本周，我国科学家开拓性创造相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型并在实践中加以验证，从而破解困扰科学界半世纪之久的海水直接电解制氢难题，被《Nature》审稿人誉为“重大突破”！新疆生地所发现一个新基因，在异源拟南芥和原位齿肋赤藓双体系中均证实转入该基因显著增强了转基因植物的黄萎病抗性，从而有望从分子育种角度攻克“棉花癌症”；清华大学建立高通量的检验蛋白相分能力的体系，筛选和鉴定了包含拟南芥在内的8种植物的相分离蛋白组，为研究植物中生物大分子相分离的功能奠定基础……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，为大家带来第二十四期。
1.《Nature》｜我国科学家实现海水无淡化原位直接电解制氢技术
相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢原理
11月30日，中国工程院谢和平院士与他指导的深圳大学、四川大学博士团队在《Nature》上发表了最新研究成果，提出物理力学与电化学相结合的全新思路，破解海水直接电解制氢面临的难题与挑战，开创海水无淡化原位直接电解制氢新原理与技术。
该成果通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应巧妙结合，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型，揭示了微米级气隙通路下界面压力差对海水自发相变传质的影响机制，形成了电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定电解制氢方法，破解了有害腐蚀性这一困扰海水电解制氢领域的半世纪难题。
与此同时，谢和平院士团队研制了全球首套400L/h海水原位直接电解制氢技术与装备，在深圳湾海水中连续运行超3200小时，令人信服的从海水中实现了稳定和规模化制氢过程。此外，该研究团队还进一步开发了酸性和碱性固态凝胶电解质。
《Nature》审稿人对该研究给予高度评价：“这项工作提供了一种有吸引力的策略，可以将非饮用水用于社会和生态中可持续燃料的生产，我认为这是一个重大突破！”
2.《德国应用化学》｜金属锂电池安全改善获得新进展
MFA电解液对金属锂电池安全性的改善示意图
近日，清华大学张强教授、东南大学程新兵教授、北京理工大学黄佳琦教授通过电解液溶剂的分子设计，在金属锂表面上高效地引入了富聚合物界面层，其较高的氟含量极大地提高了电解液与金属锂的热稳定性，成功地将金属锂软包电池热失控温度提升到了338℃。
研究组设计的二氟乙酸甲酯可以在金属锂负极表面发生Claison酯缩合反应，其特殊的–CHF2基团带来的亲核位点使其可以极快地形成富聚合物层，并且聚合物的高氟含量可以为界面层提供较好的热稳定性。
此外，原位形成的富聚合物的界面层因其高氟含量和柔韧性也赋予了金属锂软包电池优异的电化学性能，内刚外柔的界面层有效地抑制了锂枝晶的生成，将其循环寿命提升了四倍以上。
该研究显著地提高了电池热安全的临界温度，为安全操作和及时预警提供了更大的空间。此外，极高的电池“燃烧”温度可成功降低锂金属负极的安全风险。
3.《Plant Journal》｜超强抗性基因或可有效对抗“棉花癌症”
ScAPD1-like基因显著增强齿肋赤藓的抗黄萎病能力
棉花黄萎病俗称“棉花癌症”，而超强抗性基因的挖掘和获得是棉花抗黄萎病分子育种最为关键的一环。为此，中科院新疆生地所张道远研究团队从新疆本土极端抗逆苔藓齿肋赤藓中克隆到一个新的ScAPD1-like基因，研究团队利用多实验方法相结合、多植物体系共同验证系统揭示了该基因超强的抗黄萎病功能和抗病分子调控机制。
研究表明，ScAPD1-like基因能响应多种生物和非生物胁迫处理，作为转录因子该基因定位在细胞核，能结合RAV1,AC-element等多种顺式作用元件。并在异源拟南芥和原位齿肋赤藓双体系中均证实转入该基因显著增强了转基因植物的黄萎病抗性，而这种抗性的增强主要是通过减轻植物体内ROS损伤，提高（类）木质素含量来实现的。进一步，研究团队在拟南芥和齿肋赤藓中均证实了ScAPD1-like基因主要是通过直接结合PAL和C4H两个下游靶基因，激活苯丙烷通路，增加（类）木质素含量从而提高转基因植物的黄萎病抗性。
目前，该基因已进一步在棉花体内进行抗黄萎病功能鉴定及应用。
4.《Nature Electronics》｜清华大学在自旋电子器件的超快探测领域取得突破
超快磁光克尔测试系统及器件结构示意图（上），时间分辨的多值磁化状态写入过程（下）
近日，清华大学牵头的一个国际联合研究团队，在磁存储器件的超快自旋动力学探测方面取得突破。团队采用时间分辨的磁光克尔探测技术，结合空间分辨的微磁学模拟，首次报道了自旋轨道矩（SOT）磁存储器件在百皮秒时间尺度下的信息写入过程和自旋动力学机制，并实现了器件超快的多值存储和交换偏置调控。
团队设计开发了高速协同的光-电-磁耦合测试系统，突破了超快时空分辨的“电学泵浦+光学探测”的核心技术。探测器件“0”和“1”之间的磁矩状态在100ps时间分辨率下的翻转过程，相较于传统准静态的电学探测时间提升了4个数量级。
研究表明，通过在SOT器件中引入“铁磁/反铁磁”交换偏置结构，不仅可实现无需外磁场的信息写入操作，还能够提升信息写入速度，并实现器件的多值存储，还可以通过外磁场、电流脉冲宽度、脉冲电流大小等灵活调控。更重要的是，这种多值存储过程可以在百皮秒到纳秒的时间尺度完成，并在电学脉冲撤掉之后稳定保持，克服了以往热效应带来的器件弛豫现象。
该成果对于推动高速磁随机存储器的发展，以及其在存算一体、神经拟态计算方面的应用具有重要意义。
5.《Molecular Plant 》｜植物相分离蛋白鉴定新进展
（A）基于b-isox鉴定相分离蛋白的流程图。（B）韦恩图显示从拟南芥幼苗和花组织中鉴定到的具有相分离潜力的蛋白。（C）韦恩图显示从拟南芥在不同胁迫条件下鉴定到的具有相分离潜力的蛋白。（D）不同物种中鉴定得到的具有相分离潜力的蛋白的情况。Cr代表衣藻；Pp代表小立碗藓；Os代表水稻；Ta代表小麦；Zm代表玉米；At代表拟南芥；Br代表白菜；Sl代表番茄。
近日，清华大学生命学院方晓峰、邓海腾研究组利用大规模、高通量的蛋白质组学技术，同时建立高通量的检验蛋白相分能力的体系，筛选和鉴定了8种植物的相分离蛋白组，为研究植物中生物大分子相分离的功能奠定基础。
研究组首先从拟南芥的幼苗和花组织中的细胞裂解液中鉴定到985个具有相分离潜力的蛋白，命名为ProX。研究团队利用酵母系统异源表达ProX中70个RBPs蛋白，其中67%都可以形成明显的凝聚体，其余的RBPs在热激胁迫下也能形成凝聚体。说明该研究建立的方法能够高效地鉴定和验证候选的相分离蛋白。
该研究进一步鉴定了拟南芥在不同胁迫处理条件下的相分离蛋白，包括渗透胁迫、盐胁迫、热胁迫和氧化胁迫的ProX。结果显示，大约25%的蛋白为各种胁迫条件所特异富集的。
除了拟南芥，该研究还鉴定了其他具有代表性的7个物种中的相分离蛋白。这些物种的ProXs多种序列比对分析结果表明，尽管IDR的序列差异大，但是在各物种中的存在是保守的，表明相分离的能力在进化上可能是被正向选择的。
6.《PNAS》｜海洋所揭示文蛤分泌内源性红霉素助力构筑免疫屏障
文蛤在外套膜中合成红霉素
生活在充斥丰富微生物的浅海滩涂等栖息地的无脊椎动物，在没有特异性免疫系统的状况下，如何应对一个病原体密集的环境并正常生存？
为此，中科院海洋所刘保忠课题组以埋栖贝类文蛤为对象，通过系统研究发现，化学防御（如红霉素合成）结合粘液屏障，与贝类细胞和体液免疫组成的先天免疫系统一起，构成了其应对特定环境的免疫“盔甲”。
课题组在文蛤外套膜转录组分析中，惊奇地发现了红霉素合成过程的关键基因—红霉内酯合酶基因（MpES）。红霉素是一种高效的抗菌化合物，此前一直认为只能由细菌产生。科研人员首先通过色谱-质谱联用的方法确定红霉素存在于文蛤外套膜组织中，然后利用透射电镜、免疫组化等手段进一步定位并表征了外套膜中产生和储存红霉素的具体结构为一种粘液样细胞，且红霉素可以随粘液分泌到体外，抑菌试验结果证实了粘液具抗菌活性，而敲降MpES基因则影响体内红霉素合成。
遗传分析表明MpES在文蛤家系亲本和子代的基因型分离比符合孟德尔分离定律，支持了红霉素合成基因的动物源性；另外，在文蛤属近缘物种的相同细胞中也检测到了红霉素合成，提示产生抗生素的能力可能更广泛地存在于海洋无脊椎动物中。
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发表于 2024-4-8 09:07:59
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