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在製備單原子催化劑的普適性方法研究中取得新進展

實現相距一公里的高維量子糾纏分發

報道驅動腫瘤發生的表觀遺傳調控新機制

在空間面板數據模型的估計和選擇上獲得新進展

在鐵電量子隧道結亞納秒超快憶阻器研究中取得重要進展

在揭示水熱合成的流體行為研究中取得重要進展

解析致病菌細胞壁成分胞壁酸翻轉酶的結構和功能機制

在窄譜抗菌領域取得進展

解析人類膽汁鹽外排蛋白ABCB11的電鏡結構

[1] 在製備單原子催化劑的普適性方法研究中取得新進展

近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學物理系曾傑教授、周仕明副教授研究團隊

發展對襯底和金屬無選擇性的普適性單原子合成方法具有重要意義。研究人員在電化學三電極體系下進行電化學沉積，並通過陰極沉積和陽極沉積獲得了兩種Ir1/Co(OH)2單原子催化劑。此外，研究人員又探究了沉積條件（前驅體濃度、沉積圈數和沉積速率）對單原子形成的影響，發現當金屬的負載量低於某一限度時，可以獲得單原子；高於這一限度時則有金屬團簇或顆粒形成，這一變化類似於液相中晶體生長中的成核過程（圖1）。

電化學沉積製備單原子的機理研究。(a)陰極沉積示意圖；(b)陽極沉積示意圖；(c)在陰極沉積中，前驅體濃度、沉積量和單原子形成的關係；(d)在陽極沉積中，前驅體濃度、沉積量和單原子形成的關係。

為了證明該方法的普適性，研究人員又在氫氧化鈷、硫化鉬、氧化錳、氮摻雜的碳等襯底上成功獲得覆蓋3d、4d、5d金屬的單原子催化劑，並且對所製備的單原子催化劑的結構表徵後發現，陰極和陽極沉積獲得的同一單原子催化劑具有不同的電子結構，這為其在不同催化反應中的應用提供了可能。研究人員還對所得單原子催化劑在電催化水分解反應中的性能進行了探究。實驗結果表明，陰極沉積所得的一些催化劑在電催化析氫反應中表現出了優異的性能，同時，陽極沉積所得的一些催化劑在電催化析氧反應中也表現出了良好的性能。

該製備單原子催化劑的普適性方法不僅為單原子催化領域注入了新的活力，而且為今後系統性研究催化劑結構和性能之間的關係提供了新的思路。

[2] 實現相距一公里的高維量子糾纏分發

中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子通信實驗方面取得重要進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒研究組與暨南大學李朝暉教授，中山大學餘思遠教授等合作，首次實現公里級三維軌道角動量的糾纏分發。該研究成果發表在國際知名光學期刊Optica上。

量子糾纏作為量子通訊、量子精密測量和量子計算等量子信息過程的重要資源，其長距離分發對於量子技術的實用化及量子物理基本問題的檢驗至關重要。高維繫統擁有更高的信道容量，更強的抗竊聽能力以及更有效的量子計算能力。光子的軌道角動量是近年來被廣泛關注的高維繫統，在維度擴展性方面極具優勢。然而軌道角動量糾纏易受大氣湍流或光纖中模式串擾及模式色散的影響，在此之前僅能傳輸幾米的距離，並且侷限於二維糾纏的分發。

針對高維軌道角動量糾纏分發中面臨的問題，李傳鋒、黃運鋒研究組與暨南大學、中山大學研究組合作，自主研發了適用於光子空分複用的少模光纖，設計了軌道角動量模式色散預補償裝置，首次在1公里光纖中實現了三維軌道角動量糾纏光子對的分發。分發後的量子態通過廣義貝爾不等式（CGLMP不等式）的驗證，得到3個標準偏差的不等式違背，驗證了量子態的高維非局域性。針對在光纖中的模式色散退相干特性，研究組還提出了進一步擴展其維度和傳輸距離的實現方案。

高維軌道角動量糾纏分發實驗裝置圖

[3] 報道驅動腫瘤發生的表觀遺傳調控新機制

癌基因cMyc是一個重要的轉錄因子，調控約15%的人類基因表達，在腫瘤細胞的增殖、凋亡以及代謝重編程等方面發揮重要作用。然而，目前尚不清楚，cMyc是否通過轉錄以外的機制，來廣泛地調控基因的表達以及腫瘤的發生發展。

中國科學技術大學的張華鳳課題組、高平課題組聯合軍事醫學科學院段小濤課題組的研究發現，cMyc能夠促使琥珀酸脫氫複合酶（SDH complex）中的重要亞基SDHA乙酰化以及SDH複合酶失活，導致底物琥珀酸（succinate）的積累，進而上調組蛋白H3K4的三甲基化（H3K4Me3）水平以及基因的表達。該研究成果在線發表於Nature Metabolism期刊上。

機制方面，發現cMyc通過泛素連接酶SKP2促進線粒體中SIRT3的蛋白降解，從而導致SDHA的乙酰化上升。通過質譜進一步鑑定出SDHA受調控的乙酰化位點K335，小鼠實驗顯示SDHA的K335位點乙酰化在cMyc誘導腫瘤過程中起重要作用。進一步分析臨床病人彌散性大B細胞瘤（DLBCL）樣本發現，高表達cMyc的DLBCLs中，SIRT3發揮著抑癌因子的功能，而K335位乙酰化的SDHA發揮著促進腫瘤的作用。這一發現揭示了cMyc驅動的腫瘤發生過程中SDHA乙酰化修飾發揮的重要病理學作用。SDHA被認為是抑癌蛋白，它的失活突變體與多種腫瘤，例如副神經結瘤、乳腺癌、腎癌等，有一定程度的聯繫。這項研究表明，至少在彌散性大B細胞淋巴瘤中，SDHA通過乙酰化失活而極大地促進了cMyc異常表達的腫瘤的進展。因此，靶向SDHA的乙酰化將可能為此類腫瘤的臨床治療提供潛在的策略和手段。

[4] 在空間面板數據模型的估計和選擇上獲得新進展

近日，中國科學技術大學管理學院在時空面板數據模型的研究中取得重要進展，突破經典的廣義極大似然估計和廣義矩估計理論框架，提出了基於空間權重矩陣特徵分解的估計和模型選擇方法。相關論文在學術期刊《美國科學院院報》上發表。

現在很多大數據（環境，疫情，犯罪，物流，區域經濟等）呈現出時間和空間的複雜相依關係，由於時空的交互影響提高了對應的時空模型的估計難度。有別於已有的複雜估計方法，文章改變傳統的估計思路，充分利用時空數據的空間結構特徵，採用空間權重矩陣的特徵分解，

文章以 2008 年 1 月到 2013 年 12 月（72 個月） 138 個美國匹茲堡行政地區的犯罪數據為例做了示範。在這個例子中，犯罪數據重罪（Part I）和輕罪(Par II)在138個行政區的平均犯罪個數分佈如下圖：

文章還選取了 15 個區域社會經濟變量作為解釋變量，包括區域總人口、收入、失業率、貧苦率、非裔比例、教育水平等。模型的擬合程度指標R平方（接近1時，擬合程度高）達到 0.98，表明選擇的模型非常好的擬合了數據。數據分析結果可以用於以輕罪發生率預測重罪發生率，解釋犯罪學的“破窗理論”，分析重罪發生率和總人口、收入和貧困等的量化關係。

[5] 在鐵電量子隧道結亞納秒超快憶阻器研究中取得重要進展

近日，中國科學技術大學李曉光團隊在前期研究基礎上，基於鐵電隧道結量子隧穿效應，實現了具有亞納秒信息寫入速度的超快原型存儲器，並可用於構建存算一體人工神經網絡，該成果在線發表《自然通訊》雜誌上。

鐵電隧道結憶阻器的阻變特性和神經形態模擬計算。a. 鐵電隧道結量子隧穿效應概念示意圖。b. 施加不同幅值的600ps電脈衝實現隧道結電阻的連續調控。c. 可分辨的32個獨立電阻狀態保持特性。d. 鐵電隧道結阻變存儲器阻變次數測試。e. 鐵電隧道結STDP測試。f. 模擬神經網絡識別MNIST手寫數字的準確率隨訓練次數變化圖。

研究人員製備了高質量Ag/BaTiO3/Nb:SrTiO3鐵電隧道結，其中鐵電勢壘層厚為6個單胞（約2.4nm）。基於隧道結能帶的設計，以及其對阻變速度、開關比、操作電壓的調控，該原型存儲器信息寫入速度快至600ps（注：機械硬盤的速度約為1ms, 固態硬盤的約為1-10ms）、開關比達2個數量級，且其600ps的阻變速度在85℃時依然穩定（工業測試標準）；寫入電流密度4×103A/cm2，比目前其他新型存儲器低約3個量級；一個存儲單元具有32個非易失阻態；寫入的信息預計可在室溫穩定保持約100年；可重複擦寫次數達108-109次，遠超商用閃存壽命（約105次）。即使在極端高溫（225℃）環境下仍能進行信息的寫入，可實現高溫緊急情況備用。這些結果表明，該鐵電隧道結非易失存儲器具有超快、超低功耗、高密度、長壽命、耐高溫等優異特性，是目前綜合性能最好的非易失存儲器之一。特別是，該存儲器還由於鐵電隧穿層中疇的可連續翻轉特性能實現電阻的連續調節，而且這一憶阻特性可用於構建超快的人工突觸器件，從而用於開發超快人工神經網絡存算一體系統。人工神經網絡的模擬結果表明，利用該鐵電隧道結憶阻器構建的人工神經網絡可用於識別MNIST手寫數字，準確率可達90%以上。

[6] 在揭示水熱合成的流體行為研究中取得重要進展

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊與工程科學學院丁航教授課題組和吳恆安教授課題組合作，在間歇式水熱合成的流體行為研究領域取得重要進展。研究人員首次利用氧化石墨烯（GO）的液晶行為和凝膠化能力，藉助酚醛樹脂（PF）的固化定型作用，獲得具有環形極向結構的凝膠（GO / PF 凝膠），根據凝膠的微觀結構來揭示水熱合成中的流體行為。該成果發表於Cell Press材料學旗艦期刊Matter上。

研究人員發現，在水熱條件下，GO納米片在流體剪切力的作用下可以沿著流場的方向進行排列（圖1）。此外，GO納米片能夠通過與酚醛樹脂的原位交聯固定形成具有環形結構的軸對稱（類似於地球磁場分佈結構）凝膠。研究人員可以通過對凝膠形貌和結構的直接觀察分析，進而推測出水熱合成中的流體行為。據此，研究人員開展了加熱溫度、溶液粘度和反應釜尺寸/形貌等多個因素進行了研究。

利用GO的液晶行為和凝膠化能力揭示間歇式水熱合成中的流場。A，室溫下一杯冷水中存在的隨機流場。B，氧化石墨烯的液晶行為。C-E，GO納米片沿流線方向排列並由酚醛樹脂固定。F，GO與酚醛樹脂結合的分子結構圖。

研究結果表明，無論反應釜聚四氟乙烯內襯的大小和幾何形狀如何，水熱合成中的對流總是存在。對於特定的反應，溫差和反應釜內襯大小是影響對流的最主要因素（圖2）。反應釜體積越大，其中反應液體的傳熱就更不均勻，溫差越大，對流就更強烈。增強對流的作用與機械擾動相同，產物均勻性變差，尤其是會對運用水熱法規模化合成納米線、納米片或大塊凝膠材料等產生不可忽視的影響，更強的流場會產生更多的雜質或導致三維塊材內部結構不均勻等現象。

該研究進一步增進了對水熱合成法制備不同尺度和形狀的微納材料過程及機理的理解，對今後水熱法合成納米材料技術的發展具有重要的指導意義

[7] 解析致病菌細胞壁成分胞壁酸翻轉酶結構功能機制

中國科學技術大學陳宇星教授、周叢照教授和孫林峰教授課題組合作闡明瞭金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）胞壁酸（WTA）翻轉酶TarGH轉運WTA的機制和TarGH特異性抑制劑Targocil的抑制機制。該研究成果在線發表在微生物領域專業雜誌mBio上。

耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）是主要的臨床致病菌之一，其引發的感染難以治癒甚至可能致死。由於近年來抗生素濫用，出現了對所有的β-內酰胺類藥物都具有抗性的MRSA菌株。研究表明S. aureus細胞壁主要成分WTA是引起耐藥性的關鍵因素之一。在革蘭氏陽性菌中，WTA是一類共價連接在肽聚糖上的陰離子多聚物。WTA在細菌分裂、生物膜形成、宿主定殖以及細菌感染等過程中起著重要作用。因此，WTA合成路徑中的關鍵酶是新型抗菌藥物的重要靶點。在S. aureus中，WTA合成前體是N-乙酰葡糖胺修飾的多聚核糖醇長鏈，其通過共價鍵連接在錨定在細胞膜上的脂質載體Und-PP上。該Und-PP連接的多聚核糖醇長鏈前體先在細胞內完成合成，最後通過ABC轉運蛋白TarGH翻轉出細胞膜。作為最具潛力的抗生素靶標之一，TarGH及其抑制劑得到廣泛研究。先導化合物小分子Targocil是近期被鑑定出來特異性抑制TarGH效率較高的抑制劑，但是其抑制的分子機制並不清楚。

為闡明TarGH轉運WTA的機理以及Targocil的抑制機制，作者用冷凍電鏡方法，解析了金黃色葡萄球菌WTA翻轉酶TarGH的同源蛋白，來自Alicyclobacillus herbarius菌的TarGH結構。其同源性為50%。TarGH結構總體分辨率為3.9 Å，其核心結構區域分辨率達到3.6Å。由於未結合ATP，TarGH結構處於開口朝向細胞內的構象狀態。基於結構，作者計算出了底物轉運通道，通過對組成通道的氨基酸殘基性質分析並結合生理實驗，闡明瞭底物特異性識別機制。通過結構比對作者提出TarGH及其同源蛋白利用“曲柄連桿”原理來實現底物轉運的分子機制。具有類似結構特點的ABC轉運蛋白都可以利用這一機制通過相對微小的總體構象變化轉運較大的底物。作者進一步通過生化實驗和計算機模擬確定了Targocil結合TarGH的精確位點，並闡明瞭其抑制TarGH轉運胞壁酸的分子機制。研究結果將為設計和優化針對MRSA的新型抗生素提供結構基礎和理論指導。

[8] 在窄譜抗菌領域取得進展

近期，中國科學技術大學陽麗華副教授課題組首度發現，當把表面帶負電荷的納米球與細菌混合在一起時，納米球會選擇性吸附到球菌表面、卻不吸附到桿菌表面，而且這種基於細菌形貌選擇的識別機制受熵增驅動、且普適於組成和表面化學不同的多種納米球。基於這種物理識別機制、以及ROS極度有限的有效活性半徑（不足200 nm）（圖1上），研究人員猜想如果納米球具有光動力效應，那麼就可能在光照下高效清除球菌、卻不干擾桿菌（圖1中和底）。這一猜想得到了採用不同光動力納米球和多種細菌所做抗菌實驗的證實。相關研究成果發表在期刊The Journal of Physical Chemistry Letters 上。這項工作不僅首次揭示了細菌形貌在相似電荷納米球/細菌相互作用中的關鍵作用，還有望為過敏性皮炎等由於球菌在桿菌主導健康共生菌群的微環境中過度繁殖所引起的疾病提供一種新療法。

（上）光動力納米球（PNS）在光照下原位生成活性氧物質（ROS）。（中和底）帶負電荷納米球選擇性吸附到（中）球細菌表面、而不吸附到（底）桿菌表面。如果這些納米球具有光動力效應，它們在光照下可高效清除球菌、卻不干擾桿菌。

[9] 解析人類膽汁鹽外排蛋白ABCB11的電鏡結構

中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心和生命科學與醫學部陳宇星教授、周叢照教授、孫林峰教授課題組合作，利用冷凍電鏡技術解析了人類膽汁鹽外排蛋白ABCB11的近原子分辨率三維結構，為深入理解該類膜蛋白的轉運機制以及其突變引發的致病機理提供了基礎。該研究成果在線發表在《Cell Research》上。

研究表明，膽小管上的ABC膜轉運蛋白ABCB11是膽汁鹽外排到膽小管中最重要的蛋白。該蛋白編碼基因突變會導致各種膽汁淤積病症。自發現該基因的近20多年來，對ABCB11的研究報道持續不斷，但人們對該蛋白轉運膽汁鹽的機理仍然不清楚。作者藉助冷凍電鏡技術解析了該蛋白開放狀態下的3.5 Å 高分辨率的三維結構。該蛋白由1321個氨基酸殘基組成，以單體的形式發揮功能。結構上包含兩個彼此靠近的跨膜結構域（TMD）和兩個分開的胞內核算結合結構域（NDB）以及一個N端的α螺旋，整體呈現對肝細胞內開放的構象。

根據該結構提供的三維空間信息，作者對臨床上該蛋白的突變體致病機理進行了分析。作者發現，臨床樣本的突變會破壞蛋白質分子內部的相互作用，或者使蛋白錯誤摺疊，導致蛋白質轉運功能降低或者完全喪失，最終引發相關疾病。作者還對一系列膽汁鹽以及兩種抑制劑（利福平、格列本脲）的刺激ATP水解活性的進行了驗證，發現利福平和格列本脲以競爭方式抑制該蛋白的活性，這也是服用這類藥物導致肝損傷的主要原因之一。該項研究不僅對於該類蛋白的分子結構研究具有重要的參考意義，也為相關疾病的致病機理分析以及藥物開發設計提供了理論指導。

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