復旦大學物理學系張遠波課題組取得二維高溫超導體研究進展
近日，復旦大學物理學系、應用表面物理國家重點實驗室張遠波課題組及合作者在二維銅基超導體領域的研究取得進展。團隊首次提供直接實驗證據，證明了二維極限下的單層銅基超導體具有和塊體銅基超導體相同的超導特性。北京時間10月31日凌晨，該項研究以《單層鉍鍶鈣銅氧中的高溫超導性》（“High-temperature superconductivity in monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ”）為題，以研究長文形式在線發表於國際學術期刊《自然》（Nature）雜誌主刊。
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張遠波在實驗室（攝於2012年）
復旦大學物理學系教授張遠波，中國科學技術大學物理系教授陳仙輝，復旦大學物理學系博士生馬立國為論文共同通訊作者。物理學系博士後於逸駿，博士生馬立國，博士後蔡鵬為論文共同第一作者。美國布魯克海文國家實驗室教授顧根大、博士鍾瑞丹為研究提供了實驗所需的高質量晶體，復旦大學物理學系教授沈健和博士後葉存共同參與此項研究。
▍走近二維極限下的銅基超導體系
1986年，物理學家J. Georg Bednorz和K. Alex Müller首次發現銅基高溫超導體，並在次年因該項工作被授予諾貝爾物理學獎。目前，在1個大氣壓下，銅基超導體的超導臨界溫度最高達134開爾文（-139℃），仍保持著常壓條件下超導臨界溫度的記錄。
有意思的是，迄今合成的數十種銅基超導體雖組分彼此有別，超導臨界溫度也各不相同，卻都具有相似的層狀原子結構：它們的核心結構皆由銅氧面（由銅原子和氧原子構成的原子平面）和由其它原子構成的平面經層層交替堆疊而成。為什麼高溫超導體會紛紛選擇這一層狀結構？面對這一謎題，人們至今沒有完整的認識。
由此，一個頗為有趣的問題被引出——如果將這些層狀銅基超導體減薄至二維極限，也即僅僅一個最小的完整結構單元，其是否仍具備相同的高溫超導特性？帶著這樣的疑問，從一種具有代表性的銅基超導體鉍鍶鈣銅氧（B
i2Sr2CaCu2O8+δ，簡稱Bi-2212）出發，張遠波課題組開啟了一場在高溫超導體上尋找維度效應的4年之旅。“不論是高溫超導態本身，還是與其有關的諸多關聯電子態，本質上都是二維現象。”結合輸運和掃描隧道顯微學及譜學數據，團隊最終發現二維極限下的單層Bi-2212已具備高溫超導所需的一切因素。這一結論為高溫超導的二維理論模型，和既有高溫超導塊體材料表面研究的有效性提供了更加堅實的實驗基礎。
▍探索對極不穩定二維材料的研究方法
在結論之外，該項工作對極不穩定二維材料之研究方法的技術探索亦十分可貴，拓展了有關二維材料研究的視野。
據成員回憶，團隊通過使用經氧等離子體處理的氧化硅作為襯底，成功地解理得到大面積單層（即半個原胞厚度的）Bi-2212單晶，卻在對單層樣品的研究上遭遇瓶頸，不得不展開一場“攻堅戰”。
原來，一般認為塊體的Bi-2212在大氣環境下非常穩定，而實驗發現單層Bi-2212卻是一種對大氣及環境溫度極其敏感的材料：痕量的水就會完全破壞其晶體結構，使其不可逆地變質；而略微的加熱就會使其結構中用來提供超導所需的載流子的間隙氧揮發逃離晶體。在當時所有可用的微納加工手段下，樣品都會不可避免地經過液相化學環境，或經歷不同程度的加熱，想要得到由本徵單層Bi-2212晶體構成的器件成了一件一時無從談起的事。
面對這樣的困難，團隊的選擇，是歷時1年多的不斷試錯。最終，一套製備單層Bi-2212輸運器件的完整方案走向成熟：所有的製備都在零下40℃的惰性氣體環境中完成；在電極的製備過程中，果斷摒棄了可能造成失氧的常規真空鍍膜技術，自主開發微電極冷焊技術，將銦/金箔電極在低溫下直接與薄層樣品接合。
利用這一方案，單層Bi-2212單晶中的高質量超導轉變第一次展現在團隊眼前。在測量過程中，團隊又通過對單層樣品進行原位的退火調控其載流子濃度，在單層樣品中得到相圖，完美復現了塊體材料的相圖。實驗發現，單層Bi-2212在最佳摻雜狀態下的超導轉變溫度與塊體材料的數據相比幾乎完全一致，差別在實驗誤差範圍之內。
在充分理解了單層Bi-2212的變質機制後，團隊進一步對單層銅基超導體進行了掃描隧道顯微學和譜學研究，而這同樣並非易事。掃描隧道顯微鏡對於樣品質量的要求非常苛刻，為此，團隊對已有實驗設備進行了改裝和升級，將單層樣品的製備工藝拓展到超高真空環境中，使樣品質量得到了進一步提升。對掃描隧道顯微鏡得到的高質量拓撲形貌數據及空間分辨的能譜數據的分析表明，單層Bi-2212相圖中的超導態、贗能隙態、電荷密度波態、以及模特絕緣態也都和塊體行為保持一致。
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掃描隧道顯微鏡下的單層Bi-2212
復旦大學魯伯壎、丁澦、費義豔團隊合作研發亨廷頓病潛在新藥
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魯伯壎教授和學生
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丁澦副教授和學生
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費義豔副研究員和學生
亨廷頓病（或稱亨廷頓舞蹈症）位列四大神經退行性疾病之一，臨床表現為不自主的舞蹈樣動作、認知障礙、精神異常等症狀。由於引起該病的變異亨廷頓蛋白（mHTT）生化活性未知，無法靶向，傳統依靠阻斷劑以阻斷致病蛋白活性的方法並不適用。
近日，復旦大學生命科學學院魯伯壎與丁澦課題組（醫學神經生物學國家重點實驗室、腦科學教育部前沿科學中心）和復旦大學信息科學與工程學院光科學與工程系費義豔課題組（微納光子結構教育部重點實驗室）等多學科團隊通力合作，開創性地提出基於自噬小體綁定化合物（ATTEC）的藥物研發原創概念，並巧妙地通過基於化合物芯片和前沿光學方法的篩選，發現了特異性降低亨廷頓病致病蛋白的小分子化合物，有望為亨廷頓病的臨床治療帶來新曙光。
北京時間10月31日凌晨，相關研究成果《HTT-LC3連接化合物對變異HTT蛋白的等位基因選擇性降低》（“Allele-selective Lowering of Mutant HTT Protein by HTT-LC3 Linker Compounds”）以長文(Article)形式發表於《自然》（Nature）主刊。魯伯壎、費義豔和丁澦為該論文通訊作者，復旦大學博士生李朝陽、王岑、王紫英和朱成鋼為第一作者。該研究工作受到了國家自然科學基金委以及國家科技部等多個項目的資助。
▍開闢新思路：“小分子膠水”助力細胞自噬“吞沒”致病蛋白
既然運用阻斷劑阻斷或抑制致病蛋白的傳統道路行不通，團隊另闢蹊徑，著眼於駕馭細胞自噬這一細胞內蛋白降解途徑以有效降低變異亨廷頓蛋白水平。在自噬過程中，關鍵蛋白LC3被脂化後聚合擴增，形成膜結構，並將蛋白、脂類、細胞器等降解目標包裹於其中，形成完整的自噬小體（autophagosome），與溶酶體融合後，其中包裹的物質得以降解。
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以致病蛋白mHTT為例，該細胞自噬過程簡單示意圖
然而，自噬的降解功能強大，若自噬功能整體增強而缺乏特異性，會降解所有包裹進自噬小體的蛋白，這樣一來，承擔著神經保護功能的正常野生型亨廷頓蛋白以及其它發揮重要功能的蛋白也易被“誤吞”。傷敵一千，卻自損八百，並非理想之策。
如何在排除野生型亨廷頓蛋白的情況下，特異性地綁定致病蛋白進入自噬小體？團隊設想發明一種小分子綁定化合物ATTEC （Autophagosome Tethering Compounds），或稱之為“小分子膠水”，能夠直瞄靶心，牢牢地將LC3及致病蛋白（或其他致病物質）黏在一起，進而將致病蛋白包裹進入自噬小體進行降解。同時，“小分子膠水”並不黏附野生型亨廷頓蛋白，使其得以安然無恙。經過篩選、純化及系列細胞實驗後，團隊共獲四個符合要求的理想化合物。
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發光的小分子膠水連接了致病蛋白mHTT（藍色）和自噬小體蛋白（紫色），將其帶入自噬小體進一步降解
至此，研究所得分子已具備滿足理想條件的理論可行性，而是否可適用於動物細胞和人體細胞，通過給藥達到預期功效，則需進一步研究驗證。
團隊發現，這四個化合物在小鼠神經元、亨廷頓病病人細胞以及亨廷頓病果蠅模型中，均可顯著降低變異亨廷頓蛋白水平，而對野生型亨廷頓蛋白水平幾乎沒有影響，且起效濃度在納摩爾級別（~10 nM）。更令團隊感到驚喜的是，“這四種化合物中有至少兩種，可以跨過血腦屏障，並通過低劑量腹腔給藥直接降低亨廷頓病小鼠的大腦皮層及紋狀體的變異亨廷頓蛋白水平，而不影響腦組織中的野生型亨廷頓蛋白水平，也改善了
疾病相關的表型，為亨廷頓病口服或注射藥物的研發提供了切入點。”魯伯壎介紹道。▍學科新交叉：小分子芯片和光學檢測技術實現高通量篩選
事實上，此類“小分子膠水”並不好找。若逐一對數千種化合物進行細胞分析檢驗，以從中甄別出符合理想性狀的幾種目標分子，無疑如大海撈針，這也一度成為團隊研究道路上的一大障礙。
而信息科學與工程學院光科學與工程系費義豔課題組的加盟則為“小分子膠水”的發現帶來了新的可能。該課題組發展了基於小分子芯片（Small Molecule Microarray, SMM）和免標記斜入射光反射差（Oblique-Incidence Reflectivity Difference, OI-RD）技術的新型高通量藥物篩選平臺，能夠快速、靈敏、無標記地從成千上萬種小分子化合物中找到與靶標蛋白結合的小分子。
課題組將近四千種小分子化合物點樣於芯片上，當靶標蛋白流過時，若它能夠與固定在芯片上的特定小分子結合，則該位置的分子層厚度增加，這一微小變化即可被光學方法（斜入射光反射差技術）靈敏檢測。採用這種新型的藥物篩選方法，課題組共找到兩種小分子，它們既能夠與LC3蛋白結合，也能夠與變異亨廷頓蛋白結合，但不與野生型亨廷頓蛋白結合。通過對具有類似結構的小分子化合物的檢測，共獲得四種可綁定LC3與變異亨廷頓蛋白的“小分子膠水”。
▍應用新前景：自噬小體綁定化合物打造藥物研發新概念
團隊決定打破砂鍋問到底，進一步探究這些小分子化合物能夠區分變異亨廷頓蛋白與野生型亨廷頓蛋白的內在機制。變異亨廷頓蛋白和正常蛋白結構基本無異，唯一的差別就在於變異蛋白含有過長的谷氨醯胺重複（polyQ）。而這些化合物之所以能夠“明辨忠奸”，正是因為其可選擇性地結合變異亨廷頓蛋白所特有的過長polyQ區域，根據這一特性對兩者予以區分。
依據這一特性，團隊意識到這些小分子化合物的用武之地也許遠不止亨廷頓病這一種疾病。目前已知有九種polyQ疾病，都是由特定的含有過長polyQ的突變蛋白所導致。脊髓小腦性共濟失調III型疾病就是一例，它是中國人群中發病率最高的polyQ疾病，臨床表現為運動的協調障礙、無法維持軀體姿勢和平衡等，可伴有突眼、腱反射亢進、面肌顫搐、肌痙攣等症狀。團隊利用復旦大學附屬華山醫院教授王堅課題組孫一忞醫生提供的共濟失調III型病人細胞進行了檢測，發現這些化合物均可以有效降低引起該病的變異蛋白（polyQ長度為74）水平，而不影響其野生型蛋白水平（polyQ長度為27）。
“這些化合物不僅可能對亨廷頓病的治療有效，也可能運用於其它polyQ疾病；自噬小體綁定化合物（ATTEC）這一藥物研發新概念，也有望應用於其它無法靶向的致病蛋白，甚至非蛋白的致病物質。”談及成果未來應用前景，魯伯壎充滿期待。
神經退行性疾病領域著名科學家Huda Zoghbi（美國科學院院士、科學突破獎（breakthrough prizes）獲得者）為該研究撰寫了專文評論，發表於Nature，正面評價推薦了此項研究。
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