【科创热榜前沿科技周报】-7期转贴

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前沿科技盘点〔7〕｜超冷原子量子模拟获得重大进展、水平转移基因增强昆虫“求偶欲”、“蛋白清洁工”协助制备减毒疫苗…… 原文链接：https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/zt ... 0230627_125823.html
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• 水平基因转移
• 量子模拟
• 环形RNA
• 甲醇酵母
• 脂肪酸
  

编者按：

汇聚中科院、工程院、医科院、农科院、985高校及新型研发机构等近200家科研院所、单位发布的研究成果，通过多源动态提取信息因子，按领域维度、期刊级别、创新载体、学者信息、时间梯度等多维度权重，经人工智能计算分析，国际科技创新中心网络服务平台开发了“科创热榜”的推荐榜单。

基于国际科技创新中心网络服务平台（www.ncsti.gov.cn）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，我们为大家带来第七期。

某些昆虫“求偶欲”的开关，竟然操控在细菌手中？科学家们首次系统大规模地整理研究了昆虫界的水平基因转移现象，得到了一些意想不到的收获；中科大用超冷原子量子模拟求解格点规范场理论热化问题，取得重大进展；科学家定量评估了塔河流域主要作物水-能源-粮食纽带指数，揭示主要作物资源投入效率；中科院陈玲玲研究组介绍了基于CRISPR–Cas13技术的环形RNA功能筛选新方法……本周的前沿科技盘点，将为您展开详细介绍。

1.《细胞》｜水平转移基因增强昆虫“求偶欲”

水平转移基因增强雄虫对雌虫求偶行为

生命的演化是一场流动的盛宴，基因不仅在亲代之间发生垂直转移，也时常跨越多个生物界进行水平转移，例如发生在细菌、病毒与人类之间的水平基因转移，是一部远未落幕的伤心血泪史，亦是一部关于进化的热血励志剧。水平基因转移的过程，总是凶险与机会并存。

昆虫，作为动物界最繁盛的类群，展现丰富的生物多样性，也是水平基因转移（HGT）的高发地。浙大农学院联合范德堡大学对昆虫的HGT展开了大数据筛查和系统研究，研究揭示，伴随着昆虫的适应性进化，HGT的结构和功能也随之变化，在进化过程中它们从受体昆虫基因组中获得了多次重复的内含子，从而免于被昆虫清除，达到在昆虫基因组中“存活”的目的。

水平基因转移在218昆虫中分布

这些HGT在昆虫体内到底发挥了什么作用？研究进一步揭示，蝴蝶和蛾均从李斯特菌中获得同一个HGT——LOC105383139，其有助于增强雄虫对雌虫求偶行为。该研究发现了细菌“成人之美”帮助昆虫求偶的新机制，也为重要农业害虫的绿色防控提供了新思路。

2.《科学》｜中科大用超冷原子量子模拟求解格点规范场理论热化问题

格点规范理论有助于我们理解下至凝聚态上至高能的很多物理现象，但是经典计算机求解复杂的规范场理论是一个公认的难题，因此就有了量子模拟的必要。

中科大研究团队开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等技术，在超冷原子量子模拟器中提出并实现了光晶格中原子的深度制冷，首次实现了利用大规模量子模拟器对格点规范场理论量子相变过程的实验模拟，验证了过程中的规范不变性。

在以上研究的基础上，团队首次实验研究了规范对称性约束对量子多体系统热化动力学的影响，并且观测到具有相同守恒量的不同初态热化到同一个平衡态的过程，验证了热化过程造成的量子多体系统初态信息的“丢失”，建立了规范场理论早期非平衡动力学与最终热平衡态之间的联系。

《科学》杂志审稿人对此给予高度评价，认为该研究 “代表了量子模拟研究领域的前沿。”

3.《Agricultural Water Management》｜塔里木河流域水-能源-粮食纽带综合评估

1990-2019年塔里木河流域主要作物农业能源投入占比

塔里木河，靠着天山、昆仑山的冰雪融水滋养，如一匹“无缰之马”，漫流于塔里木盆地之上，是南疆人民赖以生存的母亲河。上世纪中叶，塔河下游断流，导致水草丰茂的罗布泊变为干涸枯寂的生命禁区。因此，做好塔里木河水资源消耗的科学评估，对区域可持续发展至关重要。

中科院陈亚宁研究团队基于气象、统计和调研数据，定量评估了塔里木河流域主要作物水-能源-粮食纽带指数，揭示主要作物资源投入效率。研究显示1990-2019年，塔里木河流域主要作物水稻、小麦、玉米和棉花的平均水-能源-粮食纽带指数分别为0.40，0.45，0.43，0.35，这意味着小麦对水资源的需求量更低，棉花最高。这些数据为当地农业生产策略的调整提供了有效参考。

4.《自然-生物技术》｜利用“蛋白清洁工”制备PROTAC病毒疫苗

论文截图

诺奖生物学家梅达沃曾将病毒描述为“一条包裹在蛋白质里的坏消息”，这条坏消息传播速度总是飞快，令宿主们饱受煎熬。如果能够破坏这条坏消息的蛋白质外壳，其复制能力与毒性是否会大打折扣？

在天然细胞内，约80%的蛋白质的降解过程需要依赖一种叫做“泛素-蛋白酶体系统”的途径来实现，即细胞内缺陷或受损的蛋白质会被“泛素”小蛋白标记，再由蛋白酶体识别和降解。

近年来，细胞内的“蛋白清洁工”—泛素-蛋白酶体系统已被成功用于PROTAC化学小分子药物开发。中科院司龙龙课题组借鉴PROTAC化学小分子药物的设计原理，把泛素—蛋白酶体系统可以降解靶蛋白的生物学机制运用到了PROTAC病毒疫苗的设计中。通过操控病毒蛋白降解，控制病毒的复制能力，将病毒减毒，使其成为潜在的减毒疫苗。为减毒病毒疫苗的设计开发提供了新思路。

5.《纳米能源》｜心脏里建起一座生理性“发电站”

基于A-PENG自供电起搏策略的潜在特点

设备微型化、供电持久化、设备植入微创或无创化、起搏方式生理化是未来心脏起搏器的发展方向。

与心脏的左右心房、心室相比，数毫米宽的希氏束显得微不足道，然而，它却是人体心电传导的“主干道”。新兴的希氏束起搏可以模拟心脏电活动由希氏束到心室的正常激动和传导，是心脏生理性起搏的优选方案。

武汉大学医学与物理联合研究团队探索了汇集较好的生物相容性、高供电性、拉伸性、防水性于一体式的柔性压电纳米发电机，可将心脏搏动的机械能，自动转化为电能并存储，为心房、心室、希氏束等多个位点起搏提供能量，同时，自供电起搏关键器件体积较小，宽度仅0.5cm，为未来起搏器设备微型化和植入微创化，提供了较好的探索方向和落地转化价值。

6.《Nature Protocols》｜基于CRISPR–Cas13技术的环形RNA功能筛选新方法

基于CRISPR–Cas13技术的环形RNA功能筛选流程

DNA有其标志性的双螺旋结构，RNA则有多种结构，例如转运RNA呈三叶草型，信使RNA是单链结构，环形RNA则是共价闭环的单链结构……闭环结构让环形RNA比线形RNA更加稳定，也更具保守性，是多种疾病的功能生物标志物和治疗靶点，因此，环形RNA成为近年来生物医学领域热门的研究方向之一。

细胞内大多数环形RNA是由mRNA前体的外显子通过反向剪接形成，除反向剪接位点外，环形RNA在序列上与其同源的线形RNA在一级序列上完全一致，在研究环形RNA功能时如何将其与同源线性RNA的功能区分开来是领域中的一个难题。

中科院陈玲玲研究组前期开发并优化了基于CRISPR–Cas13的RNA编辑技术，能够特异性敲除靶标环形RNA，而不影响其同源线性RNA的表达，并成功应用在环形RNA的大规模功能筛选上。研究组受Nature Protocols期刊邀请详细介绍该技术的实验方法和流程，以期推动该技术在环形RNA功能研究领域的应用。

7.《自然-代谢》｜甲醇生物转化高效合成脂肪酸衍生物

论文截图

传统动、植物油脂产量有限，难以满足人类日益增长的广泛需求，亟待发展油脂生产新技术。甲醇能量密度较高、来源广泛，甲醇生物转化可建立不依赖于耕地的脂肪酸供给路线，然而，微生物细胞中甲醇代谢复杂，难以实现高效定向转化。

大连化物所周雍进团队以甲醇酵母为细胞催化剂，通过实验室适应性进化获得的驯化菌株，并在转录组学指导下，重排了细胞内全局代谢，强化了前体乙酰辅酶A和辅因子NADPH的供给，使汉逊酵母以甲醇为唯一碳源高效合成了脂肪酸。

此外，团队在毕赤酵母中发现，在甲醇代谢过程中，甲醛的积累影响甲醇生物转化效率。团队通过优化细胞中心代谢与辅因子再生过程、强化甲醇代谢路径，大幅减少了甲醛积累，提高了脂肪酸产量。团队还采用代谢切换的策略，快速将脂肪酸生产菌株改造为脂肪醇细胞工厂，简化了菌株构建过程，实现较为理想的脂肪醇产量。