稀土元素因其独特的电子结构和丰富的跃迁能级使其成为巨大的发光材料的宝库，在显示、照明、通讯等领域具有不可替代的重要地位。稀土发光配合物是一类重要的发光材料，其发光机理可以分为f-f跃迁和d-f跃迁。相比于被广泛研究的具有跃迁禁阻、发射峰窄、激发态寿命长等特点的f-f跃迁稀土发光配合物，研究较少的d-f跃迁稀土发光配合物具有跃迁允许、发射峰宽、激发态寿命短等特点，能够拓展稀土发光配合物在更多领域的应用。近日，北京大学化学与分子工程学院的刘志伟研究员和北京农学院的曲江兰教授合作，在Angewandte Chemie International Edition杂志上发表了题为“Delayed doublet emission in acerium（III）complex”的VIP论文，该工作通过内外层配位空间的设计与调控发现了首例具有延迟二重态发射的稀土铈（III）配合物，这也是首例基于金属中心发光的热激活延迟荧光材料。稀土铈（III）离子的基态电子构型为4f15d0，激发态电子构型为4f05d1，自旋多重度均为2，其配合物一般具有二重态的d-f跃迁发光性质。在传统铈（III）发光配合物的设计中，配体的第一三重激发态（T1）的能级应大幅高于金属中心的第一二重激发态（D1）的能级，以避免能量从D1传递到T1而耗散，从而确保激发态D1到基态D0的高效发光。作者基于对D1和T1能级的独立调控，在铈（III）配合物Ce（CzPhTp）3中实现了较小的二、三重激发态能级差DETD。室温下Ce（CzPhTp）3的固体粉末和二氯甲烷溶液具有蓝光发射，光致发光量子产率分别为84%和70%，较小的DETD下的高光致发光量子产率得益于延迟二重态发射过程的激活。图1.（a）典型的铈（III）配合物的二重态发射的能级图。（b）Ce（CzPhTp）3的分子结构示意图和空穴-电子分析计算的Ce（CzPhTp）3的激发态的电子分布（用蓝色等值面表示）。（c）Ce（CzPhTp）3的延迟二重态发射的能级图。kDE代表二重态激发态的辐射跃迁速率。kDDE代表延迟二重激发态的辐射跃迁速率。knr，D和knr，T分别代表二重激发态和三重激发态的非辐射跃迁速率。D0和S0分别代表铈（III）离子和配体的基态。D1代表铈（III）离子的第一二重激发态。T1代表配体的第一三重激发态Ce（CzPhTp）3在二氯甲烷溶液中的激发态以双指数寿命衰减，短寿命组分（32ns）为瞬时二重态发射，而长寿命组分（1498ns）为延迟二重态发射。变温光谱测试表明低温下从D1到T1的能量传递受到抑制，随着环境温度升高，从D1到T1的能量传递效率增加，瞬时二重态发射的比例减小，延迟二重态发射的比例增加。作者根据Arrhenius图的拟合推出DETD值为0.220eV。图2.Ce（CzPhTp）3的光致发光性质。（a）Ce（CzPhTp）3的二氯甲烷溶液（10−3M）的紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱（内插图是溶液在365nm激发下的照片和380nm附近吸收光谱的放大图）。（b）Ce（CzPhTp）3的二氯甲烷溶液（10−3M）分别在氮气和氧气氛围下的光致发光衰减曲线。（c）Ce（CzPhTp）3的2-甲基四氢呋喃溶液（10−3M）在不同温度下的光致发光衰减曲线，激发波长为370nm。（d）从Ce（CzPhTp）3的二重激发态D1到三重激发态T1的能量传递速率常数kET的Arrhenius图，线性拟合得到的直线斜率用于确定活化能DETD不仅如此，作者还通过取代基的改变设计得到DETD分别为0.80eV和–0.21eV的铈（III）配合物Ce（FPhTp）3和Ce（NapTp）3。前者因为具有较大的二、三重激发态能级差DETD而表现出典型的二重态发射，室温下其二氯甲烷溶液发射蓝光，激发态寿命为63ns，光致发光量子产率高达100%。后者在室温下的二氯甲烷溶液中不发光，但是其掺杂薄膜表现为配体的磷光发射，光致发光量子产率为19%。在Ce（NapTp）3中D1向T1的传能使得二重态发光被基本猝灭，这是首例分子内二重态向三重态传能发光，即二重态敏化磷光发射。图3.低温77K下三种铈（III）配合物Ce（CzPhTp）3、Ce（FPhTp）3和Ce（NapTp）3在2-甲基四氢呋喃溶液（10−3M）中的（a）光致发光光谱（b）瞬态光致发光衰减曲线。（c）Ce（NapTp）3的光致发光机理。kP代表磷光的辐射跃迁速率。knr，T代表三重激发态的非辐射跃迁速率该工作展现了稀土铈（III）离子内外层配位空间的可调性，进而赋予了铈（III）配合物的能级调节的灵活性和发光机理的多样性。延迟二重态发射和二重态敏化磷光发射的发光机理均是首次报道，这丰富了我们对二重激发态弛豫过程的理解，并为d-f跃迁稀土铈（III）配合物的结构设计和激发态调控提供新的思路。刘志伟和曲江兰为该论文的共同通讯作者，北京大学化学学院博士研究生方培玉和北京农学院的硕士研究生刘佳玟为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市教委、北京分子科学国家研究中心的资助与支持。 查看详细>>

作为一种宏观量子物态，超导体具备零电阻和完全抗磁性等独特的物理特性，在医疗、信息、交通、能源、量子科技等众多领域具有重要的应用价值，百余年来受到了学术界和工业界的广泛关注。BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超导微观理论指出，超导起源于自旋和动量相反的两个电子结合形成的零质心动量库珀对（Cooper pairs）相干凝聚。然而，当时间反演对称性被破坏时（如施加强磁场），理论上超导体中自旋相反的两个电子可以形成质心动量不为零的库珀对，对应的超导序参量在实空间中呈现出周期性调制（波动）特征，即著名的FFLO（Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov）态。虽然早在1964年FFLO态就被提出，但这一特殊超导态的实现对材料和实验条件有着非常苛刻的要求。直到今天，FFLO态存在的直接证据，譬如实空间中周期性波动的超导序参量，实验上仍然很难获得。在研究铜基超导体中出现的二维超导特性时，有理论指出非零动量的库珀对有可能出现在保持时间反演对称性的强相互作用系统中，这一新型超导态的库珀对密度在实空间会出现周期性的波动，所以被称为配对密度波（pair density wave，PDW）态。配对密度波这一奇异超导特性与非常规超导，尤其是铜基高温超导之间的关联性引起了理论方面的持续关注和研究。在诸多关于配对密度波的理论中，最引人注目的是配对密度波在铜基高温超导体的相图中可能是一种与d波超导并存的重要主导序，有望提供一个统一的视角来理解高温超导相图中复杂的交织序（intertwined orders），以及这些交织序与高温超导电性的关联。同时，铜基超导体相图中神秘的赝能隙（pseudogap）相，被部分理论工作认为可能来自于配对密度波序。然而前期只在部分铜基高温超导体中观测到了支持配对密度波存在的证据。在铜基超导体之外的第二类高温超导家族——铁基超导体中，配对密度波态一直未得到实验的证实。此外，早期配对密度波理论研究指出，配对密度波是以低维的形式存在于非常规超导体中，遗憾的是，一直未能得到实验的明确验证。近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授课题组与波士顿学院汪自强教授、上海大学张燚副研究员合作，在二维铁基高温超导体Fe(Te,Se)薄膜中发现了本征配对密度波。这一工作是首次在铁基超导体中观测到本征配对密度波，为研究非常规超导体中的配对密度波、非常规高温超导电性以及拓扑电子态提供了一个全新的低维高温超导平台。该工作以《单层铁基高温超导体中的配对密度波态》（“Pair density wave state in amonolayer high-Tc iron-based superconductor”）为题，于2023年6月28日在线发表于学术期刊《自然》（Nature）。中国科学院物理研究所高鸿钧院士与陈辉副研究员在同期《自然》“新闻和观点”（News&Views）栏目中对该工作以及同期发表的其他三篇相关工作进行了评述。王健课题组利用超高真空分子束外延（MBE）技术在钛酸锶衬底上成功制备出大尺度、高质量的单层铁碲硒【Fe(Te,Se)】高温超导薄膜，其超导能隙高达18 meV，远大于块材铁碲硒（一种重要的拓扑超导候选材料）。在前期的相关研究中，王健课题组在单层Fe(Te,Se)薄膜的一维原子缺陷链两端观测到了稳定存在的零能束缚态，其特征与马约拉纳零能模相吻合【Nat.Phys.16，536—540（2020）】。在本工作中，王健课题组通过原位低温（4.3 K）扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）技术，对单层Fe(Te,Se)薄膜表面的另一种自发形成的原子级缺陷——晶格沿Fe原子最近邻方向挤压形成的畴界展开了系统研究（图1a—d）。课题组首先测量了畴界处局域态密度的空间分布，观测到了具有实空间周期性调制的局域态密度信号（图1e—f）。利用二维锁相分析技术（图1g—h），课题组确定了这种调制的周期约为3.6aFe（aFe为最近邻Fe原子之间的距离），并且没有色散，是典型的电荷序引起的空间调制信号。进一步的能量依赖实验表明局域态密度的周期性调制主要存在于超导能隙之中，说明这一电荷序与薄膜的超导态之间存在关联性。图1(a)单层Fe(Te,Se)薄膜的STM形貌图，图中亮线部分为畴界D1所在区域。（b）畴界处晶格结构的模拟示意图，晶格在畴界处沿Fe原子最近邻方向出现挤压。(c)图a中畴界区域放大后的STM形貌图，其中畴界所在区域用黑色虚线标记出。(d)c图的傅里叶变换（FFT）结果，图中只能看到表面Te/Se原子晶格对应的布拉格点（QBragg）。(e)c图所示区域的局域态密度空间分布，在畴界区域内局域态密度表现出周期性的调制结构。(f)e图的FFT结果。除了QBragg外，图中还出现了局域态密度周期性调制对应的波矢Q。(g)局域态密度调制的空间振幅分布，振幅值的大小对应了调制信号的强弱。具有较强调制信号的区域主要集中在虚线所示的畴界范围内。(h)局域态密度调制的空间相位分布，在虚线所示的畴界区域相位较为均匀课题组进一步对畴界处可能存在的配对密度波展开了系统测量。如图2所示，课题组在畴界处依次观测到了超导相干峰高度（图2a—c）和超导能隙（图2d—g）的空间调制，周期同样为3.6aFe。这两个物理量与超导序参量直接相关，从而提供了二维铁基高温超导体中配对密度波的直接实验证据。 查看详细>>

近日，中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队利用中国天眼——500米口径球面射电望远镜（FAST），探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据。这表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。来自北京大学科维理天文与天体物理研究所、北京大学物理学院天文学系的长聘副教授李柯伽、博士后陈思远及研究生薛子涵和徐江伟深度参与了这项工作。相关论文在我国天文学术期刊《天文与天体物理研究》（RAA）在线发表。纳赫兹引力波是引力波的一种，而引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生时空的涟漪。对频率低至纳赫兹的引力波进行探测，将有助于天文学家理解宇宙结构的起源，探测宇宙中最大质量的天体即超大质量黑洞的增长、演化及并合过程，也有助于物理学家洞察时空的基本物理原理。在此次研究中，CPTA团队利用FAST对57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，并将这些毫秒脉冲星组成了银河系尺度大小的引力波探测器来搜寻纳赫兹引力波。该团队基于独立开发的软件，对FAST收集的时间跨度3年5个月的数据进行分析研究，在4.6西格玛置信度水平（误报率小于50万分之一）上发现了具有纳赫兹引力波特征的四极相关信号的证据。引力波信号极其微弱，却是探测宇宙中不发光物质的直接手段，探测引力波并且开辟引力波观测宇宙的新窗口是天文学家长期以来追求的目标。20世纪70—80年代，引力波的存在通过观测脉冲双星系统的轨道变化得以间接证实，并获得了1993年诺贝尔物理学奖。2016年，美国激光干涉引力波天文台（简称LIGO）宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如，星系中心的超大质量黑洞是宇宙中质量最大的致密天体（一亿到百亿倍太阳质量）。超大质量双黑洞系统绕转时产生的引力波主要集中在纳赫兹频段，相应的信号时标为年到几十年。在这个频段内，还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦等奇异对象产生的引力波。开辟纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口对于理解超大质量黑洞、星系并合历史、宇宙大尺度结构形成等问题具有重大意义。纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。发现纳赫兹引力波是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。国际上的多个团队，如北美的NANOGrav、欧洲的EPTA、澳大利亚的PPTA，利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。近年来一些新生力量也逐渐加入这一领域，包括我国的CPTA、印度的InPTA和南非的SAPTA。脉冲星测时阵探测纳赫兹引力波的灵敏度强烈依赖于观测时间跨度——即灵敏度随着观测时间跨度的增长而迅速增加。CPTA研究团队面对观测时间跨度远短于美、欧、澳三个国际团队的不利局面，充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数目多、测量精度更高的优势，长期系统地监测了一大批毫秒脉冲星，自主开发独立数据分析软件，以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势弥补了时间跨度上的差距，使我国纳赫兹引力波探测灵敏度很快达到了与美、欧、澳相当的水平，从而同时实现此次重大科学突破。不过，受限于当前观测数据较短的时间跨度，CPTA团队暂时无法确定纳赫兹波段引力波的主要物理来源，但这将随着后续观测数据时间跨度的增加而解决。由于CPTA现有数据时间跨度较短，所以数据时间跨度增长带来的效果会更明显，例如，如果数据时间跨度再增长3年5个月，CPTA的数据时间跨度将翻倍，而其他国际团队仅增长不到20%。后续，CPTA团队将充分发挥FAST脉冲星测时精度的国际领先优势，加快纳赫兹引力波探测科研攻关，积累更长期的观测数据，逐步发表更高精度的探测结果，彻底打开人类利用纳赫兹引力波探测宇宙的新窗口。中国科学院国家天文台还将积极推进FAST扩展和升级，基于脉冲星测时阵列方法，实现纳赫兹引力波事件的常规观测，从而建成纳赫兹引力波天文台，并开启更高灵敏度和更高分辨率的低频射电观测研究新纪元，将我国加快建设成为引力波天文和射电天文的强国。国际上，其他脉冲星测时阵列合作组，包括EPTA-InPTA联合团队、NANOGrav团队和PPTA团队，也将和国家天文台同一天宣布相类似的结果。北京大学团队也深度参与了其中EPTA的相关工作。未来，这些区域性合作将推进国际脉冲星测时阵列合作，期待脉冲星测时阵列将很快为人类探索宇宙打开纳赫兹引力波观测新窗口。 查看详细>>

手性是分子立体构型的固有属性。在自然界，一对对映异构体在生命活动、化学反应、物理过程中表现出截然不同的性质，因此，对手性的精确检测以及不对称反应路径的准确调控是化学家一以贯之的目标，也是国内外几十年来研究的热点。现有的手性检测技术，如柱色谱、热力学测量等需要量身定制“手性适配体”；而圆二色谱需要目标手性分子具有特定生色团以及高纯度。在高通量合成以及精准化学的时代背景下，手性检测灵敏度和普适性亟待进一步提高。单分子检测达到了分析化学灵敏度的极限，而普通的单分子信号中手性相关的信息通常难以区分，难以拆分。因此，基于单分子检测的手性测量值得期待但依旧任重道远。北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授课题组长期从事单分子科学与技术的研究，突破性发展了制备稳定单分子器件的普适性方法，构建了国际首例稳定可控的单分子电子开关，发展了单分子检测的独特技术，开拓了单分子交叉科学研究的新领域。特别是，构筑石墨烯基单分子结，根据分子电导与其结构的密切关系，以电学或光电多模态表征方法先后实现了对光化学反应（Science 2016,352,1443;Nat.Commun.2019,10,1450）、分子构象变化（Nano Lett.2017,17,856;Matter2021,5,1224）、非共价相互作用（Sci.Adv.2016,2,e1601113;Nat.Commun.2018,9,807;Sci.Adv.2021,7，eabe4365;Chem2022,8,243;Adv.Sci.2022,2200022）、基本有机反应（Nano Lett.2018,18,4156;Sci.Adv.2018,4,eaar2177;J.Am.Chem.Soc.2022,144,3146;Sci.Adv.2021,7,eabf0689;Adv.Mater.2022,2204827）、金属有机催化（Nat.Nanotechnol.2021,16,1214;Nat.Commun.2022,13,4552）、有机小分子催化（Matter2021,4,2874）、反应尺度增加的复杂度涌现（J.Am.Chem.Soc.2023,145,6577）、溶剂相互作用（JACS Au2021,1,2271）等的研究。基于这些系统研究，他还应邀以“Reactions in Single-Molecule Junctions”为题撰写综述一篇（Nat.Rev.Mater.2023,8,165）。这些研究突破了系综平均，描绘了动态、多维的单分子行为图像，开拓了单分子反应动力学可视化的新方向，被相关专家誉为“具有中国标签”的前沿研究方向。尽管如此，对映异构体差异小，电导通常简并，难以区分。郭雪峰课题组曾锚定手性环糊精，通过手性-手性特异性相互作用，实现了多种氨基酸的手性检测，并建立“指纹图谱”（Sci.Adv.2021,7,eabe4365）。但检测的普适性仍需拓展，对反应过程中手性变化的实时跟踪更需要从“0到1”的突破。近日，他们与合作者利用电学检测中电子的内禀属性——自旋，结合具有普适性的手性诱导的自旋选择性效应（Chirality-induced spin selectivity,CISS）实现了对反应过程中不对称破缺的实时原位监测（图1）。CISS是对映异构体对通过的自旋极化电流的选择性过滤效应，使得手性分子在构筑自旋电子器件方面展现了非凡的潜力。但该现象的本征机制长期存在争议。主流观点认为手性分子产生巨大的“螺线管磁场”，但依旧难以解释实验中自旋极化率比该理论预测高几个数量级的事实。为了阐明CISS效应的本征机制，郭雪峰课题组将传统器件的一侧金电极更换为磁化的铁磁电极实现自旋注入，并将手性反应中心（马来酰亚胺的Michael加成）设计于导电通道之外（图1b）。产物的对应异构体同样展现了相当高的自旋选择性，表明了碳基单分子自旋阀的成功构筑（图2），属于国际首例。这一实验现象也说明，手性小分子的“螺线管磁场”仅提供初始但必不可少的对称性破缺，CISS效应可归因于金属（Au）中（自旋轨道诱导）表面磁化方向与手性分子引起的诱导螺线管场的对齐，即电极的自旋滤波，从而可得到相当高的自旋极化率。为了验证该机理，基于Landauer方程拟合未磁化情况下的I−V曲线获得单分子器件基本参数后，可准确模拟得到自旋注入下的电流过滤效应，与实验基本一致（图2），从而阐明了具有长期争议的CISS机制，为自旋电子学的进一步发展奠定基础。该工作于5月16日以“Real-time monitoring of reaction stereochemistry through single-molecule observations of chirality-induced spin selectivity”为题，在线发表在Nature Chemistry杂志上（Nat.Chem.2023,DOI:10.1038/s41557-023-01212-2），并同时得到《中国科学•化学》《中国科学•材料》《光明日报》《科学网》、Nature Review Materials以及Chemistry World的亮点报道。这项研究的第一作者是北京大学化学与分子工程学院博士后杨晨和山东大学李延伟教授。郭雪峰、以色列本·古里安大学Yonatan Dubi教授、加利福尼亚大学洛杉矶分校Kendall N.Houk教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。 查看详细>>

在高等真核生物中，基因组在细胞核内的三维空间构象对细胞功能至关重要。例如，增强子常常通过三维空间相互作用对远端目的基因的转录活性起调控作用1-3。三维基因组水平上的异常也被发现与包括癌症在内的多种疾病的发生密切相关4-6。然而，三维基因组与基因表达的整体关系仍然存在争议。例如，通过靶向降解染色质空间构象的关键调控蛋白CTCF或cohesin，可以使基因组空间构象发生重大重排，但对基因表达却只造成了较微弱的影响7-9。在果蝇胚胎中，不同细胞类型间的基因表达具有显著差异，但染色质结构差别并不明显10,11。因此，想要进一步认识复杂组织器官和丰富细胞类型背景下的染色质三维结构和基因表达之间的关系，亟需更有力的工具。2023年6月9日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）邢栋课题组在Science期刊发表了题为“Linking genome structures to functions by simultaneous single-cell Hi-C and RNA-seq”的研究论文，报道了一种新型单细胞多组学技术HiRES（Hi-C and RNA-seq employed simultaneously），首次基于测序方法实现了在单细胞水平对转录组和三维基因组的同时检测。HiRES方法在细胞群体水平进行原位反转录和染色质构象捕获（3C），之后通过流式分选得到单细胞，再对每个单细胞进行扩增后测序（图1A）。DNA或RNA读段通过反转录过程中引入的RNA识别序列进行区分，因此该方法不涉及DNA和RNA的物理分离，最大程度地提高了检测效率。在小鼠大脑样品中，平均每个细胞可以检测到6517个基因，27,468条转录本（UMIs）以及317,435个染色质相互作用（图1B、C）。利用该数据，研究人员可以对单细胞三维基因组进行高分辨率结构重构，并可以在三维结构上对基因表达水平进行观测（图1D、E）。图1 HiRES方法能高效检测单细胞的转录组和三维基因组（A）HiRES方法流程示意图。（B）MALBAC-DT和HiRES两种方法检测到的基因和转录本数目。（C）Dip-C和HiRES两种方法检测到的染色质相互作用数。（D）示例单细胞染色质三维结构上的染色质区室化情况，可以看到异染色质（洋红色）和常染色质（绿色）的分区。（E）示例单细胞染色质三维结构上的基因表达情况。球的大小代表表达量的高低之后，利用HiRES方法，研究人员绘制了小鼠胚胎自妊娠后7天至11.5天这一时期共7469个单细胞的转录组和三维基因组图谱。通过对该双组学数据的分析，该研究在以下几个方面进行了探索：一、不同细胞类型中细胞周期对三维基因组的影响胚胎发育时期的细胞处在快速增殖的过程中，细胞周期对三维基因组的影响不容忽视。该研究利用HiRES的双模态数据，开发了一种对单细胞进行细胞周期划分的策略。该策略主要依赖DNA空间相互作用特征、细胞周期相关基因表达以及DNA复制程度等指标，可以将单细胞分配到不同的细胞周期状态之一（图2）。北京大学生物医学前沿创新中心、生命科学学院博士生刘致远、陈玉洁、夏启旻为该论文的共同第一作者，邢栋为该论文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金、北京大学"临床医学+X-青年学者项目"和北京未来基因诊断高精尖创新中心的资助，以及北京大学高通量测序平台的协助与支持。 查看详细>>

营养感应对于生物体优化代谢过程以响应外界环境的变化至关重要，而营养感应的失调通常会导致多种代谢性疾病（1，2），解析营养感应机制有助于代谢性疾病治疗策略的优化与迭代。脂肪变性是一类以脂滴在非脂肪组织中过度积聚为特征的病理状况，在肝脏中的脂肪变性会发展为非酒精性脂肪性肝炎（NASH）和肝硬化，在肌肉中发生的脂肪变性可诱发肌肉萎缩和少肌症（3）。脂肪变性与营养状况异常密切相关，通常认为是营养过剩的一种“富贵病”。事实上，营养缺乏也会导致肝脏与肌肉脂肪变性。因蛋白质缺乏而营养不良的儿童，虽然瘦骨嶙峋，却往往患有严重的脂肪肝病和肌肉减少症（4）。与之类似，神经性厌食症（anorexia nervosa）患者也容易罹患严重的肝脂肪变性或肌肉萎缩（5）。更值得注意的是，依赖禁食实现快速减肥的人群患肝脏和肌肉脂肪变性的风险更高（6）。那么，为什么营养不良的消瘦人群会和营养过剩的肥胖人群一样患上脂肪变性疾病呢？2023年6月2日，北京大学生命科学学院朱健/刘敏课题组在Journal of Cachexia,Sarcopenia and Muscle杂志发表了题为“Identification of Ubr1 as an amino acid sensor of steatosis in liver and muscle”的研究论文，发现E3泛素连接酶Ubr1是肝脏和肌肉中重要的营养感应器。当必需氨基酸匮乏时，Ubr1在肝细胞和肌肉细胞中失活，不能催化脂解抑制蛋白Plin2的多聚泛素化降解。Plin2蛋白水平的升高则会抑制肝脏与肌肉脂肪的分解，从而导致脂肪变性。研究团队在脂肪变性患者的肝脏和肌肉中发现脂解抑制蛋白Plin2的水平显著升高，Plin2蛋白可能是脂肪异位积累的潜在调控因子（图1）。蛋白质降解实验表明，Plin2的含量受泛素化介导的蛋白酶体降解途径的调控。利用在果蝇中构建的筛选系统，研究团队鉴定了E3泛素连接酶Ubr1主导Plin2的降解。在果蝇和哺乳动物细胞中的实验表明，Ubr1是一种功能保守的氨基酸受体，具有两个结合口袋，分别结合两种类型的氨基酸。在氨基酸匮乏的情况下，Ubr1处于自抑制状态，无法降解Plin2，导致脂滴异位积累；只有Ubr1与氨基酸结合后，Ubr1的自抑制才得以解除，从而降解Plin2以清除肝脏和肌肉中的脂滴。这项研究不仅确定了Ubr1是脂肪变性中氨基酸的传感器，而且揭示了营养感应调控脂肪变性的新机制，为脂肪变性症的预防和治疗策略提供了新的见解。图1.脂肪变性患者的肝脏（A）和肌肉（B）中脂解抑制蛋白Plin2的含量显著升高刘敏和博雅博士后张延松、首都医科大学附属世纪坛医院胃肠外科主任石汉平是本文的共同通讯作者。首都医科大学附属世纪坛医院胃肠外科主治医师赵婉妮博士、张延松是该论文的共同第一作者。北京大学生命科学学院朱健教授、已毕业博士研究生李亚娟和清华大学生命科学联合中心博士研究生林思远也作出了重要贡献。该项目获得科技部、国家自然科学基金、细胞增殖与分化教育部重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、北京大学博雅博士后项目以及北京大学生命科学学院启东产业创新基金的资助。参考文献：1、Chantranupong L,Wolfson RL,Sabatini DM.Nutrient-sensing mechanisms across evolution.Cell2015;161:67—83.2、Efeyan A,Comb WC,Sabatini DM.Nutrient-sensing mechanisms and pathways.Nature2015;517:302—310.3、Friedman SL,Neuschwander-Tetri BA,Rinella M,Sanyal AJ.Mechanisms of NAFLD development and therapeutic strategies.Nat Med2018;24:908—922.4、Williams CD.A nutritional disease of childhood associated with amaize diet.Arch Dis Child1933;8:423—433.5、Sakada M,Tanaka A,Ohta D,Takayanagi M,Kodama T,Suzuki K,et al.Severe steatosis resulted from anorexia nervosa leading to fatal hepatic failure.J Gastroenterol2006;41:714—715.6、Liebe R,Esposito I,Bock HH,Vom Dahl S,Stindt J,Baumann U,et al.Diagnosis and management of secondary causes of steatohepatitis.J Hepatol2021;74:1455—1471. 查看详细>>

中国有约10%的人口患有肾病、约10%的人口患有糖尿病，肾病、糖尿病威胁数以亿计国人的健康。北京大学医工结合“精准医学生物传感器”团队，北京大学材料科学与工程学院崔悦研究员与北京大学第一医院杨莉教授，面向临床医学需求，研制新型精准医学生物传感器，为数亿肾病患者、糖尿病患者的长期疾病管理提供解决方案。肾脏是体内过滤代谢废物，并产生身体营养生物化学物质的重要器官。慢性肾脏疾病现已成为世界各地的公共卫生问题，给全球经济带来巨大压力。全球慢性肾脏疾病的估计患病率约为10%，其相关死亡率在过去20年中增加了41.5%。血清肌酐是肾功能最常用的指标，用于肾脏疾病的检测、疾病分期和监测。当肾脏保持健康状态时，血清肌酐水平保持在稳定范围内，即44—106μmol/L；当肾脏功能失常，体内排泄肌酐的能力受损，血清肌酐浓度将超过生理范围的最大水平。医院检测肌酐的常用方法是基于分光光度计，价格昂贵、操作复杂、耗时长、仪器体积大，无法进行居家检测和精准疾病管理。北京大学“精准医学生物传感器”团队研制了肾病肌酐生物传感器，生物传感器具有检测速度快、低成本和尺寸便携等优势，该传感器可以在0.05—1.4mM的线性范围内确定肌酐浓度，对临床血液样本的检测，该传感器性能与医院广泛使用的Jaffe方法相似。另外，基于酶的肌酐传感器在储存过程中稳定性差，限制了其实际应用。为了将这些传感器应用于实际临床患者，研究团队研究了酶在电极上的固定方法，肌酐生物传感器在室温下的储存稳定性显著提高，可以在4个月以上保持传感性能不会显著下降。在临床样品检测中，传感器可以探测血液样本中的肌酐，相对误差在20%以内，和医院检测结果具有高度一致性，并且仪器小型、廉价、可携带，可用于居家使用以精准管理疾病的发展过程。中国是糖尿病第一大国。糖尿病是一种慢性代谢性疾病，当胰腺无法产生胰岛素或当身体无法使用其产生的胰岛素来维持人类的血糖平衡时。血糖水平和胰岛素需求受多种因素影响，血糖水平和胰岛素需求的日常变化可能非常大。糖尿病的发展可能导致高血压、脑血管疾病、冠心病、视网膜病变，以及其他并发症。实时检测患者的血糖水平并注射胰岛素以将血糖水平维持在正常范围内，对糖尿病的管理至关重要。长期临床试验表明，加强对糖尿病的控制可以显著降低高血糖并发症的风险，减少住院治疗，节省医疗成本，避免无效药物，并挽救生命。糖尿病的闭环系统可以提供对糖尿病的更强控制，并且它通常包括连续的葡萄糖监测传感器和用于连续输送胰岛素的胰岛素泵。然而，传统的设备装置很大并且非常昂贵。此外，大多数消费者不希望可穿戴设备过于显眼。这些限制了闭环系统在糖尿病患者中的广泛使用，到目前为止，只有极少数糖尿病患者能够使用商业产品。 查看详细>>

2023年5月13日，由北京大学国际关系学院主办的北京大学全球风险政治分析实验室揭牌仪式暨“全球风险政治与数字全球治理”学术研讨会在国际关系学院秋林报告厅举行。来自中央党校、中国社会科学院、北京大学、清华大学、复旦大学、中国人民大学、中国社科院大学、外交学院、北京语言大学、国际关系学院、哈佛大学、普林斯顿大学、麻省理工学院、圣路易斯华盛顿大学、美利坚大学、英国剑桥大学、伦敦大学、杜伦大学、曼海姆大学、穆罕默德六世大学理工学院、首尔国立大学等国内外大学和研究机构的知名专家学者通过线上和线下参会方式齐聚一堂，共同见证实验室的成立，并围绕“全球风险政治与数字全球治理”重大课题与前沿议题展开深入交流和研讨。来自全国人大和中国商务部、高等院校、研究所、出版社、学术期刊、智库等单位的200多位官员、研究人员和师生代表出席会议。会议开幕式由北京大学国际关系学院副院长张海滨教授主持。北京大学国际关系学院院长唐士其教授代表学院致辞。他指出，国际关系学院成立北京大学全球风险政治分析实验室是国关学院学科建设，特别是国家安全学学科建设的重要组成部分。实验室致力于推动综合安全理论研究和全球风险政治分析。他对北京大学社会科学部在实验室筹备和建立过程中给予的大力支持和有力指导表示衷心感谢。北京大学社会科学部部长强世功教授指出，习近平总书记强调“坚持底线思维，增强忧患意识，提高防控能力，着力防范化解重大风险”，要求提高风险动态监测和实时预警能力，为统筹国内国际两个大局、发展安全两件大事保驾护航。因此北大全球风险政治分析实验室的成立具有重大的现实和理论意义。他表示，北京大学积极推动新文科和数字人文建设，大力支持建设文理工交叉的文科实验室，北京大学全球风险政治分析实验室就是其中一个非常重要的组成部分。学校将一如既往继续支持全球风险政治分析实验室的发展，期待实验室锐意进取、不断创新，为国家和世界有效应对全球风险贡献北大方案和北大智慧。美国圣路易斯华盛顿大学校长、美国人文与科学院院士安德鲁·马丁（Andrew D.Martin）教授为会议发来视频贺辞，称赞北京大学全球风险政治分析实验室的成立是北京大学致力于科研创新、寻求应对全球挑战的解决方案的重要举措，也是全球风险研究领域的一个里程碑。他将持续关注实验室的开创性研究成果，并期待未来有机会访问实验室。 查看详细>>

一棵棵植株在人们眼中究竟是像一只只猫猫狗狗一样的个体，还是像一丛丛珊瑚那样的聚合体，在植物学界一直是一个有争议的问题。17世纪现代植物学开创者凭他们的观察和直觉，认为植株是类似珊瑚那样的聚合体，每个芽是一个类似动物个体那样完成生活周期的基本单位。虽然这种观念一直由不同的学者传承到20世纪，并得到发育生物学大家Waddington的认可，但这种观念在19世纪因为各种阴差阳错的原因逐渐被抛弃。进入20世纪之后，把植株视为个体的观念成为主流。两种观念的争议之所以一直没有得到解决，关键在于迄今为止，植物学家一直没有在以单个“芽”的形式独立生存的植物上建立起可进行实验研究的系统。现在，北京大学和美国密西西比州立大学教授联手组织众筹，构建了一种研究植物生活周期核心形态建成过程的模式植物。2023年4月19日，国际著名科学杂志PNAS（《美国国家科学院院刊》）子刊Nexus在线发表了北大生命科学学院校友、中国人民大学附属中心李峰博士等41位作者署名的论文“Plant-on-Chip:core morphogenesis processes in the tiny plant Wolffia australiana”。该论文第一次系统地提供了微萍作为模式植物的基本信息，包括形态描述、基因组分析（包括AlphaFold蛋白结构和单细胞转录组）、微流芯片小植株培养和转基因技术。同时，以无根、无维管束、诱导开花等三个形态建成特点为例，验证了用该系统研究形态建成过程调控机制的可行性。微萍是世界上最小的被子植物，椭球形，横径仅有1毫米左右，小植株结构包括一片叶片、一个雄蕊和一个雌蕊。虽然微萍在出现雌雄蕊之前可以如芽殖酵母那样分枝，但分枝会很快与主体分离、独立生长。因此微萍小植株的形态建成过程代表了植物完成生活周期所必需的核心过程。该文章提供了一个可操作的实验系统，为研究植物完成生活周期的核心形态建成过程提供了新的探索空间——不仅提供了关于“芽是完成生活周期的基本单位”概念的实证，而且还为有关植物生长点结构与功能的关系、根的形态建成的关键调控环节、开花调控机制，乃至花的起源等基本的植物生物学问题提供了全新的探索视角。该研究工作的完成，一方面要归功于中国科学院植物研究所张大明研究员从1994年开始的艰苦的探索性工作，为此奠定了基础；另一方面要归功于合作者们的北大情怀（全部作者都是北大师生、校友或北大校友的好朋友），以及对探索未知的热情。在这种情怀与热情的支撑下，该研究工作的完成为以“众筹”的形式开展高风险的探索性工作提供了一个成功的范例。有关研究历程详见微萍网站（登录名和密码均为waus）。另外，特别值得一提的是，人大附中齐乐瑶、阿斯娜等连续几届的高中生，在李峰（本文第一作者）的指导下，在人大附中实验室完成了对微萍的生长过程、开花诱导过程的系统观察；而李峰的同事辇伟峰博士（北大工学院校友）则设计构建了微流芯片小植株培养的集成系统。这些成功的尝试表明，受过系统科学训练的中学教师完全可以在中学带领中学生开展具有真正意义上探索未知的科学研究活动。同时，微萍实验系统的建立，为中学生在植物学领域开展全新的探索提供了契机。 查看详细>>

2023年4月13日，北京大学生命科学学院陆剑教授课题组在Molecular Biology and Evolution在线发表题为“Adaptive evolution of the Spike protein in coronaviruses”的论文，发现新冠病毒Spike（S）基因在持续演化以及冠状病毒长期演化过程中均受到强烈的正选择，但是正选择靶点则存在显著差异，揭示了冠状病毒S基因的演化规律。冠状病毒是一种正义单链的RNA病毒，在自然界中广泛存在，分为Alpha、Beta、Gamma和Delta四个属，可以感染哺乳动物和鸟类等多个物种。目前已知有七种冠状病毒可以感染人类，包括当前正在流行的新冠病毒。冠状病毒的Spike（S）蛋白通过与宿主细胞表面的受体相互作用，促进病毒侵染细胞。S蛋白可以分为S1和S2区域，S1识别并与宿主细胞表面的受体结合，S2促进病毒与宿主细胞的膜融合。S1在决定宿主范围和组织嗜性方面起着至关重要的作用，可以进一步分为N端结构域（S1-NTD）和C端结构域（S1-CTD），两者都可以作为受体结合结构域（Receptor binding domain，RBD）与宿主受体结合。S蛋白还是宿主中和抗体的关键靶点。因此，病毒和宿主之间的演化军备竞赛（evolutionary arms race）将驱动S蛋白序列快速演化。大多数冠状病毒的宿主为动物（图1a）。本研究对四个属的冠状病毒基因组序列进行了分子演化分析，发现S1-NTD在四个属的冠状病毒演化过程中存在明显的正选择信号。S1-NTD主要识别宿主细胞的糖受体，也可以识别宿主细胞的辅助蛋白，因此S1-NTD的正选择信号可能来自于受体使用的多样化，反映出冠状病毒在不断探测以适应不同宿主物种和组织的能力。此外，S1-NTD也可作为冠状病毒宿主生物抗体的中和表位，冠状病毒可能迅速演化以逃避宿主的免疫反应（图1a）。、与冠状病毒S基因的长期演化趋势不同，本研究发现在新冠病毒的持续演化过程中，S基因的S1-CTD（RBD）受到了强烈的正选择。通过对各突变株基因组序列的比较，正选择信号主要集中在SARS-CoV-2的S1-CTD（RBD）区域，然而新冠病毒的S1-NTD区域并没有检测到正选择信号。研究推测可能是宿主环境的变化以及人类免疫反应的选择压力导致了新冠病毒与其他冠状病毒正选择靶点的变化（图1b）。此研究也印证了陆剑团队先前（2022年3月2号）与吴仲义|吕雪梅团队在Molecular Biology and Evolution发表的文章“The runaway evolution of SARS-CoV-2 leading to the highly evolved Delta strain”的观点，该研究认为随着新冠病毒感染人数的增加，病毒群体大小增加，提高适应性变异出现和固定的概率，加速适应性演化速率加快病毒的扩散，从而形成群体大小和演化速率之间的正反馈循环，导致高度演化变异株的快速涌现。综上所述，本研究发现S基因，特别是S1区域，在SARS-CoV-2和其他冠状病毒中都经历了强烈的正选择。虽然S1-NTD在所有四个冠状病毒属中都表现出正选择，但在SARS-CoV-2的持续演化中，主要在S1-CTD（RBD）中检测到正选择信号，这可能是由于宿主环境的改变以及人类群体大规模感染所产生的免疫压力所致。本研究有助于加深对病毒演化规律的理解，也为疫苗靶点的设计提供了参考。陆剑为该研究的通讯作者，生命科学学院博士后唐小鹿为第一作者，中国医学科学院病原生物学研究所钱朝晖研究员和中国科学院昆明动物研究所吕雪梅研究员也为该工作作出了重要贡献。该工作得到了国家科技部、北京市自然科学基金委和北京大学生命科学学院启东产业创新基金等的支持。 查看详细>>