【科创热榜前沿科技周报】-129期转贴

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前沿科技盘点〔129〕｜DNA折纸纳米反应器突破，高效化学动力肿瘤疗法；单细胞精度解析海洋微生物组：环己烷变废为宝

原文链接:https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/zt ... 0250217_195827.html

基于活性氧的肿瘤疗法，如光动力、声动力和化学动力疗法受到关注，因为它们能损伤肿瘤细胞。不同于需要光或超声的前两者，化学动力疗法通过芬顿反应将体内过氧化氢转化为毒性活性氧杀伤肿瘤，无需额外条件。然而，其疗效受多种因素限制。对此，中国科学院国家纳米科学中心丁宝全团队取得了相关突破。

微生物及其合成的酶支撑着生物圈的关键生态过程。高效识别环境中有特定代谢功能的细胞和酶是研究热点。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所联合其他机构开发了新技术进行了探索。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第129期。

1《Science Advances》丨DNA折纸纳米反应器突破，高效化学动力肿瘤疗法

基于DNA折纸的酶级联纳米反应器的设计构建与治疗机制

基于分子自组装的DNA纳米结构因其精确可控、易于修饰及生物可降解等特性，成为有潜力的药物靶向运输纳米载体。特别是针对肿瘤治疗，活性氧（ROS）为基础的疗法如化学动力学疗法，因其不依赖氧气和外部能量源（如光或超声），特别适合于深层组织肿瘤的微创治疗。然而，化学动力学疗法的效果受限。

为解决这些问题，中国科学院国家纳米科学中心丁宝全团队设计了基于DNA折纸技术的酶级联纳米反应器，以提高化学动力学疗法效率并激活抗肿瘤免疫。该纳米反应器通过在单一DNA折纸结构上精确布置具有葡萄糖氧化酶活性的金纳米颗粒和过氧化物酶活性的氧化铁纳米团簇，优化了酶的位置和距离，增强了催化活性与稳定性。这种设计促进了过氧化氢生成和谷胱甘肽消耗，降低了pH值，从而提高了芬顿反应效率，增加了ROS生成，强化了肿瘤细胞杀伤效果。此外，经过靶向修饰的纳米反应器能高效进入细胞，诱导多种细胞死亡模式，并在小鼠实验中显示出促进树突状细胞成熟和触发适应性免疫应答的能力，有效抑制了肿瘤生长。

此研究展示了联合使用多种纳米酶和治疗组件进行精准集成的可能性，为肿瘤治疗开辟了新的路径。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9196

2《The Innovation》丨单细胞精度解析海洋微生物组：环己烷变废为宝

FISH-scRACS-Seq技术剖析并挖掘微生物组功能

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所联合自然资源部第一海洋研究所、山东大学等，开发了荧光原位杂交介导的拉曼激活单细胞分选与测序（FISH-scRACS-seq）技术。该技术能够“物种-代谢”双靶向性在环境样品中直接识别和挖掘功能单细胞及其编码的酶资源。研究利用这一技术，识别和分选出海洋中活跃降解环烷烃的γ-变形菌，进而通过其单细胞全基因组序列发现了一类在全球低温海洋中降解环烷烃的P450酶。

FISH-scRACS-seq技术能够在全生态系统范围，以单个菌体的精度，建立生态过程特征、细胞原位代谢能力、全基因组序列、代谢途径、酶催化功能五个生命尺度之间的关联机制，为微生物及其酶资源的发现和挖掘开辟了新的技术路线。

微生物及其合成的各种酶支撑着生物圈中较多关键的生态过程。在环境中高效识别与挖掘具有特定原位代谢功能的细胞和酶是微生物组科学与产业的热点。

该研究开发了FISH-scRACS-seq技术，利用荧光原位杂交识别目标微生物，并通过单细胞拉曼光谱分析其代谢功能，实现“物种-代谢”双靶向的单细胞分选和全基因组测序。这项技术在纯培养混菌体系和复杂土壤菌群中验证了其特异性和灵敏度，显示出高达99.14%的基因组覆盖度，有助于深入挖掘细胞原位代谢功能相关的酶基因或调控元件。

进一步的研究从渤海发现了能够降解环己烷的γ-变形菌，并首次揭示假交替单胞菌具有高效降解环己烷的能力，这得益于其新型P450酶系统（P450PsFu），能在体外将有毒的环己烷转化为无毒的环己醇。尽管这种酶在全球海洋微生物组中相对少见，但它们广泛分布于低温海域，为低温海洋生态系统中环烷烃降解提供了新的见解，并为处理烃类污染提供了生物修复资源。FISH-scRACS-seq技术与微生物组关联分析相结合，为解析生态系统中的细胞代谢功能至酶催化功能间的关联机制提供了新的有效途径。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2666675824001978

3《The Plant Cell》丨揭示PSII修复之谜：温度驱动的膜流动性变化

不同温度下膜的流动性变化对不同基因型的PSII修复影响的工作模型示意图

光合作用作为地球生命活动的基础过程，在能量转换过程中不可避免地产生有害副产物即活性氧。这些活性氧破坏脂质膜结构，损伤膜整合蛋白尤其是光系统II核心蛋白，进而影响光合作用效率和植物生产力。因此，在环境条件波动下，及时修复光系统II蛋白对维持光合系统稳态具有关键作用。

近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员Chanhong Kim团队的研究揭示了温度变化导致的膜流动性差异对PSII修复机制的影响。研究发现，在低温条件下，缺乏FtsH2蛋白酶的突变体表现出冷敏感性，而对高温不敏感。在冷胁迫下，膜流动性降低，需要增强FtsH2与其他成分组成的复合物的底物提取能力而非依赖其蛋白酶降解功能，以维持PSII的功能。而在较高温度下，膜流动性增加，使得其他FtsH组分足以维持底物提取，表明不同温度条件下膜流动性对PSII修复过程的重要性及其热力学特征。

该研究深化了我们对温度胁迫如何通过改变膜流动性来影响植物生物学过程的理解，并为探索叶绿体功能和压力适应提供了新视角。这一成果对于理解光合作用适应性和提高作物抗逆性具有重要意义。

原文链接：https://academic.oup.com/plcell/ ... ext&login=false

4《Cell Reports》丨新型单细胞谱系追踪技术问世

DuTracer设计及其在类器官中的应用示意图

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦研究团队开发出新型单细胞谱系示踪技术（DuTracer）。这一技术通过巧妙结合CRISPR-Cas9和Cas12a两种基因编辑工具，提升了细胞谱系追踪的精度和深度，为解析胚胎发育、器官再生和疾病机制提供了新工具。

生物学中，细胞谱系示踪类似于绘制细胞家族树，来追溯细胞从起源到分化的完整历程。传统方法因技术限制致使信息记录不全，而基于CRISPR的基因编辑技术提高了分辨率，却存在靶点间大片段删除难题，如同在记录家族历史时丢失关键代际信息。

DuTracer的创新之处在于同时利用Cas9和Cas12a两种核酸酶，并通过控制它们的激活时间，避免多靶点同时编辑引发的干扰。实验显示，该技术在小鼠胚胎干细胞和类器官模型中降低了90%以上的有害删除事件，且记录的细胞分裂层级更深，能够更精准地还原细胞分化路径。

该研究在HEK293T细胞和小鼠胚胎类器官中验证了DuTracer的性能。结果显示，该技术能够清晰区分心脏细胞的不同起源如第一心域和第二心域，并可以揭示神经中胚层前体细胞的分化偏好性。

DuTracer为单细胞水平的谱系追踪设立了新标准。同时，这一技术适用于胚胎发育研究，并有望用于解析癌症转移、器官再生等复杂过程。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2211124724014566

5《JACS》丨小孔径大用途，新型COFs的集水奇迹

共价有机框架拓扑结构研究取得进展

随着水资源短缺问题日益严重，中国科学院国家纳米科学中心韩宝航课题组和施兴华课题组，联合中国科学院大学何裕建课题组开发了一种新型材料来帮助从空气中捕水。这种材料是由两种具有类似三叶草形状孔洞的共价有机框架（简称clv-COFs）组成，并展示了新的kgd-v拓扑结构。这些材料特别擅长在低湿度环境下捕获水分。

通常来说，孔径小于1.2纳米的材料能够在相对湿度低于70%的情况下高效地吸收水分。这项研究中，通过使用C2v-和C3-对称单体构建了这两种新型COFs材料，它们不仅拥有理想的孔径大小，还简化了制造过程。测试表明，这两种材料的孔径分别为1.0纳米和1.2纳米，且具有很好的结晶性。

实验结果显示，clv-COF-1材料能在相对湿度为50%时吸收高达131毫克/克的水分，并在一个集水周期内仅需100分钟即可完成吸水过程。在实际应用条件下（28°C、相对湿度45%），clv-COF-1每天每千克材料能够收集大约1.73升水。这表明该材料在缓解水资源短缺方面有巨大潜力。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12973

6《Advanced Functional Materials》丨双效合一：NFN@C纳米催化剂的抗癌潜力

NFN@C催化剂的合成及肿瘤催化治疗示意图

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员王辉与张欣课题组合作，依托稳态强磁场实验装置电子顺磁共振测量技术，研发出新型碳包覆铁酸镍纳米催化剂（NFN@C），并发现NFN@C在抗肿瘤治疗方面的潜力。

该研究将镍元素掺入Fe₃O₄晶体结构中，设计出具有碳包覆层的铁酸镍纳米催化剂。镍的掺入调节了纳米催化剂的电子结构，优化了纳米催化剂的催化性能，使纳米催化剂在肿瘤微环境中能够更高效地催化过氧化氢转化为羟基自由基，从而提升化学动力学治疗效果。研究利用电子顺磁共振测量技术，观测到羟基自由基的特征峰，发现镍掺入后羟基自由基信号增强，证实了电子密度调控对提升NFN@C芬顿反应效率的作用。同时，NFN@C在近红外二区光照射下展现出优异的光热转化能力，为肿瘤治疗提供了光热治疗与化学动力学治疗的协同作用，增强了其抗肿瘤效果。

研究团队还通过理论计算深入分析了镍掺入对NFN@C电子结构的影响。计算结果表明，镍的掺入改变了催化剂中反应活性中心的局域电子密度，降低了芬顿反应的活化能，提高了反应的选择性和效率。这一计算结果为优化催化剂设计提供了理论依据，并为类似纳米材料在其他应用中的优化提供了新思路。

实验结果显示，NFN@C在体外实验中展现了优异的抗肿瘤效果，并在动物实验中证明了其优越的肿瘤抑制能力。结合近红外二区光照射，NFN@C能够提高肿瘤细胞的死亡率，展现出更强的治疗效应。该纳米催化剂的优化设计增强了催化活性，有望为未来的癌症治疗提供新方向。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.w ... 1002/adfm.202422270