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科技·前沿 近期科研成果扫描

发表时间: 2019-08-07

  清华和中科院植物所合作在《科学》发表论文报道首个硅藻光系统II-捕光天线超级复合体的近原子分辨率结构

  清华-伯克利深圳学院王晓浩林立伟团队在《科学机器人学》发文报道可高速运动的耐挤压柔性机器昆虫

  医学院郭永实验室合作在Talanta报道高灵敏和防污染的“准共聚焦”微液滴数字PCR阅读仪

  清华和中科院植物所合作在《科学》发表论文报道首个硅藻光系统II-捕光天线超级复合体的近原子分辨率结构

  8月2日,清华大学生命科学学院隋森芳院士研究组与中科院植物所沈建仁研究员和匡廷云院士研究组合作在国际顶尖期刊《科学》(Science)上在线发表了题为《硅藻光系统II-捕光天线超级复合体的色素-蛋白网络结构》(Thepigment-proteinnetworkofadiatomphotosystemII-lightharvestingantennasupercomplex)的研究长文(ResearchArticle),首次报道了通过单颗粒冷冻电镜技术解析的海洋硅藻角毛藻(Chaetocerosgracilis)光系统II-捕光天线埃的三维结构,为解释硅藻(diatom)高效的能量传递和强大的光保护机制提供了关键的结构依据。

  光系统II(PSII)是一个色素-蛋白超级复合体,它催化光诱导的水裂解反应,将太阳能转化为化学能,并释放出氧气。为了充分利用太阳能,光合生物进化出不同的捕光天线复合体(LHCs)用来捕获太阳能,并将能量传递给光系统II。捕光天线复合体II(LHCII)与PSII核心结合形成PSII-LHCII超级复合体。生活在不同环境处在不同光照条件下的不同进化路线上的光合生物有着复杂多变的LHCII。LHCII除了捕获光能之外,还有一个重要功能就是将强光照条件下吸收的多余的能量耗散掉,从而避免强光对光系统的损伤。

  硅藻的适应性极强,除了空气和沙漠外,几乎所有的环境中都有硅藻,因此硅藻贡献了地球上每年原初生产力的25%左右(吸收二氧化碳的能力占全球生态系统的四分之一左右)。硅藻强大的适应能力依赖于其精致的细胞结构,高效的光合作用能力以及强大的光保护能力。硅藻的捕光天线系统主要结合叶绿素a/c和岩藻黄素(Fx),因此硅藻的捕光天线系统被命名为FCP,独特的捕光天线系统使硅藻在水下能高效的利用蓝绿光,同时还有极强的光保护能力(图1)。

  ▲图2硅藻PSII-FCPII超级复合体整体结构。A图从类囊体基质侧看整个PSII-FCPII超级复合体,虚线将整个结构分为两个单体。B图将PSII-FCPII单体的各个亚基名称标识出来。C图和D图将类囊体腔侧的5个蛋白亚基名称标识出来。

  通过单颗粒冷冻电镜技术解析的海洋硅藻角毛藻(Chaetocerosgracilis)光系统II-捕光天线超级复合体的结构的整体分辨率达到3.02埃(图2)。该结构显示PSII-FCPII超级复合体为二聚体,每个单体包含PSII核心的24个亚基和FCPII的11个亚基,还有200多个色素分子以及大量的脂质分子,整个PSII-FCPII超级复合体含有70个蛋白亚基,分子量高达1.4MDa。硅藻的PSII核心与蓝藻和高等植物的比较相似,但是在放氧中心发现了另外5个外周蛋白,以及另外两个跨膜蛋白亚基,这两个跨膜蛋白亚基连接了PSII核心和FCPII。FCPII主要由两个四聚体组成,其中一个四聚体与PSII核心紧密结合(ST),另外一个则较为松散(MT)。另外还有三个FCP单体与PSII核心结合,其中两个FCP单体介导了结合较为松散的FCP四聚体(MT)与PSII核心的结合,第三个FCP单体结合在这个四聚体的外侧。硅藻PSII-FCPII的这种组装形式与绿色系进化路线光合生物的PSII-LHCII显著不同,硅藻紧密结合的FCP四聚体和松散结合的FCP四聚体的位置与高等植物紧密结合的LHCII三聚体和松散结合的LHCII三聚体的位置刚好相反。硅藻PSII-FCPII复合体近原子分辨率结构还揭示了大量的叶绿素a(Chlsa),叶绿素c(Chlsc),岩藻黄素(Fx),硅甲藻黄素(Ddx)和胡萝卜素(BCR)独特的排列方式,为阐明PSII-FCPII超级复合体独特的吸收光谱,高效的能量传递,水裂解和强大的光保护机制提供了重要基础,为揭示PSII复合体的进化演变提供了重要线索,也为人工模拟光合作用提供了新理论依据,同时为后续指导设计新型作物、提高作物的捕光和光保护效率提供了新思路。

  清华大学生命科学学院博士研究生皮雄,中科院植物所博士研究生赵松浩和中科院植物所助理研究员王文达为本文共同第一作者。中科院植物所沈建仁研究员,清华大学生命科学学院隋森芳院士和中科院植物所匡廷云院士为本文共同通讯作者。国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台为数据收集和处理提供了支持。

  清华-伯克利深圳学院王晓浩林立伟团队在《科学机器人学》发文报道可高速运动的耐挤压柔性机器昆虫

  8月1日,清华-伯克利深圳学院王晓浩/林立伟团队在《科学机器人学》(ScienceRobotics)上发表题为“可高速运动的超鲁棒类昆虫柔性机器人”(Insect-scaleFastMovingandUltrarobustSoftRobot)的研究论文。该论文报道了一种可实现高速运动并可耐受成人踩踏的全柔性微型机器昆虫。

  微型机器昆虫可用于灾后搜救、环境监测、侦察监听等隐蔽狭小空间作业场合,具有行动灵活、隐蔽性强、可集群化作业等特点。传统刚性机器人昆虫存在体形较大、不耐挤压、易受破坏等问题,本研究中,研究者提出了采用柔性压电材料和聚合物骨架相结合的驱动结构,通过运动姿态分析和结构优化,机器昆虫的最高运动速度可达20身长/秒(20cm/s),为已知柔性机器人中的最高值。同时,由于采用全柔性折叠结构,可以在承受一个成人(近60公斤)踩踏后,仍然具备50%的运动能力。

  ▲图2哺乳动物、节肢动物以及各类软体机器人和执行器相对运动速度与体重的关系。星号为本文工作不同型号机器人达到的运动速度。

  本文由清华大学王晓浩教授团队与伯克利加州大学林立伟教授合作完成,清华大学为第一完成单位。论文第一作者为清华-伯克利深圳学院博士生吴一川,论文的共同通讯作者为清华大学深圳研究生院张旻副教授、伯克利加州大学钟俊文博士后以及林立伟教授。论文的合作者还包括清华-伯克利深圳学院博士生梁家铭、伯克利加州大学电子与计算机工程系罗纳德菲尔林(RonaldFearing)教授、整合生物学系罗伯特福尔(RobertFull)教授课题组,以及北京航空航天大学闫晓军教授。《科学机器人学》作为《科学》杂志子刊,是机器人领域最顶级的期刊,2018年影响因子为19.4。

  医学院郭永实验室合作在Talanta报道高灵敏和防污染的“准共聚焦”微液滴数字PCR阅读仪

  8月1日,清华大学医学院生物医学工程系郭永实验室合作在Talanta在线发表题为《一种用于高精准和防污染检测的“准共聚焦”荧光流式微液滴阅读仪》(AQuasiConfocalDropletReaderBasedOnLaser-InducedFluorescence(LIF)CytometryforHighly-SensitiveandContamination-FreeDetection)的研究论文,该研究创新地采用了“准共聚焦”式检测光路和全封闭的微流控芯片,实现了微液滴数字PCR的高精准和防污染检测。

  微液滴数字PCR是一种单分子水平的核酸定量分析技术。其策略是:首先将PCR反应体系分割为大量的微液滴,使得绝大多数微液滴内仅含有0个或1个模板分子(分别称为“阴性微液滴”和“阳性微液滴”);然后经过PCR扩增反应,“阳性微液滴”呈现出较强的荧光信号,而“阴性微液滴”呈现出较弱的背景荧光信号;最后,通过微液滴内荧光的检测和分类,可以得到待测模板的拷贝数。

  数字PCR的微液滴直径介于10-100μm之间,这对传统荧光检测技术提出很高的要求。如果“阳性微液滴”与“阴性微液滴”之间的荧光信号对比度偏低,将引发“阳性微液滴”与“阴性微液滴”区分的困难和错误。与此同时,由于微液滴数字PCR具有超高的灵敏性,在PCR反应后的任何开放式操作都可能造成微液滴内容物的挥发和逸出,导致扩增产物的气溶胶污染。目前商业化微液滴数字PCR仪器多涉及PCR反应后的开放式操作,比如微液滴的吸取和转移等,这在临床应用中可能导致样本假阳性的严重后果。

  为了解决上述不足,在这项研究中,研究人员采用了“准共聚焦”式荧光流式来构建微液滴阅读仪的光路(图1),其激发光路采用了新型的离焦激发模式,使得激发光斑恰好与微液滴的尺寸相匹配,最大限度地激发整个微液滴内的荧光信号,提高“阳性微液滴”与“阴性微液滴”之间的信号对比度;其荧光检测光路使用与微流道共轭的小孔来消除微流道以外的杂散光,提高荧光信号的信噪比。基于上述光路,研究人员实现了10-10,000模板拷贝的微液滴数字PCR高灵敏度检测,其相对误差小于5%,线.微液滴阅读仪采用的微流控芯片

  与此同时,研究人员设计了新型的微流控芯片(图2),该芯片采用了一种“密封-穿刺”的结构,使用适配器(Adaptor)在管盖(Rubbercap)外侧形成更大范围的密封,使得反应管盖被刺穿时微液滴处于一个更大的密闭空间中,从而在检测过程中保持了严格的密闭,避免微液滴核酸扩增产物气溶胶的污染。基于上述芯片结构,研究人员在连续进行了7天表皮生长因子受体基因(EGFR)T790M突变位点的检测后,将6管未加任何模板的EGFRT790M反应体系暴露于微液滴阅读仪周边15分钟,以充分地吸收可能从微液滴阅读仪中逸出的气溶胶污染。微液滴数字PCR的检测结果显示,所有6管未加模板的EGFRT790M反应体系全部呈阴性结果,证明该微液滴阅读仪可有效避免微液滴数字PCR的污染。

  该研究为微液滴数字PCR的临床应用提供了一种高灵敏和防污染的自动化检测装置。随着精准医疗的发展,开发高灵敏和防污染的单分子核酸检验和定量分析技术对于疾病的筛查、诊断、用药指导、病情监测和预后均具有重要意义。

  清华大学医学院的朱修锐博士和刘宝霞博士为该论文的共同第一作者,医学院郭永研究员和精仪系荆高山博士对该研究进行了指导,北京新羿生物科技有限公司参与了合作研究。

  清华大学交叉信息研究院金奇奂副教授研究组最近成功在离子阱系统中实验演示了超过两比特的全局纠缠逻辑门,该成果以《任意离子量子比特上的全局纠缠门》(Globalentanglinggatesonarbitraryionqubits)为题于7月24日在线发表于《自然》(Nature)。该文章的通讯作者为交叉信息研究院博士生路尧与金奇奂副教授,博士生路尧、张帅宁和张宽为共同第一作者。

  近年来,围绕量子计算与量子模拟的相关量子技术发展已取得诸多重要进展,对于量子系统控制的规模和精确度日益提升,使得量子计算机的实现不再遥不可及。这也正是寻找并填补实现实用性量子计算方法和技术缺失的良好时机。原则上,在量子线路模型下,任何通用量子计算任务都可以分解为一系列单量子比特门和双量子比特纠缠门的组合。然而这种分解所得到的量子线路往往并不是最高效的。某些算法或模拟所需要量子门,特别是双量子比特纠缠门的数量,会随着研究问题的规模增长呈指数量级的增加。因此,建立更高效的多量子比特纠缠操作的方法对于实现实用量子计算有促进作用。理论研究中,已有许多研究人员指出了多量子比特纠缠门,特别是其中的全局纠缠门的实用意义,但这些方案还缺乏实验验证。

  ▲图1全局纠缠门可以有效的对量子线路进行化简。图中示例为作用在选定四个量子比特上的全局纠缠门。为了制备四量子比特最大纠缠态,传统量子电路一般需要至少三步双量子比特纠缠门。使用全局纠缠门则仅需一步即可实现所有量子比特的最大纠缠。

  本研究中,金奇奂组在实验系统中对一种基于离子阱系统的全局纠缠门实现方案进行了演示与性能测试。离子阱系统作为实现大规模通用量子计算最具潜力的系统之一,具有最长的量子比特相干时间,能够执行高保真度的量子态测量与量子门操作。通过在单个势阱中囚禁多个离子,量子比特数可以扩展至数十至上百个,而基于此的小规模可编程量子计算机也在近日实现。离子阱量子计算系统利用激光驱动下量子比特与离子链联合振动模式的耦合实现比特间的纠缠,具有天然的全连接特性(即任意两个量子比特间都存在可控的相互作用)。因此任意比特间的量子纠缠仅需要单发操作(singleshot)即可实现。这种全连接优势也使得全局纠缠门的实验实现成为可能。本研究所提出方案的关键在于优化与调制激光脉冲的强度和相位,以均匀地驱动所有量子比特间的相互作用。

  金奇奂研究组成功完成四量子比特的小规模量子计算系统,并基于该系统,在实验上演示了多达四量子比特的全局纠缠门。为了对全局纠缠操作进行基准测试,该团队利用四比特全局纠缠门一步制备了四量子比特的最大纠缠态,并通过保真度测量证明最终的量子纠缠远超过经典边界。与离子阱系统中传统的双比特纠缠门相比,该全局纠缠门有着与其基本相同的操作时长,意味着利用全局纠缠门不仅仅能够减小量子线路的深度,也能够真正缩短线路的运行时间。全局纠缠门的实现方案的建立和良好的实验测试结果表明,多量子比特纠缠门有望成为通用量子计算系统的重要组成部分。

  ▲图3全局纠缠门的实验实现。左上图为基于离子阱的通用量子计算系统示意图。左下图为实验中制备的四量子比特最大纠缠态。

  本研究由交叉信息研究院博士生路尧、张帅宁与张宽共同完成,博士生陈文涛、沈杨超与物理系本科生张家梁对本研究进行了协助,交叉信息研究院助理研究员张静宁为本项研究提供了理论支持。

  近日,化工系工业催化中心陆奇副教授带领的研究团队在《自然通讯》(NatureCommunications)上发表了题为《串联催化二氧化碳电化学还原制备甲烷的计算及实验研究》(Computationalandexperimentaldemonstrationsofone-pottandemcatalysisforelectrochemicalcarbondioxidereductiontomethane)的研究论文。

  随着工业的快速发展,大量的化石燃料的使用导致了大气中二氧化碳浓度的逐年升高,随之而来的环境问题,如温室效应、沙漠化等逐渐引起人们的关注。一种非常有前景的解决方式是使用可再生能源,如太阳能、潮汐能等产生的电能,通过电化学的方式将二氧化碳转化为高附加值的化学产品,如甲烷、乙烯、乙醇等。二氧化碳的电催化还原既能够有效地降低大气中的二氧化碳含量,同时也为这些可再生能源提供了一种储存的解决方案。但目前仍没有一种可靠的催化剂能够高效地实现这一过程。为了研发出高效的催化剂,对这个过程的反应机理的研究显得尤为重要。

  ▲图1.(a)密度泛函计算模型 (b)一氧化碳在电极表面迁移的能量曲面 (c)迁移而来的一氧化碳在电极表面的还原机理

  在这项工作中,研究者阐述了二氧化碳电化学还原中的串联反应机制,即二氧化碳还原过程可以拆分成两个连续的步骤从而分别优化:先使用高选择性的催化剂(如金、银等)作为衬底将二氧化碳还原为一氧化碳,再通过负载在衬底上的催化剂(铜)将一氧化碳还原为需要的化学产品。为了阐明这一理论模型,研究者首先通过密度泛函理论计算,证明了衬底产生的二氧化碳能够自发、快速地迁移到负载于衬底上的铜催化剂;负载的铜催化剂也能够在一定的电压下实现一氧化碳的电催化还原得到甲烷。进而,研究者依据计算化学结论的指导,通过电化学的实验手段,验证了这一模型的可行性。通过使用串联反应机制,研究者能够以接近60%的效率将二氧化碳转化为甲烷,相对于二氧化碳的直接还原而言,效率提升接近一倍。为了进一步确认串联反应机制的表面过程,研究者使用了原位全反射表面增强红外光谱研究这一电化学过程。在较低电压下,复合的电极材料便能够观测到特殊的一氧化碳的伸缩振动吸收峰,而单一的电极材料无法观测到这一吸收峰,从光谱的角度确认了实验模型中的串联反应机制。这项工作通过设计密度泛函计算及相应的实验模型,佐以原位红外光谱进行表面表征,阐明了二氧化碳电化学还原中串联反应机制的可行性,为二氧化碳化学还原的反应机理研究、催化剂设计、反应器优化提供了新的思路。

  论文共同第一作者为清华大学化学工程系2017级博士生张皓晨和美国特拉华大学化学工程系博士后常晓侠。美国哥伦比亚大学陈经广(JingguangG.Chen)教授,美国加州理工学院威廉戈达德三世(WilliamA.GoddardIII)教授参与了该项研究工作。论文共同通讯作者为美国特拉华大学化学工程系徐冰君副教授、台湾成功大学化学系郑沐政副教授和清华大学化学工程系陆奇副教授。

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