爆发！2021年浙江大学在Cell/Nature/Science发表17项研究成果

自2021年以来（截至2021年8月12日），以浙江大学作为通讯单位的研究团队在Cell ，Nature 及Science 发表了17项研究成果，在物理学，材料学，生命科学等领域取得重大进展，iNature系统盘点这些研究成果：

【1】化学反应往往被概念化为单个分子转化为产物，但通常在探索整体平均行为的实验中观察到。单分子方法超越了整体平均值，揭示了反应位置、途径和动力学的统计分布。这已经通过光阱和扫描探针显微镜在具有高空间分辨率的特定位置操纵和观察个体反应以及使用超灵敏光电探测器的现代光学方法来实现，这些方法能够实现高通量单分子测量。然而，有效探测单分子溶液化学仍然具有挑战性。2021年8月11日，浙江大学冯建东团队在Nature 在线发表题为“Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution”的研究论文，该研究展示了水溶液中单分子电化学反应的光学成像及其在超分辨率显微镜中的用途。该方法利用化学发光反应，涉及在电极上电化学产生的钌络合物，确保最小的背景信号。这使该研究能够直接捕获单个反应的电化学发光的单光子，并开发超分辨率电化学发光显微镜，以高时空分辨率对活细胞的粘附动力学进行成像。该研究预计该方法将促进对电化学反应的基本理解，并证明对生物测定和细胞成像应用有用。

【2】2021年7月16日，南京工业大学王军，浙江大学邢华斌及新加坡国立大学颜宁共同通讯在Science 在线发表题为“Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving”的研究论文，该研究报告了一种简便、无模板的水热方法，用于自组装杂原子沸石整料 Fe-MOR(n)（其中 n 是初始 Fe/Si 摩尔比），其固有的高机械强度可以可直接用作成型物理吸附剂。在 CO2 捕获中，Fe-MOR(n) 系列根据分子大小筛选 CO2、Ar、N2 和 CH4，并表现出前所未有的 CO2 吸收和 CO2/Ar(N2, CH4) 选择性和快速吸附动力学。总之，具有超高机械强度的 Fe-MOR 沸石整料采用无粘合剂和无模板的水热路线自组装，具有成本效益、节能和环境友好的特点。一些孤立的四面体 Fe 元素位于一维微孔通道内，导致精确变窄的微通道的沸石孔隙系统。骨架铁元素和这种孔隙特征的结合赋予了高 CO2 吸附能力、有效的基于尺寸的分子筛选能力和优异的水分稳定分离性能。这种材料在分离 CO2/N2(CH4) 时能耗低，产品回收率和纯度高。所有这些特性使 Fe-MOR 整料成为一种很有前途的自成型吸附剂。这项工作展示了一种用于 CO2 捕获的高性能自成型吸附剂，并突出了杂原子沸石材料在气体吸附和分离中的实际应用潜力（点击阅读）。

【3】2021年7月8日，华中科技大学陶光明及浙江大学马耀光共同通讯在Science 在线发表题为“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的研究论文，该研究突破性地研发了一种具有形态分级结构(Hierarchical-morphology structure)、可大批量制备的光学超材料织物(Metafabric)，具有优异的日间辐射制冷能力，对实现高效的户外个人热管理具有重要意义。

【4】2021年7月8日凌晨，浙江大学童利民教授团队在Science 在线发表题为“Elastic ice microfibers”的研究论文，该研究报道了这种神奇的冰—有史以来最具弹性和韧性的冰微纤维。这种冰微纤维可以像煮熟的面条一样弯曲成几乎完整的圆形，然后再恢复到原来的形状。而且，除了优异的弹性和柔韧性，该冰微纤维还可以像最先进的片上光导一样沿其长度方向传输光线，有望用于低温下工作的低损耗光波导。

【5】2021年6月25日，浙江大学唐睿康及刘昭明共同通讯在Science 在线发表题为“Pressure-driven fusion of amorphous particles into integrated monoliths”的研究论文，该研究通过在调节结构结合水和外部压力的同时融合颗粒来制造无定形碳酸钙的无机整料。由于其结构连续性，整料是透明的，机械强度接近单晶方解石。无定形体中的动态水通道由含水量和施加的压力协同控制，并促进粒子融合的质量传输。该研究策略提供了一种替代传统烧结方法，该方法对于构建温度敏感的生物矿物和生物材料的整体结构应该具有吸引力（点击阅读）。

【6】LaAlO3和KTaO3（111）之间的氧化物界面可以具有超导状态。 2021年5月14日，浙江大学谢燕武，中国科学院物理研究所孙继荣及周毅共同通讯（共同第一作者为浙江大学陈峥、刘源和北京航空航天大学张慧）在Science 在线发表题为“Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface”的研究论文，该研究通过在KTaO3两端施加栅极电压（VG），可以将界面从超导连续调整为绝缘态，从而产生圆顶形的Tc-VG依赖性，其中Tc是转变温度。电气门控对载流子密度的影响很小，而对迁移率的影响却很大。 该研究根据接口中载体空间分布的变化来解释迁移率的调整，从而解释有效的无序性。随着温度降低，超导和绝缘两面的电阻均在最低温度下饱和，这表明出现了与失效的超导体和/或易碎的绝缘体有关的量子金属态。这一发现为人们探索低温量子现象呈现了一个崭新的视野，也为超导器件的研发提供了新的思路。

【7】电子自旋和轨道自由度的耦合是晶体中最深远的影响之一，并且是各种奇异现象的基础。然而作为一种基本粒子，电子还携带另外一个基本物理量，即自旋。如何操控自旋，研制速度更快、能耗更低的电子器件是自上世纪90年代以来科学和工程领域孜孜追求的目标。2021年5月5日，浙江大学郑毅、许祝安，中南大学夏庆林共同通讯在Nature 在线发表题为“Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic”的研究论文，该研究首次在黑砷二维电子态中发现了外电场连续、可逆调控的强自旋轨道耦合效应，实现了对自旋的高速精准控制；同时在全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理现象中，发现了新奇的量子霍尔态。该研究将对高效率、低能耗自旋电子器件研制提供坚实基础，对进一步加深量子霍尔现象的理解，以及依托拓扑超导器件的量子计算研究具有积极意义。

【8】2021年4月28日，华中科技大学刘剑峰教授，浙江大学张岩及蒙彼利埃大学Jean-Philippe Pin共同通讯在Nature 在线发表了题为“Structural basis of GABAB receptor-Gi protein coupling”的研究论文，该研究报告C类异二聚体GABA B受体的结构，该结构由抑制性递质GABA激活，并以与Gi1蛋白复合的活性形式存在。该研究发现单个G蛋白与GABA B受体的GB2亚基在一个主要涉及跨膜结构域一侧的细胞内环2的位点相互作用。这与在其他类型的GPCR中观察到的中央腔室中G蛋白结合相反。这种结合模式是由于该GABA B受体的跨膜结构域的活性形式不同于其他GPCR的。该研究工作还提供了亚基间和亚基内变化的细节，连接激动剂与该异二聚体复合物中的G蛋白活化结合。总之，该研究系统地鉴定了C型异源二聚体GABAB受体与G蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了二聚体GPCR偶联G蛋白的新模式（点击阅读）。

【9】2021年4月20日，浙江大学朱永群及张兴共同通讯在Cell 在线发表题为“Structural basis of assembly and torque transmission of the bacterial flagellar motor”的研究论文，该研究介绍了与钩复合的细菌鞭毛马达的原子分辨率冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，该分子由175个亚基组成，分子量约为6.3 MDa。该结构揭示了从带有FlgB和FliE亚基的MS环突出的10个肽介导了从MS环到杆的扭矩传递，并克服了马达旋转结构和螺旋结构之间的对称性不匹配。LP环接触远端杆，并施加静电力以支持其旋转和扭矩传递到钩。这项工作为鞭毛马达的结构，组装和扭矩传递机制提供了详细的分子知识（点击阅读）。

【10】2021年4月2日，浙江大学肖丰收、孟祥举、王亮及中国科学院精密测量科学与技术创新研究院郑安民共同通讯在Science 在线发表题为“Isolated boron in zeolite for oxidative dehydrogenation of propane”的研究论文，该研究利用多孔硅酸盐沸石（MFI）骨架分离硼，阻碍硼的完全水解和浸出，从而大幅提高催化剂的耐久性。基于该策略，研究人员设计出一种在MFI骨架中具有–B [OH…O(H)–Si]2结构的新活性中心，其中仅包含孤立的硼物种，不仅能够有效活化了分子氧和丙烷以促进其脱氢，而且阻碍了催化过程中硼的完全水解。研究结果表明，MFI骨架分离出来的硼物种对ODHP表现出极高的反应活性和选择性，可以实现高达44%的丙烷转化率，对乙烯的选择性超过80%。所制备的BS-1催化剂具有耐水性，可以在连续测试（210 h）中保持较高的活性和选择性，从而延长了使用寿命，这意味着ODHP技术往前迈出了一大步，未来有望实现工业化应用（点击阅读）。

【11】2021年3月24日，中国科学院上海药物研究所徐华强和蒋轶团队，联合浙江大学张岩研究员团队，共同在Nature 杂志上发表了最新研究成果“Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors”，这项工作成功实现该领域的多个技术突破，成功解析了三个不同种类的5-羟色胺受体的五个结构，回答了如上三大科学问题。该工作揭示了磷脂PI4P（PtdIns4P）和胆固醇如何调节受体的功能，以及药物阿立哌唑（Aripiprazole）如何识别5-羟色胺受体。阿立哌唑是临床用于治疗精神分裂症的一线用药，同时被用于治疗抑郁症、双相障碍、自闭症等重要精神类疾病（点击阅读）。

【12】2021年3月3日，浙江大学李铁风团队在Nature 发表题为”Self-powered soft robot in the Mariana Trench“的研究论文，该研究开发了一种能用于深海探测的无线自供能软体机器人，它们通过在马里亚纳海沟最深 10900 米处和南海最深 3224 米处进行实际测试，验证了这种机器人具有极好的耐压和游泳性能。该研究将有助于各种其他应用技术的发展，进一步为推动海洋监测、清理和防治海洋污染、保护海洋生物多样性提供更多创新方案，更重要的是，它们可以帮助科学家探索海洋深处的大片未知地带（点击阅读）。

【13】2021年2月10日，中国科学院上海药物研究所徐华强课题组，联合美国匹兹堡大学张诚课题组、浙江大学医学院与浙江省良渚实验室张岩课题组以及北卡罗来纳大学教堂山分校Bryan L. Roth课题组在Cell 在线发表题为“Structural insights into the human D1 and D2 dopamine receptor signaling complexes”的研究论文，该研究通过解析选择性D1R激动剂以及非选择性多巴胺受体激动剂激活下D1R-Gs以及D2R-Gi复合物的结构，结合功能试验数据，阐释了D1R和D2R在配体选择性以及G蛋白选择性识别上的机制等重要的生物学问题，为开发以D1R和D2R为靶标的选择性药物以及更为安全的抗神经精神疾病类药物提供了重要的结构和理论基础（点击阅读）。

【14】2021年1月29日，浙江大学，中国科学院上海应用物理研究所，丹麦技术大学等多单位合作，王勇，高嶷、Jakob B. Wagner、Thomas W. Hansen共同通讯在Science 在线发表题为“In situ manipulation of the active Au-TiO2 interface with atomic precision during CO oxidation”的研究论文，该研究首次在原子尺度下一氧化碳催化氧化过程中观察到催化剂界面活性位点的可逆变化，并据此实现了界面活性位点的原子级别原位调控。这项成果对今后设计更好的环境催化剂、高效稳定地处理污染气体具有重要意义（点击阅读）。

【15】2021年1月6日，中国科学院上海药物所，北京大学，山东大学及浙江大学等多单位合作，徐华强，张岩及孙金鹏共同通讯在Nature 在线发表题为”Structures of the glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97–Go complex“的研究论文，该研究报告糖皮质激素应激激素激活粘附性G蛋白偶联受体G3（ADGRG3；也称为GPR97），一种典型的粘附性GPCR。与抗炎药倍氯米松或类固醇激素皮质醇结合的GPR97-Go复合物的冷冻电子显微镜结构表明，糖皮质激素与跨膜结构域的囊袋结合。糖皮质激素的甾体核心与“拨动开关”残基W6.53堆积在一起，该残基感知配体的结合并诱导受体的活化。活性GPR97使用四元核和HLY基序来固定七跨膜束并介导G蛋白偶联。GPR97的细胞质侧有一个开放的腔，所有三个细胞内环都与Go蛋白相互作用，从而促进了GRP97的高基础活性。已发现Go蛋白胞质尾部的棕榈酰化对于与GPR97的有效结合至关重要，但在其他已解决的GPCR复杂结构中未观察到。该研究工作为配体与粘附GPCR的七个跨膜结构域结合以及随后的G蛋白偶联提供了结构基础（点击阅读）。

【16】2021年1月6日，深圳华大生命科学研究院、昆明动物研究所及哥本哈根大学张国捷、浙江大学周琦和阿德莱德大学Frank Grutzner共同通讯在Nature 在线发表题为”Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution“的研究论文，该研究发表了鸭嘴兽和短鼻针鼹（后简称针鼹）的基因组，并利用其信息对哺乳动物的演化以及单孔目性染色体演化进行了分析，为深入了解哺乳动物的重要演化历程提供了新的结果（点击阅读）。

【17】在生物组织和人工分子组装体中均广泛观察到刺激响应性融合和裂变。然而，在重复融合和裂变过程中具有结构和特性持久性的系统的设计仍然具有挑战性。2021年5月7日，浙江大学高超团队在Science 在线发表题为“Reversible fusion and fission of graphene oxide–based fibers”的研究论文，该研究首次发现湿法纺丝制备的氧化石墨烯（GO）纤维在溶剂的触发下会发生动态可逆的融合和裂变行为。同时， 该概念通过GO涂层进一步扩展到了常规纤维，为未来功能响应材料的设计提供了一个通用的策略。

由于成果较多，如有遗漏，请告知我们。

细菌游动和成群运动是细菌在不同环境中生存和生物膜形成所必需的，并且在发病机理中起着多种作用，包括达到最佳宿主位点和入侵。细菌鞭毛是用于细菌游动的巨大蛋白质机器，由约25种不同的蛋白质组成，包括结构和调节成分。鞭毛的结构由三个不同的部分组成：旋转马达，万向节和螺旋桨。旋转马达由离子导电定子MotAB或PomAB供电，并且是鞭毛的组装基础。它跨越细胞质膜和外膜，由L环，P环，MS环，C环，棒和输出装置组成。万向节是将马达连接到细丝的钩子，细丝充当鞭毛的螺旋桨，以推动细菌细胞并赋予其运动性。

鞭毛马达在细胞质中有一个输出设备，类似于细菌III型分泌系统（T3SSs）的输出设备，可将鞭毛蛋白跨细菌膜转运。有人提出细菌鞭毛是T3SS的进化祖先。与固定在细菌膜上的T3SS基体不同，鞭毛马达的MS环，C环和杆在运转时会高速旋转。细菌内膜中的旋转MS环由蛋白FliF组装。已经发现，MS环包含约24-36个拷贝的FliF，具有内部混合对称性。C环是鞭毛马达的旋转复合体，用于旋转方向转换，由蛋白质FliG，FliM和FliN形成，并与MS环的细胞质侧动态相互作用。杆与MS环和LP环同轴，并且由FliE，FlgB，FlgC，FlgF和FlgG的亚基组成。外膜L环和周质P环分别由蛋白质FlgH和FlgI组装。

文章模式图（图源自Cell ）

由于其复杂性，鞭毛马达对于生物化学和结构生物学研究是一个极具挑战性的主题。在过去的几十年中，有关其功能，低分辨率成像分析以及定子MotAB / PomAB产生力的研究取得了许多进展。生化分析提供了关于鞭毛运动成分化学计量的预测。然而，鞭毛马达的详细结构以及组装和扭矩传递机构仍然不清楚。

在这项研究中，该研究确定了与肠炎沙门氏菌组装状态下的钩处于复杂状态的鞭毛马达的原子分辨冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构。这项工作为鞭毛马达的组装和扭矩传递机制提供了高分辨率的结构见解。

版权声明：本文转自“iNature”，文章转载只为学术传播，不代表本号观点，无商业用途，版权归原作者所有，如涉及侵权问题，请联系我们，我们将及时修改或删除。

WOSCI沃斯编辑，耶鲁大学博士团队匠心打造，专注最新科学动态并提供各类科研学术指导，包括：前沿科学新闻、出版信息、期刊解析、SCI论文写作技巧、学术讲座、SCI论文润色等。