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深圳先進院 | 從海水“捕碳造物”——中國科研團隊打通人工海洋碳循環新路徑（Nature Catalysis）

北京時間2025年10月6日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所高翔課題組與電子科技大學夏川課題組合作，在國際高水平學術期刊Nature Catalysis上發表了題為Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers的研究成果。團隊率先提出并驗證人工海洋碳循環系統：面向天然海水場景高效捕集CO2，電催化制備可進入生物制造的平臺中間體，再經工程化微生物升級轉化為高價值分子與材料。研究以可降解材料單體為示范，凸顯“捕碳造物”的平臺能力與可擴展性，為我國“藍色經濟”、雙碳目標與綠色低碳技術創新提供新路徑。北京時間2025年10月6日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所高翔課題組與電子科技大學夏川課題組合作，在國際高水平學術期刊Nature Catalysis上發表了題為Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers的研究成果。團隊率先提出并驗證人工海洋碳循環系統：面向天然海水場景高效捕集CO2，電催化制備可進入生物制造的平臺中間體，再經工程化微生物升級轉化為高價值分子與材料。研究以可降解材料單體為示范，凸顯“捕碳造物”的平臺能力與可擴展性，為我國“藍色經濟”、雙碳目標與綠色低碳技術創新提供新路徑。文章上線截圖文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4海洋作為地球最大的碳匯，每年吸收逾四分之一人為排放的二氧化碳，是維系全球氣候穩定和碳循環的重要天然緩沖器。然而，隨著大氣中二氧化碳濃度的持續上升，不僅加劇了氣候變化，并且海洋因大量吸收二氧化碳而出現酸化現象，威脅海洋生態安全。如何把已入海的碳資源化并減緩酸化，是海洋治理與綠色制造的共同命題。此次研究團隊自主研發電解裝置，可在真實海水環境下連續穩定運行超過500小時，以較低的能耗高效捕獲海水中的二氧化碳；所捕獲碳源經電催化轉化為高純甲酸，再由工程化海洋微生物升級為琥珀酸等平臺分子。以琥珀酸為例，團隊完成了材料端示范（如可降解塑料PBS制備），用以驗證從“海水捕碳—平臺中間體—生物升級—終端應用”的端到端可行性；所獲替代型生物化學品在性質上與石化同類一致，體現可持續的海洋碳資源利用路徑。該研究驗證了“以海治碳”的技術可行性，也為我國推進海洋碳匯資源化提供了范例。面向應用，隨著技術優化與規模化推進，有望在近海實現“邊捕碳、邊產料”的一體化布局，帶動綠色分子與材料產業發展，促進藍色經濟高質量增長。該工作緊扣“雙碳”與“藍色經濟”方向，為氣候治理、生態保護與綠色產業提供新方案，彰顯了中國科研團隊在全球綠色低碳科技創新中的擔當與貢獻。圖1 擬建的人工海洋碳捕集與循環利用系統研究團隊提出“人工海洋碳循環系統”的總體思路。該系統包括兩個關鍵環節：首先，通過新型的電解裝置直接從海水中捕集二氧化碳，有效避免了電極鈍化和鹽類沉積等問題，實現長期穩定運行；其次，將捕獲的二氧化碳通過電化學與生物催化過程，轉化為可替代化石工業來源的生物化學品。該路徑貫通了從“海水捕碳”到“綠色分子與材料”的全鏈條，以可降解塑料單體為示范，凸顯其在碳循環、資源利用和環境治理中的戰略意義（圖1）。圖2 利用固態電解質電解槽從海水中捕集二氧化碳研究團隊開發了一種用于海水碳捕集的裝置，并在結構設計與運行穩定性方面取得了突破。該裝置能夠以天然海水為原料實現連續二氧化碳捕集，在實際條件下穩定運行超過500小時，顯著提升了系統的可靠性。實驗結果顯示，該裝置的碳捕獲效率超過70%，并可同步副產氫氣；其捕獲每噸二氧化碳的成本僅為229.9美元，展現出潛在的經濟競爭力。該成果不僅驗證了直接利用天然海水實現持續“捕碳”的可行性，也為將海洋碳匯轉化為綠色分子與材料、推動海洋經濟發展提供了新的可能性（圖2）。圖3 Bi-BEN 的結構表征研究團隊通過兩步法成功合成了Bi-BEN（鉍基金屬有機框架衍生）催化劑。首先經溶劑熱反應制備鉍基金屬有機框架材料，隨后在電化學原位重構過程中形成由有機配體修飾的Bi納米顆粒。通過單晶衍射、X射線吸收光譜等多種表征手段系統驗證了其結構特征，確認了該催化劑材料在實際工況條件下的真實結構（圖3）。圖4 Bi-BEN與Bi納米顆粒的二氧化碳電還原性能及機理研究研究團隊系統對比了Bi-BEN與未修飾Bi納米顆粒催化劑在二氧化碳電還原反應（CO2RR）中的性能差異。結果表明，Bi-BEN催化劑具有較高的催化活性和甲酸選擇性，在720 mA cm-2的甲酸偏電流密度下僅需-1.37 V（相對于可逆氫電極）的過電位，并且穩定性得到明顯提升。進一步結合原位光譜與理論計算分析發現，Bi-BEN 的優越性能源于有機配體對關鍵反應中間體HCOO*的穩定作用，從而協同提升了催化劑的活性、選擇性和穩定性（圖4）。圖5 甲酸的電化學生產及其向琥珀酸的微生物轉化為驗證依托海洋資源發展海洋經濟、利用海水制造綠色材料的可行性，研究團隊構建了電催化和生物催化的耦合過程，并以生物塑料為示例完成從捕碳到終端制品的貫通示范。首先，利用Bi-BEN催化劑并通過放大固態電解反應器獲得高濃度的純甲酸溶液，并在連續運行20天內保持穩定產出。隨后，工程化的海洋細菌Vibrio natriegens（需納弧菌）能夠以甲酸為唯一碳源實現高效生長，并將其進一步轉化為琥珀酸和乳酸。該“電催化+合成生物學”的耦合策略首次實現了海水碳捕集與生物塑料原料生產的銜接，形成面向多產物的通用平臺，為跨學科融合提供了新范式（圖5）。圖6 利用由二氧化碳合成的甲酸進行琥珀酸的生物發酵為驗證以二氧化碳合成的甲酸作為唯一碳源生產琥珀酸的工業可行性，研究人員系統展示了完整的生產過程：通過碳同位素（13C）標記實驗明確證實琥珀酸碳源來自甲酸；在1L與5L發酵罐完成從搖瓶到中試級的放大驗證。過程中產生的乳酸產物亦具備材料與化學品價值，提示路線具備并聯多產物潛力。結果表明，該系統具備實際放大與產業化可行性，標志著向“邊捕碳、邊產料”一體化模式邁出關鍵一步（圖6）。圖7 電催化+生物催化的集成系統圖8?電催化+生物催化捕獲海水中的碳用于合成多種塑料產品的示意圖該研究由中國科學院深圳先進技術研究院和電子科技大學等單位合作完成，電子科技大學博士生李成博為第一作者，中國科學院深圳先進技術研究院博士生郭明明為共同第一作者；夏川教授為最后通訊作者，高翔副研究員為共同通訊作者。項目負責人夏川教授和高翔副研究員表示：“我們希望通過這項技術，把海洋豐富的碳資源轉化為綠色高價值產品，實現碳減排、資源利用和產業升級的多重目標。這也是我國落實碳達峰碳中和戰略、建設海洋強國的重要科技支撐。”該工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、四川省杰出青年基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金和深圳市自然科學基金等項目的支持。通訊作者簡介：高翔，博士生導師，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員，中國科學院人才引進計劃和廣東省杰出青年入選者。實驗室聚焦生物-非生物雜合體人工光合技術，融合生物催化和光/電化學催化的優勢，創建超越自然功能的人工光合細胞工廠，開辟光/電能驅動CO?合成產物的新路徑，為解決糧食、能源和環境等問題提供創新解決方案。研究成果以第一和通訊（含共同）作者身份，發表在Nature Catalysis,Nature Chemistry,Nature Sustainability,Chemical Reviews等期刊；主持國家自然科學基金委青年科學基金項目（B類）和面上項目、中國科學院戰略先導科技專項(B類)、深圳市重點項目等。

2025-10-09

深圳先進院| 揭示T細胞抗原受體信號多樣性的脂質靜電調控機制（Mol Cell）

T細胞作為適應性免疫的關鍵角色，其激活依賴T細胞受體（TCR）對遞呈抗原的精準識別與信號傳遞。這一過程的異常不僅會導致免疫缺陷，還與腫瘤免疫逃逸、慢性感染中T細胞耗竭密切相關。長期以來，TCR信號如何實現“精準啟動”與“功能多樣性”一直是免疫領域的關鍵科學問題。作為抗原受體，TCR的核心功能在于將多樣的胞外抗原刺激信號轉化為胞內信號，從而指導精確的T細胞免疫程序。它由一個抗原識別亞基TCRαβ和三個信號亞基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ構成，其中四種CD3信號鏈的胞內區共含有10個免疫受體酪氨酸活化基序（Immunoreceptor activation tyrosine-based motif, ITAM），即20個可磷酸化的酪氨酸位點。這些位點如何通過磷酸化組合產生特異性的抗原信號，仍然是免疫學中的未解之謎。近期，多項冷凍電鏡研究報道了TCR-CD3復合體結構，然而CD3胞內信號區信息由于其無序性和高度動態性而缺失。因此，填補這一知識空白對于完整地理解抗原免疫應答至關重要。T細胞作為適應性免疫的關鍵角色，其激活依賴T細胞受體（TCR）對遞呈抗原的精準識別與信號傳遞。這一過程的異常不僅會導致免疫缺陷，還與腫瘤免疫逃逸、慢性感染中T細胞耗竭密切相關。長期以來，TCR信號如何實現“精準啟動”與“功能多樣性”一直是免疫領域的關鍵科學問題。作為抗原受體，TCR的核心功能在于將多樣的胞外抗原刺激信號轉化為胞內信號，從而指導精確的T細胞免疫程序。它由一個抗原識別亞基TCRαβ和三個信號亞基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ構成，其中四種CD3信號鏈的胞內區共含有10個免疫受體酪氨酸活化基序（Immunoreceptor activation tyrosine-based motif,ITAM），即20個可磷酸化的酪氨酸位點。這些位點如何通過磷酸化組合產生特異性的抗原信號，仍然是免疫學中的未解之謎。近期，多項冷凍電鏡研究報道了TCR-CD3復合體結構，然而CD3胞內信號區信息由于其無序性和高度動態性而缺失。因此，填補這一知識空白對于完整地理解抗原免疫應答至關重要。2025年10月2日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所施小山課題組、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心許琛琦課題組與上海科技大學王皞鵬課題組合作，在Molecular Cell雜志上發表了題為“Lipid-regulated phosphorylation hierarchy of the T cell receptor tyrosine motifs”的封面研究論文。該研究利用核磁共振、定量質譜和細胞實驗，解析了TCR-CD3復合物中關鍵信號亞基CD3ζ的胞內區結構以及磷酸化規律，揭示了正電基序（Basic residue Rich Sequence,BRS）與脂質相互作用在其中的關鍵調控機制，同時提出CD3ζ磷酸化不充分是T細胞功能耗竭的誘因之一，為合成免疫受體的理性設計提供了新思路。CD3ζζ同源二聚體是TCR-CD3復合物的主要信號亞基，每條CD3ζ的胞內區含有3個ITAM，由此貢獻了TCR中60%的可磷酸化酪氨酸位點。CD3ζ胞內區一直被用作嵌合抗原受體（CAR）的固定模塊，啟動其信號級聯反應。為攻克“無序且動態”的CD3ζ胞內區在結構解析上的技術難題，研究團隊采用模擬生理膜酸性磷脂環境的脂質雙分子層（bicelle）系統，結合溶液核磁共振（NMR）技術，成功解析了CD3ζ胞內信號區的動態結構。CD3ζ的3個ITAM基序呈現“N端到C端梯度膜插入”的異質性——N端的ITAM1膜插入程度最淺，中間的ITAM2膜插入程度居中，而C端的ITAM3膜插入程度最深。值得注意的是，ITAM的膜插入水平主要由其鄰近的BRS與脂質的相互作用調控，而非由ITAM自身序列決定。這一發現明確了CD3ζ ITAM結構異質性的分子基礎。結構的異質性往往對應功能的特異性，研究團隊進一步探究了ITAM膜插入差異對其磷酸化的影響。利用新型靶向定量質譜等技術，研究團隊發現了脂質依賴的磷酸化順序：在酸性脂質存在時，CD3ζ的3個ITAM呈現N端到C端的“順序磷酸化”——ITAM1磷酸化最快，ITAM2次之，ITAM3最慢；而在中性脂質環境中，這種順序性完全消失。這一結果表明，脂質通過調控ITAM的膜插入深度，直接決定了其被LCK激酶（TCR信號關鍵激酶）磷酸化的效率：膜插入淺的ITAM更易被激酶接觸，磷酸化更快；反之則更慢。為進一步驗證這一機制，研究團隊突變了CD3ζ的BRS基序，破壞ITAM的膜插入梯度，磷酸化的順序性也隨之瓦解。這些結果證實了“BRS-lipid”的靜電相互作用是CD3ζ順序磷酸化的核心驅動因素。TCR信號的精準調控不僅關乎生理免疫應答，更與病理狀態（如腫瘤、慢性感染）下的T細胞耗竭密切相關。研究團隊進一步探究了慢性TCR刺激（模擬腫瘤微環境或慢性感染）對CD3ζ磷酸化的影響。結果表明：T細胞在耗竭過程中CD3ζ的磷酸化模式發生顯著改變——C端的ITAM3的磷酸化衰減速度遠快于N端的ITAM1，這導致細胞中積累大量“部分磷酸化”的CD3ζ，進而引發TCR信號不足。慢性刺激過程中ATP耗竭是這一異常的關鍵原因，因為ATP不足使得膜插入程度高的酪氨酸不容易獲得磷酸化。這一發現為T細胞耗竭機制提供了新解釋：即除了免疫檢查點分子（如PD-1、LAG3等）外，TCR自身的磷酸化不足也是T細胞功能異常的重要原因。在多種人類腫瘤中，T細胞耗竭與TCR信號不足具有明確的相關性。綜上所述，該研究通過生物物理學、生物化學和免疫學的多學科交叉，解析了CD3ζ胞內區在生理酸性膜環境中的動態結構，闡明了靜電調控的ITAM的順序磷酸化規律，發現了T細胞耗竭的新機制，為免疫治療提供了新思路。中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所施小山研究員、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心許琛琦研究員以及上海科技大學王皞鵬研究員為該論文的共同通訊作者。分子細胞科學卓越創新中心李華副研究員、孟麗博士、深圳先進技術研究院褚純博士、分子細胞科學卓越創新中心李昌庭、楊皓晨為該論文的共同第一作者。本研究獲得了深圳合成生物研究重大科技基礎設施和深圳合成生物學創新研究院公共技術平臺提供的技術支持，特別是質譜平臺在數據采集過程中的專業支撐。該論文被選為封面故事：六孔長笛象征含六個酪氨酸磷酸化位點的CD3ζ。正如不同的笛子孔位組合可產生各種音調，不同的CD3ζ磷酸化組合也能產生多樣化的信號輸出，從而決定抗原免疫應答的特異性。封面插畫由許琛琦課題組的張雨萌同學創作。文章上線截圖原文鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(25)00746-4圖1 CD3ζ信號區的膜結合結構及其磷酸化層級性

2025-10-09

深圳先進院?| 多模態相似性評估器SynMSE 突破無監督多模態醫學圖像配準中復雜分布差異難題（Medical Image Analysis ）

近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所秦文健研究員團隊針對無監督配準算法在復雜多模態場景中面臨的挑戰，創新性提出了一種新的多模態相似性評估器（SynMSE），有效解決了配準過程中的分布差異難題。該成果以"SynMSE: A multimodal similarity evaluator for complex distribution discrepancy in unsupervised deformable multimodal medical image registration"為題，發表在醫學圖像分析領域知名期刊 Medical Image Analysis上。醫學圖像配準在放射治療計劃、手術導航及多模態影像融合中發揮著關鍵作用。然而，無監督多模態配準方法常常受到灰度分布差異、解剖結構異質性和生理運動變異的影響，導致配準精度不足。近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所秦文健研究員團隊針對無監督配準算法在復雜多模態場景中面臨的挑戰，創新性提出了一種新的多模態相似性評估器（SynMSE），有效解決了配準過程中的分布差異難題。該成果以"SynMSE: A multimodal similarity evaluator for complex distribution discrepancy in unsupervised deformable multimodal medical image registration"為題，發表在醫學圖像分析領域知名期刊 Medical Image Analysis上。研究團隊提出了一種全新的解耦空間與分布信息的無監督配準框架。具體而言，團隊設計了一個基于 Structure-Constrained CycleGAN 的生成器，用于模擬模態間的灰度差異并保持解剖拓撲一致性；同時，通過隨機變換與偽影像生成分離空間錯位與分布差異，使 SynMSE 評估器能夠忽略模態特有的灰度差異，聚焦于空間對齊，從而作為即插即用的相似性度量模塊無縫集成于任意配準網絡中。研究結果表明，SynMSE 在L2R 2022 CT-MR腹部數據集、臨床宮頸CT-MR數據集以及CuRIOUS MR-US腦數據集上均取得了最優配準性能。與傳統方法相比，SynMSE顯著提升了Dice系數、降低了HD95與TRE誤差，實現了在復雜模態差異下的高精度解剖結構對齊。圖4-圖6分別為所提出方法在三個數據集上的定性結果展示，紅色標注代表固定圖像的目標器官區域，黃色標注代表浮動圖像與配準后圖像的目標器官區域。表示圖中結果顯示，SynMSE更好的克服了多模態圖像間的復雜分布差異，不僅實現了更精確的配準效果，而且有效保持了組織邊界與解剖拓撲的完整性，明顯優于現有方法。中國科學院深圳先進技術研究院秦文健研究員為通訊作者，碩士生朱靜珂為第一作者。中國科學院深圳先進技術研究院謝耀欽研究員、遼寧省腫瘤醫院孫德宇、崔明，香港理工大學蔡璟教授為論文的共同作者。該研究獲得國自然聯合重點、深圳市基礎重點、國家重點研發、深港腫瘤圖像智能計算分析聯合實驗室和中國科學院青促會等項目支持。圖1：文章上線截圖，原文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361841525001677?sessionid=1950329661圖2：多模態醫學圖像配準的復雜分布差異問題圖3：所提出方法架構圖圖4：所提出方法與現有方法在L2R 2022 CT-MR腹部數據集上的定性效果圖5：所提出方法與現有方法在臨床宮頸CT-MR數據集上的定性效果圖6：所提出方法與現有方法在CuRIOUS MR-US腦數據集上的定性效果（黃色箭頭指向圖像上的較為明顯的腦溝等顯著結構）

2025-09-23

深圳先進院?| 開發劑量敏感的基因擾動組學技術（Nature Genetics）

基因劑量的變化在胚胎發育、疾病發生以及細胞命運決定過程中發揮著關鍵作用，其系統化解析對于精準理解生命過程至關重要。作為研究基因功能的核心策略，基因擾動近年來與單細胞組學的結合，使研究者能夠在全基因組尺度上系統解析基因的功能，并為虛擬細胞等人工智能模型的構建提供了寶貴的數據支撐。然而，現有的大規模基因擾動技術大多將基因功能簡化為“開/關”的二元模式，難以捕捉劑量依賴的連續效應。這種局限不僅削弱了對基因功能的全面理解，也可能在復雜生物學問題中引入不全面甚至錯誤的結論。基因劑量的變化在胚胎發育、疾病發生以及細胞命運決定過程中發揮著關鍵作用，其系統化解析對于精準理解生命過程至關重要。作為研究基因功能的核心策略，基因擾動近年來與單細胞組學的結合，使研究者能夠在全基因組尺度上系統解析基因的功能，并為虛擬細胞等人工智能模型的構建提供了寶貴的數據支撐。然而，現有的大規模基因擾動技術大多將基因功能簡化為“開/關”的二元模式，難以捕捉劑量依賴的連續效應。這種局限不僅削弱了對基因功能的全面理解，也可能在復雜生物學問題中引入不全面甚至錯誤的結論。2025年10月3日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所陳萬澤課題組與瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Bart Deplancke課題組合作，在Nature Genetics發表了題為"Dissecting the impact of transcription factor dose on cell reprogramming heterogeneity using scTF-seq"的研究成果。團隊開發了scTF-seq技術，實現了劑量敏感的大規模基因擾動單細胞組學，并以轉錄因子介導的細胞重編程為模型，系統揭示了基因劑量在細胞命運調控中未被充分認識的多層次、非線性復雜效應。為什么scTF-seq可以實現大劑量范圍的基因擾動并定量？巧妙利用Tet-on啟動子內在噪音和逆轉錄病毒基因組不同整合位置表達活性差異，進一步結合高滴度病毒轉導的拷貝數差異（有別于傳統大規模擾動中常用的低滴度方式）。這種設計使得即使單一Doxycycline濃度下，轉基因的劑量也可以達到平均60倍，最高1000倍的極寬劑量分布。并結合3’scRNA-seq兼容的條形碼，定量解析轉錄因子劑量與轉錄組變化之間的對應關系，從而首次在大規模基因擾動背景下實現了“劑量敏感”的功能解析。單基因的復雜非線性效應scTF-seq揭示了轉錄因子劑量并非簡單線性地影響細胞命運。例如，KLF4在不同劑量下分別驅動與骨骼形成、細胞結構組裝或上皮發育相關的不同基因表達模式，表現出高度非線性的調控特征。這些復雜劑量效應為解釋細胞重編程的異質性提供了重要線索。基因與其他細胞過程的互作研究還發現，基因劑量效應與細胞周期等其他細胞過程密切相關。CEBPA和PPARG在高劑量下促進細胞周期退出并推動脂肪分化，而MYCN則突破常規，在細胞持續增殖的同時驅動分化，但最終伴隨細胞死亡。這揭示了基因劑量、細胞周期與分化過程之間的精細耦合關系。多基因互作的劑量敏感性在組合擾動實驗中，研究者發現不同轉錄因子的相互作用不僅取決于基因組合本身，還強烈依賴于基因劑量。同一對轉錄因子組合在不同劑量下可表現為可逆轉的協同或拮抗作用，且這種效應具有基因特異性，進一步凸顯了基因網絡調控的復雜性。綜上，該研究表明，基因劑量不僅決定單個基因的功能，還塑造了基因與細胞過程的互作格局，以及多基因間的協同與競爭關系。scTF-seq為系統性地解析這些劑量依賴效應提供了新方法，產生的基因定量擾動數據也為精準細胞工程和虛擬細胞模型構建提供了關鍵支撐。該工作由中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所和瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）合作完成，陳萬澤研究員和Bart Deplancke教授為共同通訊作者，劉王杰（博士生）、Wouter Saelens（博士后）和Pernille Rainer（博士生）為共同第一作者。該工作獲得了重點研發計劃、國家自然科學基金委、深圳市醫學研究專項和深圳合成生物學創新研究院等項目的支持。陳萬澤博士現為中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所研究員，博士生導師，主要研究方向是通過新技術的開發，理解細胞命運決定機制并進行改造和干預，得到國家自然科學基金優秀青年項目，國家重點研發計劃課題等重要項目的支持，相關成果以通訊和第一作者身份在Nature,Nature Genetics,Nature Cell Biology等期刊發表，被Nature Biotechnology,Nature Methods，Nature Immunology等多個雜志專文評述和高亮報道。歡迎感興趣的博士后、博士生和研究助理加入！文章上線截圖，原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-025-02343-7圖1:scTF-seq的原理圖示圖2:?兩個轉錄因子之間協同-拮抗效應的劑量可逆性

2025-10-09

深圳先進院 | 基于二維碳化釩/氧化釩異質結構的人工感知神經元實現多色近紅外目標識別（Advanced Materials）

近紅外（NIR）光子探測與目標識別是自動駕駛、夜間監控和戰術偵察等領域實現全天候目標識別的關鍵技術。然而，傳統近紅外探測系統受限于分立式架構與馮·諾依曼瓶頸，普遍存在能效低、信號傳輸延遲大等問題。利用紅外敏感型易失性憶阻器構建的人工感知神經元，為實現低功耗實時高效處理的神經形態紅外感知器件提供了新途徑。近紅外（NIR）光子探測與目標識別是自動駕駛、夜間監控和戰術偵察等領域實現全天候目標識別的關鍵技術。然而，傳統近紅外探測系統受限于分立式架構與馮·諾依曼瓶頸，普遍存在能效低、信號傳輸延遲大等問題。利用紅外敏感型易失性憶阻器構建的人工感知神經元，為實現低功耗實時高效處理的神經形態紅外感知器件提供了新途徑。近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料人工智能研究中心王佳宏團隊在光電憶阻器領域取得新突破，在材料學術期刊Advanced Materials上發表了題為"2D Vanadium Carbide/Oxide Heterostructure-Based Artificial Sensory Neuron for Multi-Color Near-Infrared Object Recognition"的研究論文。該研究通過拓撲化學轉化法開發出一種同時具備近紅外響應特性和易失性電阻開關行為的二維碳化釩/氧化釩異質結構。基于該異質結構的憶阻器不僅在數千次循環中表現出穩定的閾值型電阻切換（RS）行為，而且具有近紅外光功率強度和波長的閾值電壓調制能力，可以實現人工感知神經元生物行為模擬。通過與YOLOv7算法結合構建用于多波段紅外目標識別的人工神經網絡（ANN），實現對FLIR數據集上多種目標物體的檢測與識別（圖1）。研究團隊提出“新型紅外響應光電憶阻器設計”新思路，工作亮點如下：多功能界面融合二維異質結構：通過對V2CTx進行精確控制的溫和氧化拓撲化學轉化，成功合成了具有多功能界面融合的V2C/V2O5-x二維異質結構。該結構通過金屬性的V2C與富含氧空位的介電材料V2O5-x相結合，利用V2O5-x和V中空位擴散以及異質結界面處的V-O鍵重排，實現了憶阻器閾值型易失性電阻開關能力與近紅外響應特性（圖2）。卓越的多色近紅外響應易失性型憶阻器：V2C/V2O5-x憶阻器展現出穩定的閾值型易失性特性，其轉變電壓的變異系數低至1.62%和1.7%。研究還發現，通過調節785nm至1550nm波段的近紅外光功率密度與波長，可有效調控該憶阻器的閾值電壓，模擬生物神經元的動態行為（圖3）。復雜駕駛場景中關鍵物體的精準檢測與識別：將V2C/V2O5-x憶阻器構建的人工感知神經元系統結合YOLOv7算法模型構建人工神經網絡架構，在FLIR數據集上對智能駕駛場景中汽車和行人的平均識別準確率可以達到87.7%和89.6%，展現出在復雜環境下的感知潛力（圖4）。這項工作不僅提出了一種新型紅外響應光電憶阻器設計思路，更展示了神經形態計算與近紅外感知融合的可能性。這種融合架構有望顯著提升邊緣計算設備的實時處理能力，為自動駕駛、智能安防等領域提供更高效、低功耗的超視覺感知解決方案中國科學院深圳先進技術研究院材料人工智能研究中心王佳宏副研究員為論文唯一通訊作者，渠源多博士及郝夢娣碩士研究生為論文共同第一作者。研究獲國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金杰青項目、深圳市科技計劃等項目支持。圖1 | 基于二維碳化釩/氧化釩異質結構的人工感知神經元實現多色近紅外目標識別示意圖。圖2 | V2C/V2O5-x異質結構制備示意圖和結構表征圖3 | Au/V2C/V2O5-x/ITO光電憶阻器的閾值轉換特性及近紅外光響應能力圖4 | 基于人工神經元的紅外目標檢測與識別神經網絡系統

2025-09-29

“十四五”國家重點研發計劃項目“畜禽低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節糧技術”中期推進會在長沙召開

為全面梳理“十四五”項目進展，凝練亮點成果，推動任務目標的達成，為“十五五”開局奠定基礎，9月27日至29日，國家重點研發計劃“畜禽新品種培育與現代牧場科技創新”重點專項“畜禽低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節糧技術”項目中期推進會在長沙中國科學院亞熱帶農業生態研究所召開。為全面梳理“十四五”項目進展，凝練亮點成果，推動任務目標的達成，為“十五五”開局奠定基礎，9月27日至29日，國家重點研發計劃“畜禽新品種培育與現代牧場科技創新”重點專項“畜禽低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節糧技術”項目中期推進會在長沙中國科學院亞熱帶農業生態研究所召開。來自中國農業大學、四川農業大學、中國科學院亞熱帶農業生態研究所、浙江大學、中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所、西北農林科技大學、廣東省農業科學院動物科學研究所、西南大學、福建農林大學、禾豐食品股份有限公司、北京大北農科技集團股份有限公司、安徽華恒生物科技股份有限公司等單位的各課題負責人及團隊骨干成員等50余人參會。會議開幕式由亞熱帶生態所畜禽健康養殖與農牧復合生態研究中心孔祥峰研究員主持。亞熱帶生態所黨委書記譚支良致歡迎詞，中國工程院院士印遇龍研究員、西北農林科技大學姚軍虎教授、浙江大學劉建新教授任項目咨詢專家，由印遇龍院士主持項目和課題的咨詢研討。項目匯報環節，項目負責人曾祥芳教授系統匯報了項目總體進展，重點展示了在低蛋白日糧技術體系構建、豆粕減量替代等方面取得的突破性進展。各課題及任務負責人圍繞任務目標、考核指標完成情況、標志性成果及存在問題等進行了詳細匯報。具體包括：課題一“日糧碳氮適配調節畜禽氮高效利用與沉積的機制”重點關注碳氮養分協同沉積機制；課題二“畜禽低蛋白日糧凈能需要及凈能賴氨酸平衡模式”深入研究凈能與賴氨酸平衡關系；課題三“畜禽低蛋白日糧限制性氨基酸需要及平衡模式”著力探索限制性氨基酸需求規律；課題四“畜禽低蛋白日糧礦物元素需要及電解質平衡模式”重點研究礦物元素需求模式；課題五“畜禽低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節糧技術集成”致力于技術體系集成與示范應用。匯報顯示，各課題均按計劃完成了階段研究任務，在理論創新和技術突破方面取得重要進展。咨詢專家針對項目取得的進展給予充分肯定，并提出建設性意見。專家強調，要進一步加強低蛋白日糧營養需要量精準評定和差異化配制技術研究，建立主要畜禽品種的全生命周期技術方案；深化碳氮養分高效利用機制研究，突破能氮同步釋放等關鍵技術；注重多元化日糧技術規程制定和標志性成果凝練，形成可推廣的行業標準。專家特別指出，要加強經濟效益分析，用詳實數據驗證技術的降本增效能力，推動科技成果轉化應用。會議期間，財務專家專門介紹了重點研發計劃項目經費管理要求，對中期財務執行情況進行了反饋，并就結題審計工作進行了部署，確保經費使用規范高效。此次會議系統總結了項目階段性進展和考核指標完成情況，為下一階段研究工作指明了方向。項目組將加強跨課題協作，系統集成研究成果，創制可復制、可推廣的主要畜禽品種的低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節糧技術的示范模式，為緩減大豆進口依賴提供技術支撐。會議現場項目匯報專家點評會議合影

2025-09-30

南海海洋所?|?研究揭示全球火山海島新生海岸侵蝕的共性規律

近日，中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質實驗室李偉研究員團隊，聯合英國曼徹斯特大學、卡迪夫大學及葡萄牙海軍水文研究所科研人員，揭示了全球海島火山噴發形成海岸的侵蝕速率隨時間衰減的共性演化規律。相關成果發表在地球科學領域國際權威期刊Journal of Geophysical Research: Earth Surface（《地球物理學研究雜志:地球表面》），南海海洋所副研究員趙中偉為論文第一作者。火山噴發不僅是地球內部能量在地表釋放的劇烈表現，也是塑造“藍色星球”最重要的造陸過程之一。噴發過程中堆積的大量火山灰和熔巖，能夠形成新的大洋火山島或熔巖三角洲，這些新生陸地長期以來是夏威夷、亞速爾群島和加那利群島等地區機場、港口、農業及旅游開發的重要空間來源。然而，這些新生島嶼常孤立于大洋之中，直接暴露于復雜的海洋動力環境，海岸長期遭受海浪侵蝕沖擊。因此，噴發新生海岸侵蝕的演化趨勢，成為制約其安全開發和災害防范的關鍵科學問題。研究團隊對1952年至2022年間全球12處火山噴發形成的新生海島海岸開展系統研究，發現其侵蝕速率普遍呈現“早期快速侵蝕、后期逐漸減緩”的規律性趨勢。同時，研究人員利用反冪函數方程成功實現了對該規律的高精度數值擬合，并進一步發現，當依據海岸巖性類型進行分組時，模型擬合精度顯著提升。該研究不僅揭示了火山噴發新生海岸侵蝕的共性演化規律，加深了對海島地貌演變過程的科學認知，也為火山海島的空間開發規劃及海洋防災減災風險評估提供了重要的理論支撐。本研究得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、中國科學院廣州分院院長青年人才基金和廣州市基礎與應用基礎一般項目等資助。???論文信息：Zhao,Z.,Mitchell,N. C.,Quartau,R.,&Ramalho,R. S. (2025). Systematic slowingof initially rapid retreat of new coastsformed by historical eruptions in volcanicislands. Journal of Geophysical Research:Earth Surface,130,e2024JF008058.論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024JF008058圖1?1952-2022年間全球12處海島火山噴發形成新生海岸的區域位置示意圖。圖2?海島火山噴發形成海岸的侵蝕速率隨時間衰減共性規律的數值擬合示意圖。

2025-09-23

南海海洋所?|?研究發現多重溶原菌中原噬菌體間的分子對話機制

近日，中國科學院南海海洋研究所王曉雪研究員團隊在《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表題為“Crosstalk between inovirus core gene and accessory toxin-antitoxin system mediates polylysogeny”的研究論文。該研究首次發現絲狀原噬菌體編碼的核心基因與共存原噬菌體編碼的毒素-抗毒素(TA)系統間的互作機制，為理解多重溶原菌的生物學功能及開發新型抗菌策略提供了重要的理論依據。南海海洋研究所2022級博士研究生古嘉瑜為論文第一作者，研究員王曉雪為論文通訊作者。在自然環境中，細菌宿主通常被多個溫和噬菌體侵染，呈現多重溶原，對細菌宿主的毒力、基因組可塑性及環境適應性具有重要影響。本研究以生物膜模式菌株銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）為研究模型，該菌被兩個核心基因組高度相似的絲狀噬菌體Pf4和Pf6侵染，整合在宿主基因組的不同位點，兩個噬菌體在生物膜形成過程中被激活，參與調控生物膜發育與宿主毒力（Guo et al.,Nature Communications 2024;Guo et al.,Cell Reports 2024）。然而，兩個噬菌體之間如何監控細菌宿主環境進行激活，以及生物膜激活中的競爭與協作關系均不明確。研究團隊發現Pf4噬菌體核心區域的復制相關蛋白RepG4可直接結合并降解共存Pf6噬菌體攜帶的三元TA系統KKP中的抗毒素PfpC，從而激活激酶PfkA/PfkB的毒素毒性。當Pf4復制水平達到一定閾值時，RepG4的積累引發宿主細胞受控死亡，從而限制Pf4過度增殖，并協調兩種噬菌體在生物膜成熟階段的有序釋放。進一步研究表明，盡管Pf4與Pf6核心基因組序列高度相似，它們卻演化出截然不同的調控策略：RepG4通過降解抗毒素以控制噬菌體復制強度，而Pf6的同源蛋白RepG6因關鍵氨基酸位點突變（R49C）而不具備該功能，反而可穩定PfpC，從而保護自身免受毒性激活。這一差異化機制既避免了兩者間的過度競爭，又實現了對宿主-病毒穩態的協同維持，有助于增強細菌在生物膜環境中的生存與致病能力。該研究突破了傳統原噬菌體調控研究中“阻遏蛋白-抗阻遏蛋白”的單一認知框架，揭示了原噬菌體核心復制基因與共存原噬菌體輔助毒素-抗毒素系統間的通訊機制（圖1）。這一發現不僅深化了對多溶原性微生物生態適應策略的理解，也為未來靶向耐藥性銅綠假單胞菌感染提供了新思路與潛在干預策略。本研究工作得到國家自然科學基金、科技部基礎資源調查專項、廣東省本土創新團隊等項目資助。相關論文信息：Jiayu Gu,Yunxue Guo,Juehua Weng,Shituan Lin,Yabo Liu,Xiaoxue Wang*. Crosstalk between inovirus core gene and accessory toxin-antitoxin system mediates polylysogeny. Nature Communications,2025,16:7268. doi: 10.1038/s41467-025-62378-6.論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62378-6圖1?噬菌體Pf6的TA系統KKP監控Pf4的復制蛋白實現兩個噬菌體有序激活釋放

2025-09-23

南海海洋所?|?細菌類組蛋白H-NS翻譯后修飾研究工作取得新進展

中國科學院南海海洋研究所王曉雪研究員團隊，2025年9月20日在微生物領域國際權威期刊FEMS Microbiology Reviews發表題為“Post-translational Modifications of the Nucleoid Protein H-NS: Sites,Mechanisms,and Regulatory Cues”的綜述論文。該研究系統梳理細菌類組蛋白H-NS的多種翻譯后修飾模式，提出這些修飾模式構成“細菌類組蛋白密碼”，揭示H-NS通過翻譯后修飾驅動細菌基因組進化的精密機制，為理解細菌環境適應、致病機制及開發新型抗菌策略提供重要理論支撐。博士后劉亞博為第一作者，研究員王曉雪為通訊作者。基因組壓縮與動態調控是生命體共通的核心科學問題。細菌缺乏真核生物核小體結構，主要依賴H-NS等核結合蛋白實現基因組的壓縮與調控功能。H-NS可沉默原噬菌體、毒力島等外來基因元件，維持基因組穩定性。研究發現細菌又能在特定環境下解除H-NS的沉默并激活外源基因表達，這一過程是細菌環境適應的關鍵過程。但細菌宿主如何感應外界環境變化，通過H-NS實現對外來基因元件的精準調控是領域內備受關注的科學問題。研究整合大腸桿菌、銅綠假單胞菌、希瓦氏菌和殺魚愛德華氏菌等多物種證據，闡釋H-NS通過其N端寡聚化域、中間柔性連接區和C端DNA結合域發生多種翻譯后修飾調控其沉默功能：N端修飾調整H-NS聚合狀態，掌控基因沉默開關；中間區修飾重塑電荷分布；C端修飾直接改變其對高AT含量DNA的結合能力（圖1）。翻譯后修飾是拮抗H-NS沉默的關鍵機制，與已知的抗沉默蛋白、小分子代謝物及蛋白酶解等途徑協同作用，通過感知環境信號、傳導調控指令，最終實現表型輸出，助力細菌利用外源基因增強環境適應性。尤為重要的是，研究進一步提出，外源基因常編碼修飾酶或抗沉默蛋白，在激活條件下解除H-NS介導的基因沉默。這一由外來元件參與的主動“轉錄解抑制”過程充分呈現了細菌與外來基因元件間的競爭與協作關系，是系統認識微生物中水平基因轉移的重要視角。本研究工作得到國家自然科學基金、國家科技基礎資源調查專項、中國博士后科學基金及ONCE等項目的資助。相關論文信息：Yabo Liu,Xiaoxue Wang*. Post-translational modifications of the nucleoid protein H-NS: sites,mechanisms,and regulatory cues.?2025,FEMS Microbiology Reviews,fuaf045.?論文鏈接：https://doi.org/10.1093/femsre/fuaf045圖1?H-NS沉默外源基因表達與翻譯后修飾介導抗沉默機制

2025-09-23

華南植物園綜述NF-Y轉錄因子在作物中的生物學功能、調控機制及育種應用

作為固著生物，植物演化出多維感知與響應網絡，以整合環境信號并精準重編程發育進程。與動物不同，植物NF-Y轉錄因子家族由多個旁系同源基因編碼，其亞基通過形成異源三聚體復合物發揮功能。異源三聚體的組合多樣性賦予了NF-Y廣泛的轉錄調控潛能，拓展了植物的遺傳多樣性和環境適應性。近十年來，關于NF-Y的研究已由模式植物擬南芥拓展至作物，在基因功能與分子機制層面取得突破性進展，然而針對作物NF-Y的系統性綜述仍然缺乏。近日，中國科學院華南植物園侯興亮科研團隊以題為“Nuclear factor-Y transcription factors in crops: Biological roles,regulation,and breeding applications”的綜述文章在線發表在國際學術期刊Plant Communications（《植物通訊》）上。綜述進一步系統整合了NF-Y在作物中的研究進展，包括其生物學功能、轉錄和轉錄/翻譯后修飾、對靶基因表觀遺傳調控中的關鍵作用以及NF-Y三聚復合體的裝卸機制。同時，系統梳理了NF-Y在作物育種中的應用潛力，并探討了整合多組學手段，通過調控轉錄、翻譯后修飾及表觀遺傳等層面提升作物品質與環境適應性的技術策略，凸顯了NF-Y在作物育種改良上的巨大潛力。科研團隊的張春雨副研究員近年來在NF-Y功能的研究中取得了一系列進展，并揭示了NF-Y在開花、下胚軸伸長及種子發育等植物生長發育中的分子調控機制（Zhang et al.,Nature Communications,2025；Yao et al.,Plant Journal,2025；Zhang et al.,Plant Cell,2023；Zhang et al.,JIPB,2021），其研究方向已從模式植物擬南芥逐步拓展至重要農作物大豆。博士研究生武歡為該論文第一作者，張春雨副研究員和侯興亮研究員為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究基金項目的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101530圖. NF-Y在作物育種中的應用策略

2025-09-24