等过程中发挥了重要作用。此前一些证据表明,Sox2、hnRNP家族成员和长非编码RNA(RMST)相互作用,调控神经细胞分化,然而,Sox2是否直接与RNA结合?Sox2的哪些结构域负责与RNA直接相互作用?在细胞重编程的过程中,DNA与RNA的结合功能如何相互协作?这些都是需要深入研究的科学问题。  该研究通过PAR-CLIP和RNASELEX的方法确认了Sox2与RNA直接相互作用,进一步的测序分析发现Sox2偏好性结合一个CCCY核心基序和一个CGCG的二级基序。随后,研究人员利用EMSA和RNA免疫沉淀(RNA-immunoprecipitationassay)等手段确定了Sox2的RNA结合结构域(RBM),该结构域具有优先结合富含GC的RNA序列的特征。另外,通过RNAfishing实验和竞争性结合实验等进一步分析,发现在DNA和RNA共同存在的情况下,Sox2使用其HMG结构域结合同源DNA序列,并同时利用RBM结构域在体外介导三元RNA/Sox2/DNA复合物的形成。除此之外,通过比较Oct4、Klf4、c-Myc(OKM)“鸡尾酒”以及不同Sox2突变体诱导下,诱导多能干细胞生成的效率发现,删除Sox2的RBM结构域会影响诱导多能干细胞生成,并且显著地改变了体细胞重编程过程中的选择性剪接事件。该研究加深了人们对Sox2蛋白调控多能性重编程机制的理解,进一步阐明了DRBPs对RNA代谢的调控机制。  该研究得到中科院青年创新促进会优秀会员项目、广东省杰出青年基金、科技部重点研发专项、国家自然科学基金青年科学基金项目和广东省实验室创新团队等的资助。  论文链接转录因子Sox2通过与RNA结合调控体细胞重编程

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  中空多壳层结构(HollowMultishelledStructure,以下简称HoMS)材料既能解决纳米颗粒在应用过程中易于团聚的问题,又能保持大比表面积的优点,在能源转化与存储等研究领域应用广泛。中国科学院过程工程研究所研发出一种简便普适的合成方法“次序模板法”制备HoMS材料,实现纳微结构的精准调控,并在此基础上首次揭示其“时空有序”特性新概念及动态智能行为,有望为药物缓释、化工催化等诸多领域带来突破。相关文章于2月11日在NatureReviewChemistry上发表。  过程工程所研究员王丹团队一直致力于HoMS的精准合成,通过“次序模板法”对反应热力学和动力学的精准控制,实现从构成壳层的纳米颗粒到壳层数、壳层间距、壳层厚度、孔隙率等纳微结构的精准调控,进而调变HoMS材料的表界面特性,大幅扩展了HoMS的应用范围。  在此基础上,研究人员进一步揭示出HoMS的独特属性,即时空有序特性。“HoMS具有多个壳层以及被壳层分隔开的各自独立又相互连通的闭合空腔,与单壳层中空结构相比,HoMS不仅具有更多的界面与更大的有效比表面积,其由外至内次序排列的多个壳层还构造出一种独特的时空有序结构,即:客体(反应物、药物分子、电磁波等)的进入必须先经过外部壳层,才能到达内部壳层;完成特定反应后的产物,必须先穿过内部壳层,才能释放到外部壳层。该特性对串联催化、次序吸光、药物缓释以及多级储能等领域的应用拓展及性能提升具有重要意义。”王丹介绍道。  有趣的是,这种独特的时空有序特性在自然界也是广泛存在的。以蓝藻这个古老的生命体为例,其内部含有吸收不同波长光的染料分子,而这些分子由外到内按照特定的次序排列,从而实现对太阳光的高效利用,进而完成了对地球上氧气的富集。  “向自然学习,受活细胞的结构和功能的启发,发挥HoMS时空有序的特性,将在太阳能的高效利用、化工催化、药物可控释放及高效能源转化与存储等诸多领域带来重要应用。”王丹说。  研究人员进一步提出可以通过化学修饰赋予HoMS每个空间各自独立的特性,并设计调控内外壳层的不同组成,根据应用需求改变表面或自身结构特性,以实现材料对特定环境的特定响应,在特定位点的准确释放或自我演变,将进一步赋予中空多壳层结构动态智能的属性。这将在药物可控释放及化工催化中带来重要应用。  该文章的第一作者为博士王江艳、万家炜及杨乃亮,通讯作者为王丹。该工作得到国家自然科学基金及中科院科研装备研制项目的支持。   论文链接图:HoMS结构和组成的多样性赋予HoMS多功能和多用途

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  象类,古近纪一直在非洲大陆演化,至早中新世扩散到欧亚大陆,包括恐象类、嵌齿象类和轭齿象类。相比于恐象类和嵌齿象类,由于化石记录稀少,轭齿象类早期在欧亚大陆的扩散更不为人所熟知。传统上一直认为,最早到达欧亚大陆的轭齿象类是轭齿象属(Zygolophodon),轭齿象属的下门齿较短,截面呈圆形。而形态上更原始的始轭齿象属(Eozygodon),之前仅在非洲报道,它的下门齿较长,截面呈梨形,下门齿上侧有纵向沟存在。  最近,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所博士研究生张晓晓和研究员王世骐在国际古生物学期刊《历史生物学》(HistoricalBiology)上报道了欧亚大陆的首批始轭齿象材料。该材料是由古脊椎所于1964年蓝田地区新生代地质调查时于临潼县营背后村冷水沟组采集,时代为中中新世。主要是一件幼年个体的下颌外加几件颊齿,1978年以嵌齿象科未定属种(Gomphotheriidaegen.etsp.indet.)发表。在当时,始轭齿象还没有发现,人们普遍不认为轭齿象类会有较长的下颌。  但是,该标本的确具有轭型化程度较高的臼齿,归入轭齿象类是毫无疑问的,加之该标本具有较长的下颌和下门齿,特别是下门齿截面成梨形,上侧有纵向沟存在,这些特征与非洲乌干达和肯尼亚早中新世报道的莫罗托始轭齿象(Eozygodonmorotoensis)几无区别。考虑到这批材料中缺少成年个体,因此将其鉴定为始轭齿象未定种(Eozygodonsp.)。这是始轭齿象在欧亚大陆的首次报道,也可能是中国乃至欧亚大陆形态上最为原始的轭齿象类。该发现对轭齿型乳齿象早期的演化迁移研究具有非常重要的意义。  研究人员针对轭齿象类从非洲向欧亚大陆的扩散提出了两点假说,一种认为在早中新世,始轭齿象同较进步的轭齿象一样通过特提斯海第一次关闭形成的“嵌齿象路桥”到达欧亚,只不过始轭齿象的臼齿与轭齿象类没有很大区别,可能存在将始轭齿象臼齿鉴定为轭齿象的情况。另一种假说基于中新世东亚地区的与西欧地区的象类存在较大的差异,加上象类出现在南亚的时间较早,可以达到晚渐新世,由此推测始轭齿象通过一条“南线”,经由南亚,穿过青藏高原所在的地区,迁移到东亚,而在早中新世,青藏高原隆升的高度还不足以阻挡大型哺乳动物的迁移。  该研究获得中科院战略性先导科技专项(B类)和国家自然科学基金等支持。    论文链接始轭齿象下颌(a,1978发表的原始图片;b,标本目前的状态,冠面;c,标本目前的状态,侧面)(张晓晓供图)

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  最近,中国科学院院士、中国科学技术大学教授侯建国领衔的单分子科学团队的董振超研究组与罗毅研究组,在单分子拉曼成像领域取得新进展,实现了埃级单化学键分辨的分子内各种振动模式的实空间成像,并提出了一种全新的分子化学结构重构技术——扫描拉曼埃分辨显微术(ScanningRamanPicoscopy,SRP)。该成果于2019年11月8日在《国家科学评论》(NSR)上在线发表,并于近期正式出版。  精确确定分子的化学结构对于任何一个分子相关领域都具有至关重要的意义,是深刻理解分子的化学、物理、生物等性质和功能的关键。扫描隧道显微镜和原子力显微镜具有在实空间对单分子骨架进行成像的杰出能力,但这些技术通常缺乏精确确定单分子结构所必须的化学信息。拉曼散射光谱中包含了丰富的分子振动结构信息,不同化学基团的拉曼光谱谱形特征各不相同,因此拉曼光谱可以作为分子化学基团的“指纹”识别工具,但常规拉曼成像技术达不到扫描针尖技术所具有的超高空间分辨率。因此,将二者结合发展起来的针尖增强拉曼光谱技术(TERS),可以克服各自技术的缺陷,为实现单分子化学结构的确定提供了可能。  2013年,由侯建国领衔的单分子科学团队首次展示了亚纳米分辨的单分子拉曼成像技术[Nature498,82(2013)],将具有化学识别能力的空间分辨率提高到了一个纳米以下(~5埃)。在此基础上,研究者们一方面探索单分子拉曼成像技术空间分辨率的极限,另一方面思考如何充分发挥这项技术的独特优势。该团队在《国家科学评论》发表的研究成果,将空间分辨率推向了一个新的极限,并为最新技术提出了一种重要的新应用。他们通过改进低温(液氦)超高真空针尖增强拉曼光谱系统和精细调控针尖尖端高度局域的等离激元场,将空间分辨率提高到了1.5埃的埃级单个化学键识别水平,在实空间获得了分子各种本征振动模式完整的空间成像图案,并发现和观察到分子对称和反对称振动模式中显著不同的干涉效应。更为重要的是,他们基于埃级分辨的分子振动模式成像图以及由此揭示的新物理效应,结合化学基团的拉曼指纹数据库,提出了一种可视化构建分子结构的新方法:扫描拉曼埃分辨显微术(SRP)。  SRP方法充分彰显了基于拉曼信号的针尖扫描技术在实空间精确确定分子化学结构的能力。研究者以单个镁卟啉分子作为模型体系,采用“搭积木”(Lego-like)方式把各个化学基团拼接起来,实现对整个分子化学结构的构建。埃级分辨的扫描拉曼显微术所具备的这种解析未知分子化学结构的能力,有望引起化学、物理、材料和生物等领域科研人员的兴趣并催生相关研究。通过与人工智能、机器学习相结合,SRP有望发展成为一种成熟和通用的技术,为在单个化学键尺度上确定单分子的化学结构、原位研究表面物理化学过程和表面催化反应等提供新的手段。  该系列研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等的支持。  论文链接扫描拉曼埃分辨显微术(SRP)的艺术化效果图。高度局域化的等离激元电磁场会显著增强针尖下方单个分子内部局域化学基团的拉曼散射信号。将不同化学基团简正振动模式对应的拉曼成像图样进行合并,就可以采用类似“堆积木”的方式将各个化学基团拼接起来,构建出完整的分子化学结构。

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  中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中国科学院上海微系统与信息技术研究所合作,在量子中继与量子网络方向取得突破。他们通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术,成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来,为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。该成果于近日发表在国际学术期刊《自然》上。  构建全球化量子网络并在此基础上实现量子通信是量子信息研究的终极目标之一,国际学术界广泛采用的量子通信网络发展路线是通过基于卫星的自由空间信道来实现广域大尺度覆盖,通过光纤网络来实现城域及城际的地面覆盖。然而受限于光信号在光纤内的指数衰减,最远的点对点地面安全通信距离仅为百公里量级。将远距离点对点传输改为分段传输,并采用量子中继技术进行级联,有望进一步大幅拓展安全通信距离,并使得构建全量子网络成为可能。  然而,受限于光与原子纠缠亮度低、原子存储器波长与通信光纤不匹配和远程单光子干涉等技术瓶颈,此前最远光纤量子中继仅为公里量级。针对上述技术难题,团队主要在三方面开展了技术攻关:首先,采用环形腔增强技术来提升单光子与原子系综间耦合,并优化光路传输效率,将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级;其次,由于原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为3.5dB/km,在50公里光纤中光信号将衰减至十亿亿分之一(10^-17.5),使得量子通信无法实现,团队自主研发周期极化铌酸锂波导,通过非线性差频过程,将存储器的光波长由近红外(795nm)转换至通信波段(1342nm),经过50公里的光纤仅衰减至百分之一以上,效率相比之前提升了16个数量级;最后,为实现远程单光子干涉,团队设计并实施了双重相位锁定方案,成功地把经过50公里光纤的传输后引起的光程差控制在50nm左右。  研究团队将以上技术相结合,最终实现了经由50公里光纤传输的双节点纠缠,并演示了经由22公里外场光纤的双节点纠缠。该工作得到《自然》审稿人的高度评价:“该结果是非常杰出的,向实现量子中继方向迈出了重要一步”。当前实验中两台量子存储器位于同一间实验室内,团队接下来将通过发展独立激光的相位同步等技术来实现真正远距离分开的双节点实验。上述工作与该团队之前实现的多节点纠缠技术(NaturePhotonics,13,210,2019)、基于里德堡的确定性纠缠技术(Phys.Rev.Lett.123,140504,2019),以及百毫秒存储技术(NaturePhotonics.10,381,2016)等相结合,有望推动量子中继和全量子网络的实验研究。  该工作得到科技部、自然科学基金委、中科院和安徽省等的资助。  论文链接实验方案示意图

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  近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员张永胜课题组在金属Al/Al2Cu界面局域结构研究中取得新进展,研究发现界面处局域几何结构的畸变对溶质元素(Si、Mg、Zn)的偏析行为有着不可忽视的影响(图1)。相关结果以EffectsoflocalgeometrydistortionattheAl/Al2Cuinterfacesonsolutesegregation为题发表在PhysicalChemistryChemicalPhysics期刊上。  铝基合金材料由于具有高强度、低密度等优异的综合性能而广泛应用于航空航天、交通运输、汽车工业等领域。材料中的界面对提高材料的各项性能起着至关重要的作用。Al-Cu所形成的合金在190-230℃的温度范围内会在Al中析出Al2Cu,析出相可以有效地提高铝合金的强度。相关实验发现基体Al和析出相Al2Cu之间会同时形成共格和半共格界面,溶质元素Si、Mg、Zn在Al/Al2Cu界面处表现出不同的偏析行为。然而,相应的DFT-PAW理论计算的结果(溶质偏析能)和实验观察(溶质浓度)不符,这严重影响了计算预测的可靠性。  为了有效地研究Al和Al2Cu之间的界面对掺杂原子(Si、Mg、Zn)偏析的影响,张永胜课题组采用了LCAO+NCPP的计算方法,结果发现界面处(尤其是半共格界面)局域几何结构畸变对溶质的偏析能具有很大的影响,其结果能够很好地解释实验观察:比如图2(c)中,LCAO+NCPP计算的Si在半共格界面两侧θiˊ和Ali处的偏析能基本相同,这与图2(b)中实验上观察到的Si在Al和Al2Cu两侧接近的浓度相吻合;而传统的DFT-PAW计算方法 (图2(d))显示,Si在Al2Cu侧的偏析能比Al侧的低,这是由于PAW方法在计算过程中固定了晶格对称性所造成。进一步的计算发现界面处的晶格失配度也对偏析能起着不可忽略的影响(图2(e)):随着半共格界面失配度的降低,Si和Mg在半共格界面处偏析能的差别也逐渐减小,接近实验观察的结果。该理论计算结果不但很好地解释了实验现象,为今后更深入而准确地研究界面的微观结构和性质提供帮助,也为将来通过界面设计调控材料性能做了良好的铺垫。  该项工作得到国家自然科学基金资助,所有计算都在中科院超算中心合肥分中心完成。  论文链接图1.界面处几何结构畸变对溶质偏析影响的示意图。图2.(a)(010)Al||(010)Al2Cu半共格界面计算模型图中大球和小球分别代表Al原子和Cu原子,不同颜色的原子代表(c)和(d)中不同的偏析路径;(b)实验观察的半共格界面附近Al、Cu、Si、Mg、Zn的浓度,数据来源于文章:DOI:10.1103/PhysRevLett.105.076102;(c)LCAO+NCPP方法计算的半共格界面处溶质的偏析能,虚线代表偏析能的变化趋势;(d)DFT-PAW方法计算的半共格界面处溶质的偏析能;(e)溶质Si和Mg偏析能之间的差值随半共格界面失配度的变化。

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