【科创热榜前沿科技周报】-80期转贴

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前沿科技盘点〔80〕丨水凝胶应用又“斜杠”到这一领域；清北携手，用石墨烯做“三明治” 原文链接：https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/zt ... 0240219_149270.html
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近日，清华大学生命科学学院王宏伟课题组和北京大学化学与分子工程学院彭海琳课题组合作开发了一种基于石墨烯“三明治”结构的冷冻电镜生物样品制备方法，用以高分辨冷冻电镜重构。另一种与石墨烯重要性相匹敌、近年来频频“刷屏”的明星材料是水凝胶。除了我们所熟知的作为光纤、4D打印材料之外，此次水凝胶又“斜杠”到了生物医学的止血应用上。

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，为大家带来第八十期。

1 《Advanced Materials》丨水凝胶应用又“斜杠”到这一领域

可注射、自膨胀/自推进及抗菌性水凝胶粘合剂的制备

出血是创伤性损伤死亡的主要原因，大量失血通常会导致严重的并发症，包括低血压和多器官功能障碍。生活中，我们所遇到不可按压出血的情况占30-40%；现代战争中，不可按压出血的情况更是高达90%。可见，快速有效的出血控制对于致死性或不可按压出血（如内脏或高压动脉出血）至关重要。

西安交大郭保林和憨勇团队在前期研究基础上，在水凝胶粘合剂中引入自膨胀和自推进性能特点，开发了一种可注射可降解的席夫碱水凝胶生物活性粘合剂。这种生物活性粘合剂具有优异的抗菌和促凝血性能、快速自膨胀和自推进性能，以及良好的湿组织粘附性，可用于快速控制大出血。用氧化葡聚糖交联月桂酸修饰的QCS和没食子酸修饰的QCS形成水凝胶网络。此外，将多孔碳酸钙和乙酸之间的发泡反应引入到上述双组分水凝胶系统中，以提供自膨胀和自推进性能。

该水凝胶在大鼠肝脏和股动脉出血模型、兔肝体积缺损出血模型、兔腹腔盲视野出血模型和致死性猪锁骨下动脉/静脉横断不可按压出血模型中表现出良好的止血能力，较明胶海绵组而言，失血量更少、止血时间更短。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202308701

2 《PNAS》丨清北携手，用石墨烯做 “三明治”

石墨烯“三明治”结构应用于冷冻电镜结构解析

样品制备是冷冻电镜技术解析生物样品高分辨率结构的主要限速步骤。在这个过程中，气液界面效应、背景噪音和优势取向等问题可能导致冷冻电镜结构解析失败，或者重复性较差。石墨烯这种材料，因其低背景噪音、高机械强度和高导电性等出色特性，被用作冷冻电镜样品制备支撑膜以提升样品质量。

近日，清华大学生命科学学院王宏伟课题组和北京大学化学与分子工程学院彭海琳课题组合作开发了一种基于石墨烯“三明治”结构的冷冻电镜生物样品制备方法，用以高分辨冷冻电镜重构。

常规石墨烯膜制备冷冻电镜样品的方法能够增加颗粒吸附，减轻气液界面带来的干扰。然而，石墨烯支持膜仅存在于冰层一侧，不能消除另一侧气液界面对样品的影响；并且在支撑膜亲水性不佳时，容易出现样品脱水的现象。为解决这一问题，研究团队开发了一种石墨烯“三明治”技术，在生物样品溶液两侧都铺设石墨烯支持膜，对生物样品进行封装，进而制备冷冻电镜样品，从而彻底避免气液界面等问题的影响。采用这种方法制备冷冻样品，研究团队成功获得了成像质量更高的冷冻电镜数据，解析了去铁铁蛋白、20S蛋白酶体和新冠病毒刺突蛋白的高分辨冷冻电镜结构。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309384121

3 《Science Advances》丨地球的前世今生，我们了解的还远远不够

早期星胚熔融挥发过程中硫、硒和碲同位素分馏

挥发性元素，如碳、氢、硫和氮等，对生命至关重要。弄清地球如何增生这些挥发性元素，是理解类地行星形成和演化的关键，也是进一步理解地球如何演化成可宜居星球的基础。传统理论认为，形成地球的初始物质严重缺乏挥发份，而目前地球所具有的挥发份丰度主要是在增生晚期通过加入少量富含挥发份的外太阳系物质形成的。这一过程发生在地核形成之后，也被称为“后期增生模型”，也即构成生命的大多数元素是在地球形成之后才到达地球的。

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院王文忠特任教授与多位国际学者合作，研究类地行星增生演化过程中的同位素分馏，发现地球在早期吸积阶段就已经积聚了足够多的挥发性元素，而吸积形成的星胚熔融挥发进一步重塑了地球的挥发份含量。

这项研究挑战了传统的“后期增生”理论。这不仅改变了我们对行星演化的理解，也为进一步研究行星形成分异与宜居环境演化之间的关系提供了新的视角。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0670

4 《Nature Physics》丨用离子阱芯片囚禁二维离子晶体后，他们首次发现……

（a）离子阱芯片结构示意图（b）离子阱芯片的扫描电镜图像（c）装配在真空腔中的离子阱芯片

离子阱的原理是利用电荷和磁场间的作用力约束、控制带电粒子。当下离子阱系统是量子信息研究的热门领域之一，拥有相干时间长、量子门保真度高等优点，被广泛用于量子计算与量子模拟。目前绝大多数离子阱量子信息处理都在一维离子链上完成，而二维离子晶体可大幅提升离子阱系统的可拓展性并用于探索新奇二维量子物理。过去十年间，国内外研究团队多次尝试将离子阱拓展到二维，然而受限于微振动等问题一直未能实现。

近日，清华大学物理系金奇奂教授团队开展的一项新研究首次证明了二维离子晶体可用于量子信息处理。该研究基于团队自研的离子阱芯片囚禁二维离子晶体，并通过电磁诱导透明将镱离子（171Yb+）冷却到声子数小于1，随后在由4、7、10个离子组成的二维离子晶体上进行了量子模拟实验，通过绝热地降低横向磁场强度成功制备了伊辛（Ising）模型的基态，演示了二维离子晶体用于量子模拟的可调节性。研究人员还通过逆向绝热演化将已经制备的基态再次演化到初态，并通过其与未经绝热演化的初态的高度重合验证了整个过程的量子相干性。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-023-02378-9

5 《Nature Communications》丨既是毒药又是解药，自私杀手基因是怎么做到的？

孟德尔分离定律提出，在二倍体中，一个基因座上的两个等位基因以相同的概率被传递到后代中。然而，一类被称为杀手减数分裂驱动因子(killer meiotic drivers，KMDs)的自私基因会违反这一定律。一个属于杀手减数分裂驱动因子的自私基因会通过杀伤不携带该基因的配子，使自己以超过50%的频率出现在后代中。尽管这类自私杀手基因已经在动物、植物和真菌中被广泛地发现，但目前对它们的分子机制的理解十分有限。

近日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院杜立林实验室通过研究粟酒裂殖酵母的种内生殖隔离现象发现了两个自私杀手基因——cw9和cw27。它们都属于wtf基因家族，编码多次跨膜蛋白。wtf基因家族的自私杀手基因通过从不同位点起始转录的方式，生成一长一短两种蛋白产物。短的产物是毒药蛋白，对配子有杀伤作用；长的产物是解药蛋白，保护那些遗传了杀手基因的配子不被杀伤。在毒药蛋白和解药蛋白的共同作用下，只有那些不携带杀手基因的配子会被杀伤。解药蛋白只比毒药蛋白多出了N端的大约50个氨基酸。

研究人员进一步发现解药蛋白能与毒药蛋白相互作用，在解药蛋白上发生的泛素化修饰可以介导解药蛋白与毒药蛋白的复合体从反式高尔基网络到内体的转运，从而产生解毒的作用。wtf基因家族的自私杀手基因的毒药——解药对立双重性是由泛素化修饰介导的亚细胞定位改变所决定的。这一发现深化了对自私杀手基因分子机理的认识。（专栏作者 李潇潇）