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廣州地化所李建平、陳華勇等-GCA&GFS：高溫高壓成礦實驗系統揭示斑巖系統流體出溶–金屬富集–Cu同位素分餾的新機制

?斑巖銅(±金、鉬)礦床是全球重要的Cu、Au和Mo來源，其成礦過程受巖漿房中流體出溶、鹽度演化以及金屬如何遷移富集的多重控制。然而，為何不同斑巖成礦系統的金屬比值存在顯著差異、巖漿初始出溶流體普遍呈現低鹽度特征、以及Cu同位素在不同系統中呈現不同分布模式等關鍵科學問題，目前仍缺乏系統性、定量化的地球化學約束。?近期，中國科學院廣州地球化學研究所陳華勇研究員團隊聯合加拿大麥吉爾大學等國內外科研人員，圍繞上述前沿問題開展系統的成礦實驗研究，連續在《Geochimica et Cosmochimica Acta》(2篇) 和《Geoscience Frontiers》(1篇) 發表三項研究成果。該系列研究圍繞金屬的差異性分配、Cu同位素分餾以及巖漿流體出溶、演化等核心問題，構建了一個綜合的“巖漿–流體–金屬富集–同位素分餾”成礦機制框架，為理解斑巖成礦系統的形成、演化提供了新的視角，核心亮點如下：1. 巖漿ASI 控制Cu–Au–Mo的差異性萃取，造成斑巖Cu-Au和Cu-Mo 礦化的分異 (GCA, 2025a)?(1) 富堿準鋁質巖漿?(ASI~1.0) 有利于出溶富Au流體，易形成富Cu-Au礦體；而Mo對巖漿ASI呈“雙峰型”響應，ASI~1.0和≥~1.2時均有利于形成高Mo/Cu比值流體，形成Cu-Mo型礦床;?(2) 流體初始氯度與巖漿初始含水量對金屬比值影響較弱，熔體ASI為第一控制因素;?(3) 模擬計算顯示，Mo的出溶效率較低，形成富Mo礦床需要更大、持續供給的巖漿系統。2.?流體主控Cu同位素分餾方向，重塑斑巖系統Cu同位素分布?(GCA, 2025b)?(1) 當巖漿出溶低氯度流體 (~1 mol/kg H?O的Cl)，流體更傾向于富集重Cu同位素。隨著出溶流體氯度的升高，Cu同位素的分餾趨勢發生變化，這一機制源自流體中Cu絡合物由 CuCl??向?(Na,K)CuCl???的轉變;?(2) 斑巖系統出溶流體氯度的差異，可能導致斑巖銅礦核部到外部原生礦石Cu同位素值呈現不同的變化模式，這也解釋了為何弧巖漿(相比于MORB、OIB)的Cu同位素值變化范圍更廣;?(3)上地殼巖漿房出溶流體主體為低鹽度(~4 wt.% NaCleq)，該條件下巖漿中的重Cu更傾向于進入流體，這也解釋了為何斑巖礦床 hypogene ore的平均 δ??Cu 值(+0.18‰）通常略高于地幔巖漿初始值(+0.03‰)。3. 為何斑巖系統初始出溶流體普遍低鹽度? —Cl配分行為揭示其根本機制（GFS, 2026）?(1) 流體-熔體間Cl的分配受流體氯度影響顯著，熔體組成影響較弱; 上地殼巖漿房中出溶流體氯度會隨巖漿結晶迅速降低并最終穩定于低鹽度?(~ 1 mol/kg H?O的Cl)。這與初始流體氯度和巖漿含水量無關。因此上地殼巖漿房中出溶流體以低鹽度流體為主(~ 4-5 wt.% NaCleq)，而全球斑巖銅礦根部的流體包裹體也普遍顯示較低鹽度的初始流體特征;?(2) 當流體氯度 ≥ 1 mol/kg H?O 時，Cu的萃取效率通常大于60%，能夠有效萃取 Cu?用于成礦;?(3) 模擬計算顯示，富 Cl、富 H?O 的巖漿最具成礦潛力，因為其流體出溶更早且具有最高的金屬萃取效率(如Cu、Au、Sn、Mo等易與Cl絡合的金屬)，是形成大型斑巖型礦床的關鍵條件。研究意義與展望：?上述研究基于高溫高壓成礦實驗與模擬計算，系統揭示了巖漿房中流體出溶、氯度演化、金屬選擇性富集與同位素分餾等關鍵過程，實現了對斑巖系統多個核心環節的定量刻畫，并建立了綜合的成礦地球化學框架。該研究不僅系統回答了斑巖銅(±金、鉬)礦床中金屬比值差異、巖漿出溶流體演化、Cu同位素分布模式等長期存在的科學問題，也提出了判別成礦巖漿的新指標(如巖漿ASI、Cl–H?O 富集特征、Cu同位素信號等)，為識別高成礦潛力巖漿系統和理解大型斑巖礦床的形成提供了新的理論依據與實驗支撐。?以上研究的第一作者均為李建平博士(現為加拿大麥吉爾大學Research Associate)，通訊作者為陳華勇研究員，合作者包括加拿大麥吉爾大學A.E. Williams-Jones 教授、中國科學院廣州地球化學研究所丁興副研究員、中國科學院地球化學研究所張世濤副研究員等。該系列工作受到國家自然科學基金（41921003, 42230807,?42330305, 42003031）、科技部重點研發項目（2022YFC2903301）和中科院先導項目 (XDA0430301) 的聯合資助。論文信息：?1.?Li, Jianping., Williams-Jones, A. E., Ding, Xing., Jiang, Ziqi.?and?Chen, Huayong*. (2025a). The role of the melt aluminum saturation index in controlling gold and molybdenum proportions in porphyry copper deposits: An experimental investigation.?Geochimica et Cosmochimica Acta.?401, 240-257.?2. Li, Jianping., Williams-Jones, A. E., Zhang, Shitao and?Chen, Huayong*. (2025b).?Fluid-silicate melt Cu?isotope fractionation and its impact on δ65/63Cu heterogeneity in porphyry copper deposits and associated arc magmas. Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.039?3. Li, Jianping.,?Ding, Xing* and?Chen, Huayong. (2026). Fluid-silicate melt Cl partition and its implications on magmatic fluid exsolution and hydrothermal ore genesis.?Geoscience Frontiers, 17, 102187.

2025-12-15

廣州地化所肖少軒、王新明等-ES&T Air：隧道測試揭示輪胎磨損對交通源毒害多環芳烴重要貢獻

?多環芳烴（PAHs）是一類環境中廣泛存在的具有潛在致癌風險的持久性有機污染物。城市大氣環境中，機動車尾氣是PAHs的重要來源。隨著機動車尾氣排放標準的不斷升級和電動車的日益普及，尾氣排放源大幅削減，而輪胎磨損等非尾氣排放（Non-exhaust emissions,NEE）的貢獻可能日益凸顯。綜合考慮尾氣和非尾氣排放，實際道路交通排放的PAHs是如何演變的？這是大氣環境健康方面值得關注的議題。?針對這一問題，中國科學院廣州地球化學研究所王新明研究員團隊通過廣州珠江隧道兩期（2014年與2019年）觀測。隧道測試是獲得實際道路機動車排放的一個有效手段，研究團隊通過測試不僅獲得了2014-1019期間PAHs排放因子及其毒性【以苯并[a]芘毒性當量（TEQBaP）表示】的變化，而且利用隧道環境特異性采用受體模型成功分離出柴油車、汽油車和輪胎磨損等三個來源（圖1），從而量化了輪胎磨損源對PAHs貢獻。?研究結果顯示，2014-2019年期間，源于柴油車和汽油車尾氣排放的PAHs占比從83.7%下降到71.0%，而輪胎磨損對PAHs的貢獻則從16.3%上升到29.0%（圖2）；但如果以TEQBaP來評估潛在致癌風險計，源于尾氣排放PAHs對TEQBaP貢獻從61.7%下降到46.8%，而輪胎磨損排放PAHs對TEQBaP的貢獻則從38.3%上升到53.2%，超過尾氣源貢獻。這一結果表明，隨著尾氣控制加嚴，輪胎磨損等非尾氣來源不僅對顆粒物質量濃度有重要貢獻，對顆粒物中毒害性組分及其健康危害也可能日益突出。電動汽車因車身更重、扭矩更大可能導致相對較多的輪胎磨損排放，在新能源車不斷普及的背景下，更要考慮將非尾氣排放納入監管與健康風險評估，同時通過輪胎制作技術改進減少排放。?本研究受到國家自然科學基金、國家重點研發計劃及廣東省科技廳等項目資助。相關研究成果近期發表在環境科學領域期刊 ACS ES&T Air 上。論文信息： Xiao,S. (肖少軒),Zhang,R.?(張潤琪),Song,W.?(宋偉),Pei,C.?(裴成磊),Qin,Y.?(覃園園),Zhang,Z.?(張洲),Tian,X.?(田曉),Pang,X.?(龐曉蝶),Zhang,X.?(張翔宇),Li,Y.?(李楊),He,Q.?(何秋生),Zhang,Y.?(張艷利),Bi,X.?(畢新慧),and Wang,X.* (王新明). Real-World Tunnel Test Reveals Tire-Wear Rivaling Tailpipe Exhaust as a Rising Source of Toxic PAHs. ACS ES&T Air (2025).論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsestair.5c00309圖1：PMF模型解析出的三種PAHs排放源（柴油車排放、汽油車排放、輪胎磨損）的成分譜。圖2：2014年與2019年各排放源對PAHs質量濃度及致癌毒性（以苯并[a]芘毒性當量TEQ計）貢獻的對比。

2025-12-11

廣州地化所?|?海水硫酸鹽含量：改寫甲烷命運的"化學開關"——科學家揭示北極海洋如何在5600萬年前加劇全球變暖

概念圖：PETM時期北極海洋甲烷氧化路徑轉變概念圖（研究團隊供圖）????在5600萬年前的超級變暖事件（古新世-始新世極熱事件，PETM）中，地球經歷了極端的全球變暖和海洋酸化。由于該事件與當前氣候變化存在諸多相似，一直備受科學界關注。然而，其背后的碳循環機制始終是未解之謎。9月25日，中國科學院廣州地球化學研究所與國際合作團隊在國際學術期刊《自然·地球科學》（Nature Geoscience）發表論文指出，海洋硫酸鹽濃度的微妙變化，能夠改變甲烷的消耗方式，就像一個控制全球氣候的"化學開關"低硫海洋，甲烷命運的分水嶺????甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，而大量的甲烷以水合物“可燃冰”的形式儲藏在海底。以往科學家擔憂海底甲烷釋放后會大量進入大氣，直接加劇全球變暖。但近年研究發現，絕大部分海底釋放的甲烷都會快速溶解在海水中，然后被各種微生物"消化"掉，很少能直接進入大氣。問題是，甲烷被"消化"的方式不同，對海洋和氣候的影響也截然不同。????現代海洋中，約90%的甲烷會被沉積物中的微生物在無氧條件下利用，這個過程就像"慢燃發電廠"——以硫酸鹽作為"燃料"，高效轉化甲烷能源，同時產生堿性物質，緩解海洋酸化。但是，PETM時期北極海水硫酸鹽濃度不到現代的三分之一。????"因為硫酸鹽嚴重不足，就像燃料短缺一樣，發電廠無法正常工作，甲烷只能進入海水，"項目負責人張一歌研究員解釋，"這時候，另一類喜歡氧氣的細菌開始'快速燃燒'甲烷——它們直接消耗氧氣，快速釋放CO?，就像高溫燃燒釋放大量廢氣一樣。""分子化石"，揭秘古代甲烷循環????研究團隊通過檢測一種特殊的分子痕跡——化合物hop-17(21)-ene及其碳同位素組成，成功"復原"了5600萬年前的甲烷氧化過程。這些分子痕跡就像古代細菌留下的"身份證"，顯示在PETM事件后期，進行“快速燃燒”的甲烷分解細菌活動顯著增強并達到高峰。????"通過讀取這些'身份證'，我們可以準確知道當時哪類微生物在工作，是慢燃發電還是快速燃燒，工作強度有多大，"第一作者Bumsoo Kim (金泛壽) 博士說。北極海洋：從"吸碳"到"排碳"的逆轉????基于海洋浮游植物分子痕跡重建的CO?濃度顯示，PETM恢復期北極海洋的CO?濃度水平比全球平均值高200-700ppm，這說明北極海洋從原本吸收二氧化碳的"海綿"變成了排放二氧化碳的"煙囪"。????"因為海水變淡、硫酸鹽減少，甲烷只能通過'快速燃燒'的方式分解，直接制造了大量CO?，"合作作者沈佳恒研究員表示，"這從根本上改變了北極在全球碳循環中的角色，變成溫室氣體排放源"。地質活動如何影響氣候？????研究進一步揭示，地質活動，如地殼運動和巖石形成、大陸風化、火山噴發等，會直接影響海洋硫酸鹽含量，進而決定了甲烷分解的方式。在數億年前的中生代（恐龍時代）至數千萬年前的新生代早期的遠古海洋中，硫酸鹽含量長期較低，這一特征可能對全球碳循環和氣候產生了重要影響。????“這就像地球系統過程控制著海洋的'燃料供應系統”，進而影響甲烷能源的利用方式和整個氣候系統，"張一歌研究員強調。現代啟示：北極甲烷的未來????隨著現代北極海洋快速變暖和淡化，類似的甲烷氧化機制可能被再次激活。該研究提醒我們：當北極海水變淡、化學環境改變時，可能重演5600萬年前的故事——甲烷從高效利用轉向快速燃燒，需要密切關注這一區域的變化。????該研究得到了中國科學院、中國科學院廣州地球化學研究所啟動資金，國家自然科學基金委 (編號：42220104003、42488201) 等項目資助。國際大洋發現計劃 (IODP) 提供了樣品及相關的數據。研究團隊將繼續深入研究地球系統過程對生物地球化學循環的控制機制。????文章發表后，獲得包括新華社、人民日報、China Daily、參考消息、半月談、科技日報、南方Plus、新快報、新華網、新浪網、科學網、中科院之聲等多家媒體的廣泛關注和報道。相關論文信息：Bumsoo Kim (金泛壽), Yi Ge Zhang (張一歌), Richard Zeebe and Jiaheng Shen (沈佳恒), Arctic CO2?emissions amplified by aerobic methane oxidation during the Palaeocene–Eocene Thermal Maximum, Nature Geoscience, 18, 975-982， https://doi.org/10.1038/s41561-025-01784-3。

2025-12-15

深圳先進院 |?突破多模態腦機接口數據瓶頸：生成式AI賦能功能超聲圖像高保真重建（IEEE JBHI）

中國科學院深圳先進技術研究院的王書強課題組提出了一種名為UltraVAR的創新解決方案。這是首個專門為功能超聲成像設計的數據增強框架，其核心在于利用先進的視覺自回歸生成技術來生成高質量圖像。2025年，該團隊的研究成果發表在國際知名期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上。這項工作旨在通過生成式人工智能技術，有效解決醫學影像領域長期存在的數據稀缺與模型公平性問題，為相關研究提供了新的思路。腦機接口（BCI）作為腦科學、信息科學、材料科學等多學科交叉的核心前沿方向，致力于建立大腦與外部設備的直接通信通道。由于在時間分辨率和采集便攜性上的優勢，腦電是當前腦機接口的主要數據模態。然而，從神經流形的視角看，大腦語義并非盤踞在某一低維“腦電切片”上，而是鑲嵌在隨時間快速彎曲、維度可達數十甚至上百的聯合流形之中。單模態腦電僅相當于對該高維流形做一次斜向投影，會造成腦機接口解碼系統不可逆的語義信息損失。要還原神經流形的真實拓撲，需要同步引入血流動力學、代謝、連接組學等額外維度，把電生理信號與功能磁共振(fMRI)、功能超聲(FUS)、fNIRS等異構數據拼成一張“多模態聯合圖”，才能在更高維的嵌入空間里重新展開被壓縮的語義流形，顯著降低解碼誤差并增強BCI系統對環境噪聲擾動的魯棒性。對于各模態的神經信號采集，研究人員不得不在采集成本、時空分辨率和侵入性之間做出妥協（圖1）。以非侵入式技術為例，腦電（EEG）和腦磁（MEG）雖然擁有250-1000 Hz甚至更高的毫秒級時間分辨率，但其空間分辨率往往局限在厘米級別；功能核磁共振（fMRI）雖然能實現全腦覆蓋且空間分辨率可達毫米級，但其低至0.5-1 Hz的分辨率和BOLD信號延遲性使其難以捕捉瞬態神經活動。而對于侵入式技術，以猶他電極（Utah Array）為代表的皮層內電極雖能實現單細胞級的極高精度，但極高的侵入性風險極大地限制了其廣泛應用。相較而言，功能超聲成像（fUS）憑借其兼具微創性與高時空分辨率的優勢脫穎而出，能夠在大腦硬膜外（微創）條件下，提供50-500微米的高空間分辨率和2-100Hz的較高時間分辨率，顯著提升多模態腦機接口系統對大腦意圖的解析能力。盡管潛力巨大，但fUS的應用推廣面臨挑戰:受限于較高的采集成本和復雜的倫理安全審查和操作流程，獲取多樣化的人類大腦 fUS 樣本極為困難。這種樣本匱乏直接導致下游的解碼模型缺乏足夠的訓練樣本，難以保證解碼模型的泛化能力和公平性，從而嚴重阻礙了多模態腦機接口的落地和推廣。為了突破這一瓶頸，中國科學院深圳先進技術研究院的王書強課題組提出了一種名為UltraVAR的創新解決方案。這是首個專門為人腦功能超聲成像設計的fUS數據增強框架，其核心在于利用先進的視覺自回歸生成技術來實現高質量人腦fUS增強。該項研究成果發表在國際知名期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上。UltraVAR通過層級化預測機制重建人腦血管的空間拓撲特征，其核心意義在于能夠精準捕捉神經活動誘發微細血管血流狀態改變的動態因果關聯。該框架在臨床數據受限的環境下構建出高保真且符合解剖學規律的血流動力學特征空間，并確保生成的微細血管在主要運動皮層和后頂葉皮層等核心功能區保持生理上的完整性。所提出的UltraVAR為多模態腦機接口解碼系統訓練提供了多樣化的低成本訓練樣本，突破了解碼模型因fUS數據匱乏而面臨的泛化能力弱與解碼公平性差等瓶頸。UltraVAR在多個下游腦解碼任務的實驗驗證中展現出優異性能。例如在大腦狀態識別的任務場景中，將解碼準確率由80.0%提升至88.9%，證明了UltraVAR在提升腦解碼能力方面的應用價值。下一步研究團隊將構建融合神經動力學和血流動力學約束的基礎模型，以強化UltraVAR對大腦高維流形的深度表征，實現跨被試-強泛化性的多模態腦機接口解碼，持續推動多模態腦機接口的落地和應用。數字所陳緒行與李卓為本文共同第一作者，王書強研究員為論文通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等科技項目資助。圖1?主流神經信號采集技術在時空分辨率、侵入性及覆蓋范圍上的對比圖2 UltraVAR視覺自回歸框架示意圖圖3 不同生成模型的功能超聲圖像視覺對比

2025-12-22

深圳先進院 | 重構多細胞生命“語言”：科學家開發“超靈敏、低負擔”的哺乳動物細胞通訊新系統（Cell Systems封面文章）

12月17日，中國科學院深圳先進技術研究院婁春波團隊聯合北京大學合作者，在國際學術期刊Cell Systems上以封面文章形式在線發表題為"Low-burden and precursor-free cell-cell communication in mammalian cells enabled by de novo design of super-sensitive intercellular signals"的研究論文，報道了首個具有超靈敏響應（super-sensitivity）、底盤友好型（low-burden）等優異特性的哺乳動物細胞間通訊的小分子信號系統，并進一步驗證了該系統用于指導多細胞系統進行更復雜空間組織的底層能力。細胞通訊是多細胞生命精密協作的基石。作為生理活動的“指揮棒”，它通過信號分子傳遞信息，協調著生命發育、免疫與維持穩態。在胚胎構建中，形態發生素梯度更如同“GPS”，為細胞提供精確的位置信息，指導其分化與組織圖案成型。若細胞通訊系統失調，則可能引發發育缺陷或癌癥等嚴重疾病。雖然合成生物學家此前在哺乳動物細胞中已開發出一些基于小分子（如生長素Auxin）的通訊信號系統，但它們普遍存在靈敏度低（需要高濃度信號）和代謝負擔重的缺陷。更麻煩的是，這些系統往往需要向培養基中額外添加特定的化學前體（Precursors），細胞無法自行合成信號，這極大地限制了其在活體內的應用。為了解決這些難題，12月17日，中國科學院深圳先進技術研究院婁春波團隊聯合北京大學合作者，在國際學術期刊Cell Systems上以封面文章形式在線發表題為"Low-burden and precursor-free cell-cell communication in mammalian cells enabled by de novo design of super-sensitive intercellular signals"的研究論文，報道了首個具有超靈敏響應（super-sensitivity）、底盤友好型（low-burden）等優異特性的哺乳動物細胞間通訊的小分子信號系統，并進一步驗證了該系統用于指導多細胞系統進行更復雜空間組織的底層能力。本研究首先構建并優化了Cinn接收模塊。實驗結果顯示，該模塊的半最大效應濃度（EC50）低至約10-9 mol/L，其靈敏度比現有報道的最優哺乳動物細胞通訊信號系統提升了約375倍。為了進一步提升性能，研究團隊界定了BraR的最小核心結合序列，將其從46 bp精簡至18 bp，有效降低了潛在的非特異性結合風險。此外，針對受體本底泄漏較高的問題，團隊利用AlphaFold2進行結構預測，采用嵌合工程策略將BraR的配體結合域（LBD）與同源蛋白RpaR的DNA結合域（DBD）融合，成功開發出新型受體KmaR。該受體在保持超高靈敏度的同時顯著抑制了本底活性，實現了信號識別精度與動態響應范圍的協同優化。在發送模塊方面，本研究設計了包含三種酶的代謝通路，以細胞內廣泛存在的苯丙氨酸為底物，實現了無需外源前體（Precursor-free）的Cinn自主從頭合成。通過對基因表達盒排布的優化，該模塊克服了轉錄干擾，實現了Cinn分子的穩定高效產出。共培養實驗證實，得益于系統的高靈敏度，僅需極低比例的發送細胞即可有效激活接收細胞，建立了穩健的胞間通訊。為調控信號的時空動態，系統引入了高效的內酯酶降解模塊，防止信號累積導致的飽和與干擾。此外，基于細胞生長動力學與轉錄組學的評估表明，搭載各功能模塊的工程化細胞與野生型無顯著差異，證實了該系統具有卓越的底盤兼容性與低負擔特性。利用這套全新的工具，研究團隊模擬了生物發育中的經典“源-匯（Source-Sink）”空間梯度斑圖模型。他們構建了三種細胞：產生信號的“源（Sender）”細胞、降解信號的“匯（Degrader）”細胞，以及感知信號的“接收（Receiver）”細胞。實驗結果令人振奮：當“源”和“匯”分別位于空間兩端時，中間區域形成了一個梯度陡峭且位置穩定的信號響應梯度。更令人驚訝的是，這種機制表現出了極強的魯棒性（Robustness）——即使改變發育場的大小、功能細胞數量（模擬個體差異）或改變信號擴散速率（模擬環境波動），形成的圖案邊界依然保持穩定。這不僅證實了“源-匯”機制在維持生物發育穩定性中的關鍵作用，也證明了該合成系統具有構建復雜、精密人造組織的潛力。該研究開發的Cinn系統具有無前體依賴、超高靈敏度、低細胞負擔三大優勢，完美契合了組織工程和細胞治療的需求。未來，研究人員計劃利用該系統設計更復雜的細胞行為，例如引導干細胞在體外自組裝成類器官，或者設計能感知體內環境并精準釋放藥物的智能細胞療法，為生物醫學研究帶來新的可能。北京大學定量生物學中心博士后孫智博士和中國科學院深圳先進技術研究院助理研究員項延會博士為本文共同第一作者。中國科學院深圳先進技術研究院研究員婁春波為本文通訊作者。浙江大學歐陽頎教授和北京大學副研究員錢瓏為本研究做出重要貢獻。中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所研究實習員盤玉逵和技術員余敏參與工作。該工作被Cell Systems以封面文章形式特別報道，使用超靈敏通訊系統建立的穩健“源-匯”空間梯度斑圖被精選為當期封面圖片，文章同時被該期刊Focus Issue on Mammalian Synthetic Biology（“哺乳細胞合成生物學”特刊）收錄。本研究得到國家重點研發項目、中國科學院青年交叉團隊項目、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北大-清華生命科學聯合中心博士后基金以及深圳合成生物學創新研究院等項目的資助。文章上線截圖原文鏈接：https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(25)00308-4圖1?新型高效哺乳細胞胞間通訊信號分子合成通路設計原則圖2?超靈敏Cinn receiver的開發表征和模塊優化圖3 precursor-free sender與diverse degrader的開發及各模塊low-chassis burden的屬性表征圖4?使用Cinn胞間通訊系統設計構建“Source-Sink”空間穩健梯度線路圖5?Cell Systems封面文章

2025-12-22

深圳先進院?|?基于微透鏡陣列的片上光散射增強實現在傳統明場顯微鏡下的高性能單顆粒追蹤（Small Methods）

近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室、醫工所傳感中心楊慧研究員團隊，以封面論文形式在Small Methods上發表了題為"On-Chip Light-Scattering Enhancement Enabled by a Microlens Array for High-Performance Single-Particle Tracking under Conventional Bright-Field Microscopy"的研究成果，成功開發出一種基于“片上微透鏡陣列”的新型光學傳感器。單顆粒追蹤（Single-Particle Tracking,SPT）技術被譽為揭示納米尺度下分子與顆粒動態行為的“火眼金睛”，能夠在生命活動的原生環境中，實時、可視地捕捉單個分子或納米顆粒的運動軌跡，是研究分子相互作用、細胞信號傳導、藥物遞送機制等重要生物物理過程的關鍵工具。尤其在異質性體系（如活細胞內復雜環境）中，SPT能分辨不同群體的運動行為，揭示被傳統群體平均測量所掩蓋的動力學細節，為理解生命活動的微觀機制提供前所未有的時空分辨率。然而，該技術的廣泛應用長期面臨兩大挑戰：基于熒光的SPT需依賴復雜標記且易受光子飽和限制，影響成像速度與定位精度；而基于光散射的無標記SPT則因對高端光學系統（如強激光器、高數值孔徑物鏡）的嚴苛要求與高昂成本，難以廣泛推廣。近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室、醫工所傳感中心楊慧研究員團隊，以封面論文形式在Small Methods上發表了題為"On-Chip Light-Scattering Enhancement Enabled by a Microlens Array for High-Performance Single-Particle Tracking under Conventional Bright-Field Microscopy"的研究成果，成功開發出一種基于“片上微透鏡陣列”的新型光學傳感器。該傳感器的核心創新在于采用高折射率介質微球構建的微透鏡芯片。與現有近場光學增強技術（增強范圍高度局域化）不同，該傳感器通過“增強型長程光場”與“納米顆粒–微透鏡復合相互作用”新機制，實現了十倍于傳統近場技術的超長光散射增強范圍。首次將高性能S-SPT技術的強大能力擴展至普通明場顯微鏡，僅需使用非相干白光光源（如LED）和低照明功率即可實現高精度探測這一技術突破，成功將高性能無標記SPT技術從依賴特種光學系統的“精密試驗”，轉變為在普通明場顯微鏡上即可實現的“常規觀測”。具體而言，該技術展現出三大優勢：1. 極低系統門檻：僅需配備常規明場顯微鏡、非相干明場光源和以及低照明功率，大幅降低了技術與成本壁壘。2. 卓越綜合性能：在750 μm2的大視場下，僅用200 μs的超短曝光時間，即可對溶液中微小至60 nm的顆粒實現2.9nm的納米級定位精度。3. 超長工作距離：其增強范圍遠超傳統近場技術，為觀測顆粒的三維運動軌跡提供了更大空間。研究團隊提出的這項新型傳感器，不僅攻克了長期存在的技術難題，更重要的是，它構建了一個更易獲取、性能強大的開放式研究平臺。這項曾經“高不可攀”的技術，如今變得直接、經濟、易于實施。該平臺所具有的納米級定位精度、亞毫秒時間分辨率、大視場觀測能力以及對普通光學系統的兼容性，將作為一項支撐性工具，為超靈敏生物傳感器開發、疾病早期診斷、納米藥物開發、單分子動力學分析等眾多前沿領域提供強大的工具支持。圖1. Small Methods封面圖圖2. 溶液中運動納米顆粒實時追蹤，實現超高時間分辨率及納米級定位精度測定;(a).片上光散射增強示意圖;(b). 光學系統示意圖;(c). 典型單顆粒的圖像序列成像;(d). 單個顆粒的運動軌跡;(e). 不同尺寸顆粒的直徑測量;(f). 不同尺寸顆粒均方位移曲線分析

2025-12-22

深圳先進院?| 劉陳立團隊揭示細菌DNA合成與生物量增長的協同機制（eLife）

從頭合成一個完整的單細胞生命，是當代生命科學面臨的一項重大挑戰。目前，科學家已在構建基礎生命功能模塊方面取得進展，例如在人工磷脂囊泡中實現DNA復制，以及利用前體分子合成磷脂以促進囊泡表面積的增長。然而，僅將這些功能模塊進行簡單組裝，尚難以實現生命活動的有序運行。當前面臨的主要瓶頸之一，在于對這些模塊之間協同工作的基本原理仍缺乏系統認識，這也限制了人工合成細胞形成生長、復制與分裂這一完整生命循環的能力。針對這一關鍵問題，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所劉陳立研究員團隊長期致力于探究天然細胞中DNA復制、生物量積累和細胞分裂等核心功能模塊的協同機制。在前期研究中，團隊以大腸桿菌為模型，利用定量合成生物學方法，揭示了細胞生長速率與細胞尺寸之間的數學規律，并發現了細菌通過“分裂許可物”來協同生長和分裂的新機制（Nature Microbiology 2020）。在此基礎上，團隊進一步發揮定量合成生物學研究范式的優勢，設計合成了一套能夠實時監測DNA復制關鍵啟動蛋白DnaA活性的“分子探測器”，首次在活細胞中觀測到DnaA活性振蕩的峰值始終精準出現在DNA復制起始時刻，從而在實驗上直接驗證了經典理論中“DnaA活性決定DNA復制起始時機”的核心預測。此外，為解釋“DnaA表達停止后DNA仍可進行多輪復制”這一經典理論未能充分闡釋的現象，團隊通過結合數學建模與實驗驗證，創新性地提出了DnaA活性調控的“擠出”機制。該機制表明，可能存在某種調控蛋白能夠將結合在DNA上的DnaA“擠出”，使其重新獲得啟動DNA復制的活性。進一步研究提示，H-NS蛋白很可能在其中發揮關鍵調控作用。該工作不僅首次直接證實了DnaA活性的周期性振蕩是觸發DNA復制的核心信號，還系統揭示了細菌通過“擠出”機制實現對DNA復制過程的精確時序調控，為理解生命體中DNA合成與生物量增長之間的協同機制提供了嶄新的理論視角。相關成果于11月18日以"Extrusion-modulated DnaA activity oscillations coordinate DNA replication with biomass growth"為題，正式被eLife雜志收錄。DNA復制起始是細菌細胞周期調控的關鍵節點。學界普遍認為，大腸桿菌通過精確控制DNA復制的起始時機，實現DNA的線性合成與生物量指數增長之間的協調匹配。經典理論指出，關鍵啟動蛋白DnaA的持續合成可以反應生物量的積累，其與DNA的相互作用則能感知DNA合成狀態，進而通過活性變化決定復制起始時機。然而，長期以來，領域內并未直接觀測到DnaA活性變化與DNA復制起始之間的動態關聯，且在DnaA合成被阻斷之后，DNA復制仍可啟動，這些現象無法用現有理論完整解釋，表明人們對細菌生長與DNA復制之間的協同機制認識尚不全面。合成DnaA活性“探測器”：定量其振蕩與DNA復制起始的關系為直接觀測DnaA蛋白活性的細胞周期性振蕩，劉陳立團隊構建了DnaA活性可定量調節的平臺菌株，設計并合成了一系列可響應DnaA活性的合成啟動子。通過系統定量這些啟動子對DnaA活性變化的響應特性，團隊篩選出了對DnaA活性高度敏感且響應特異的啟動子Psyn66。隨后，借助mRNA熒光原位雜交技術，并以不響應DnaA活性的組成型啟動子Pcon作為參照，解析出Psyn66報告的DnaA活性的細胞周期變化規律。定量分析表明：無論生長速率如何改變或基因表達受到何種干擾，DnaA活性均隨細胞大小呈現顯著振蕩，該振蕩與dnaA基因的轉錄無關，且其峰值始終精準出現在DNA復制起始的時刻。這一結果在實驗上直接驗證了經典理論關于“細菌DnaA活性決定DNA復制起始時機”的核心預測。DnaA活性調控“擠出”機制的提出及例證在驗證經典理論的基礎上，團隊進一步探究了“DnaA表達停止后DNA仍可進行多輪復制”這一經典理論未能解釋的現象，并提出了一種新的DnaA活性調控機制——“擠出模型”（extrusion model）。該模型推測，除了已知的調控途徑外，細胞內可能還存在一種可與DNA結合的“擠出因子”，它能夠通過構象變化或競爭性結合，促使結合在DNA上的DnaA蛋白釋放到細胞質中，從而使DnaA活性在其合成停止后仍可維持一段時間的上升，以啟動后續幾輪DNA復制。通過系統篩選細胞內可與擬核結合的蛋白質，研究團隊發現高豐度DNA結合蛋白H-NS具備“擠出因子”的潛在特征，隨后合成并引入相關基因線路，穩定或瞬時提升H-NS的表達水平，結果觀察到DnaA活性迅速增強，且DNA復制起始時機相應提前。該實驗結果為H-NS可能作為“擠出因子”參與調控DnaA活性提供了直接證據，進一步支持了“擠出模型”的合理性。該研究秉承“造物致知”的研究理念，通過對生命系統進行合成重構與定量表征，并結合理論建模與仿真分析，揭示了協調細胞生長和DNA合成的新機制：DnaA活性的“擠出式”調控。這一發現不僅深化了人們對細菌細胞周期調控的理解，也為人工合成生命功能模塊的協同調控提供了新的設計思路。未來，在組裝具有復雜功能的人工生命系統時，或許可以借鑒此類天然調控機制，使各個功能模塊像細菌細胞內的高度協同網絡一樣，實現有序、高效且穩定的動態運轉。相關研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導B科技專項等多個項目的支持。中國科學院深圳先進技術研究院合成所劉陳立研究員為該文章的通訊作者，助理研究員李登進、副研究員鄭海和白陽為該文章的共同第一作者。圖1.?eLife雜志上刊發的文章截圖圖2.?合成DnaA活性“探測器”，定量其周期性振蕩與DNA復制起始的關系圖3. DnaA活性調控“擠出”機制的提出及例證

2025-12-22

深圳先進院?| 新型微納流控平臺助力細胞外囊泡表面工程化（Journal of Extracellular Vesicles）

中國科學院深圳先進技術研究院醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室、醫工所傳感中心楊慧研究員團隊，突破傳統技術局限，成功研發出名為ExoSE(EV Surface-Engineering device)的通用微納流控平臺，可高效、標準化地完成sEV表面工程化改造，顯著提升其靶向能力。相關研究"Universal Microfluidic Platform for Multifunctional Surface Modification of Small Extracellular Vesicles"近期發表于國際細胞外囊泡研究頂級期刊Journal of Extracellular Vesicles。小細胞外囊泡(sEV)是人體內的天然“納米郵差”，具有低免疫原性、高生物相容性等特點，是藥物遞送與疾病診療的理想載體。然而，其臨床應用長期受限于兩大核心難題：來源依賴導致的異質性，以及天然靶向能力的不足。如何針對sEV進行高效、可控的表面工程化改造，成為推動其走向臨床的關鍵瓶頸。為破解這一瓶頸，中國科學院深圳先進技術研究院醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室、醫工所傳感中心楊慧研究員團隊，突破傳統技術局限，成功研發出名為ExoSE(EV Surface-Engineering device)的通用微納流控平臺，可高效、標準化地完成sEV表面工程化改造，顯著提升其靶向能力。相關研究"Universal Microfluidic Platform for Multifunctional Surface Modification of Small Extracellular Vesicles"近期發表于國際細胞外囊泡研究頂級期刊Journal of Extracellular Vesicles。ExoSE的核心創新在于將sEV表面工程化過程解耦為“加載”與“混合”兩個核心獨立模塊：加載模塊通過高通量并聯納米流控結構，實現對sEV的機械瞬時穿孔，高效嵌入功能性脂質；混合模塊則通過獨特設計微流控結構促進配體分子快速連接。這種“兩步走”策略擺脫了對供體細胞的依賴，適用于不同細胞源及高產來源如牛奶源sEV，并能兼容多肽、適配體、蛋白質等多種配體。實驗數據顯示，ExoSE在脂質嵌膜效率上高達97%以上，遠超傳統共孵育方法；單個囊泡上的配體結合數量提升3-6倍。經工程化改造的sEV在體外和體內模型中均展現出良好的靶向性能：RGE肽修飾的sEV穿透血腦屏障的能力提升超3倍，腫瘤球滲透深度顯著增加；AS1411適配體修飾的sEV對乳腺癌細胞的靶向特異性達77.8%。動物實驗進一步證實，工程化sEV可在腦中高效富集，且未引起肝腎毒性。與傳統的基因工程、物理或化學修飾方法相比，ExoSE具備源頭通用、流程簡潔、配體兼容、批間一致等突出優勢，為sEV的表面工程化提供了標準化、可擴展的解決方案。該平臺不僅能夠推動sEV在靶向治療、腦部藥物遞送等領域的應用進程，也為未來開發個性化診療工具、免疫調節載體等奠定了基礎。ExoSE平臺的成功研制，標志著sEVs表面工程進入“模塊化、標準化”時代，有望加速下一代生物納米藥物的臨床轉化。中國科學院深圳先進技術研究院楊慧研究員為論文通訊作者，復旦大學藥學院李聰教授及醫工所傳感中心曾霖助理研究員為聯合通訊作者，醫工所傳感中心博士后洪彥航為第一作者。研究工作獲得了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃等項目的支持。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/jev2.70215圖1.?通用化微流控平臺ExoSE用于小細胞外囊泡表面工程化改造。(a)基于ExoSE平臺對不同來源的sEVs進行功能化修飾原理示意圖。(b)不同來源sEVs的脂質嵌膜比例，單個囊泡上有效結合的多肽和蛋白質數量。(c)3D腫瘤球滲透結果。(d)腦組織富集圖片及血液學檢測結果。

2025-12-18

亞熱帶生態所?|?地質約束下西南喀斯特區域森林恢復的水分限制研究取得新進展

西南地區長期受高強度、高頻率人類活動擾動。近年來，通過大規模封山育林等生態修復政策，森林覆蓋度顯著提升。然而，該區域廣泛分布的喀斯特地貌具有土層淺薄、滲透性強等脆弱地質特征，疊加季風氣候周期性干旱的影響，導致大面積造林在提高植被覆蓋的同時，也可能引發土壤水分顯著下降。因此，在區域植被快速“變綠”的背景下，亟需辨析“變綠”后影響喀斯特區生態恢復可持續性與穩定性的潛在生態風險。西南地區長期受高強度、高頻率人類活動擾動。近年來，通過大規模封山育林等生態修復政策，森林覆蓋度顯著提升。然而，該區域廣泛分布的喀斯特地貌具有土層淺薄、滲透性強等脆弱地質特征，疊加季風氣候周期性干旱的影響，導致大面積造林在提高植被覆蓋的同時，也可能引發土壤水分顯著下降。因此，在區域植被快速“變綠”的背景下，亟需辨析“變綠”后影響喀斯特區生態恢復可持續性與穩定性的潛在生態風險。針對上述問題，中國科學院亞熱帶農業生態研究所環江喀斯特生態系統觀測研究站王克林研究員團隊，基于表層土壤水分、蒸散發、飽和水汽壓差等多源遙感水分數據，系統分析了西南季風區和東亞季風區不同森林類型的碳-水關系區域分異。研究結果證實，桉樹和馬尾松等人工林相比天然次生林雖具有更高的生產力，但大規模集中造林確實會導致區域表層土壤水分的下降（圖1）。尤其在季節性干旱明顯的西南季風區，桉樹林的表層土壤水分消耗速率達到東亞季風區的2.42倍，特別當表層土壤水分低于0.18m3/m3時，植被生產力開始受到抑制，表明水分供給已成為制約該地區植被恢復可持續性的關鍵因素。研究還發現，飽和水汽壓差在兩個氣候區均表現出對總初級生產力的顯著抑制作用，表明大氣干旱也是影響西南地區植被生產力的關鍵限制性氣候因子。團隊進一步揭示了地質約束下長期氣候水分虧缺狀況對植被生產力的影響機制，利用貝葉斯線性回歸方法，評估了西南地區氣候水分虧缺變化對植被生產力的影響。結果顯示，相比石灰巖和碎屑巖地區，白云巖地區植被對氣候水分虧缺(Climate Water Deficit，CWD)更為敏感，這種敏感性主要受風化層厚度與土壤厚度交互作用的調控，發現當土壤厚度超過0.57米時，植被生產力對干旱的敏感性顯著降低（圖2）。這一發現初步揭示了植被對水分虧缺敏感性的驅動因素，為理解植被應對氣候變化的恢復力提供了依據。團隊進一步發現上述水分限制矛盾在2022年西南地區破紀錄的極端干旱事件中得到進一步印證。與森林和草地相較，西南地區灌叢在干旱后恢復最為緩慢，其整體恢復時間分別是森林和草地的1.39倍和1.32倍。喀斯特區，尤其是白云巖分布區，植被表現出更強的干旱脆弱性：干旱期間灌叢的總初級生產力損失為碎屑巖區的2.57倍，且恢復時間延長60%（圖3）。進一步分析表明，溫度是非喀斯特區植被恢復的主要驅動因子，而水分利用效率則是喀斯特區植被恢復的關鍵限制因素。具體而言，在經歷極端干旱后的恢復階段，表層土壤水分受限時，喀斯特地區植被具有更高的水分利用效率；水分充足時，非喀斯特地區植被的水分利用效率更高。上述研究系統揭示了西南喀斯特地區大規模造林可能面臨土壤水分與大氣干旱的雙重限制風險，強調了需結合區域水熱條件差異制定適應性植被恢復與管理策略。相關研究得到國家自然科學基金重點基金、廣西重大科技專項和國家重點研發計劃項目的資助，論文成果分別以Regional differences in carbon-water dynamics of various plantation forests in Southwest China、Lithology controls drought sensitivity in southwest China和Bedrock controls vegetation resilience: Dominant role of lithology in the 2022 southern China drought為題，發表在Journal of Hydrology、Progress in Physical Geography: Earth and Environment和Agricultural and Forest Meteorology等期刊。論文鏈接：1?2?3圖1 不同季風區水文變量對生產力響應及2015-2020年SSM變化圖2 土壤厚度與風化層厚度交互作用的曲率分析及閾值確定圖3 2022干旱后生產力損失和恢復時間的巖性和植被類型分異

2025-12-18

深海所成功研發全海深原位生物地球化學實驗系統并應用于深淵研究

中國科學院“全球深淵探索計劃”（GHEP）團隊自主研發了全海深生物地球化學實驗系統（Biogeochemistry Experiment System，簡稱BES），并在雅浦海溝和馬里亞納海溝的深淵帶（深度7869-10903米）成功開展了原位培養實驗。近日，這一研究進展以 “Development of a full-ocean-depth biogeochemistry experiment system and its first application at hadal zone” 為題發表于國際期刊《Deep Sea Research-Part I》，標志著我國在深海原位實驗研究領域邁出了重要一步，為揭示深海深淵生命活動與元素循環過程提供了關鍵技術支撐。????自主研發儀器：全海深生物地球化學實驗系統（BES）“全球深淵探索計劃”團隊研制的BES是一套能夠在全球最深海域進行原位培養實驗的自動化系統。該系統主要由泵、多通閥、油壓艙、鈦合金電子艙和培養袋等關鍵部件構成，具備以下突出特點：全海深作業能力：系統經過實驗室模擬測試，可在110Mpa壓力和2°C低溫的極端環境下穩定運行;原位操作優勢：能夠直接在海底完成海水采集和培養實驗，避免了傳統采樣方式因溫度、壓力等環境變化對樣品活性和完整性的影響;雙模式設計：支持通過著陸器布放模式與載人潛水器布放模式，適應不同科研需求。????原位實驗的重要性：突破傳統研究局限傳統深海研究通常采用CTD采水器采集樣品后甲板培養的方法，樣品在回收過程中經歷的壓力劇變和溫度波動會顯著改變微生物活性和地球化學過程速率，導致測量結果存在偏差，BES系統的創新之處在于實現了真正意義上的原位實驗：在海底直接采集水樣并立即開始培養；全程保持深淵環境的原始溫度、壓力和化學條件；最大程度保留了微生物群落的自然狀態和活性；獲得了更接近真實情況的生物地球化學過程速率數據????應用地點：世界最深海域BES系統在 “探索一號”科考船TS03航次中，成功應用于兩個深淵環境（圖1）：馬里亞納海溝：挑戰者深淵，深度達10900-10903米雅浦海溝：中部區域，深度7869-7884米圖1. BES搭載“原位實驗號”著陸器開展深淵海底原位培養實驗這些部署驗證了BES系統在極端深淵環境下的可靠性和操作可行性。通過BES系統的海底布設，研究團隊首次原位測量了海斗深淵帶氨氧化和亞硝酸鹽氧化速率，證實了即使在萬米深淵，仍然存在活躍氮轉化過程。目前改進版BES系統搭載深海載人潛水器已在多個深海深淵環境得到了進一步應用（圖2）。圖. 2正在海底工作的BES，系統由載人深潛器完成布放???未來展望BES系統的研發和應用，為我國深淵科學研究提供了強有力的技術平臺。該系統未來還可拓展應用于甲烷氧化等其他生物地球化學過程的原位研究，在冷泉、熱液和缺氧區等特殊深海環境中發揮重要作用。隨著技術進一步優化，BES有望成為揭示深海深淵元素循環與微生物生態耦合關系的重要工具。文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967063725001840?????關于全球深淵探索計劃（GHEP）：“全球深淵探索計劃”（Global Hadal Exploration Programme, GHEP）是一項為期十年的由中國科學院深海科學與工程研究所發起的聯合國海洋十年科學計劃，致力于探索和認知全球海洋最深區域--深淵，其前身為“全球深淵深潛探索計劃”（Glabal TREnD）。該計劃依托尖端深潛及探測技術裝備對深淵地質、生命與環境開展系統科學研究。了解更多信息，請訪問：http://globaltrend.idsse.ac.cn

2025-12-16