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北极会不会出现夏季无冰现象?

一周科技速览,带你领略前沿新知。

1 “镜”益求精——超分辨显微成像突破至单纳米精度

人们常说,见微知著。在生物学研究中,显微镜可以帮助科学家看到生物系统内的微观结构或过程,从而更好地理解生物学现象。然而,传统光学显微镜存在约250 nm的分辨率极限(又称衍射极限),无法捕捉更精细的差异。为此科学家开发了一系列工具,例如利用单分子荧光信号随机成像得到多张图像,再叠加重构。这一系列技术被称为超分辨率显微成像,可以达到20-30 nm精度,能够观察和追踪活细胞内单个分子的行为,相关科学家因此获颁2014年的诺贝尔化学奖[1]。然而,现有技术尚无法精准观测分子间相互作用,后者的空间尺度一般仅有几个纳米。

北极会不会出现夏季无冰现象?

传统荧光成像(左)和超分辨率成像图像(右)对比 | 来源:哈佛大学庄小威实验室网站

近日,《科学进展》杂志报道了澳大利亚新南威尔士大学Katharina Gaus小组的最新成果[2, 3]。该研究组开发了反馈型单分子定位显微成像技术(feedback SMLM),将分辨率进一步突破至单纳米精度。该系统的核心原理是通过增加反馈环路系统,重新校正显微镜成像的误差,相当于在原有超分辨显微镜基础上又置入了一个显微镜。利用这一新系统,他们发现激活型T细胞中的T细胞受体蛋白和CD45蛋白在空间上有4-7 nm的距离,并非如现有模型所认为的那般靠在一起。

可以预见,超分辨显微成像精度的突破,将为生物学研究打开新的大门,甚至可能改写现有的科学理论。

[1] 席鹏,孙育杰.超分辨率荧光显微技术——解析2014年诺贝尔化学奖[J].科技导报,2015,33(4):17-21.

[2] https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/self-aligning-microscope-smashes-limits-super-resolution-microscopy

[3] https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaay8271

2 人喜欢吃糖不只因为甜

人口腔内的甜味感受器可以被一系列物质激活产生甜味的感觉:各种糖类、人工甜味剂、甜氨基酸、甜蛋白质[1]。人工甜味剂是一类低热量或无热量、几乎不会被人体转化的有机化合物,可以让糖尿病患者等不宜大量摄入糖类的人群同样享受甜食。然而甜味剂对控制人群糖类摄入的作用似乎微乎其微,原因之一在于人们似乎更喜欢真正的糖的味道。

近日发表在《自然》杂志上的一篇研究表明,人们不喜欢甜味剂也许并不是由于它的味道不行,而是肠道会通过一定的途径控制我们对甜味来源的选择,这个途径被称为“脑-肠轴(gut-brain axis)”[2]。

研究人员在野生型小鼠笼内放入糖瓶和甜味剂瓶,小鼠们最开始的进食并没有偏向性,但在48小时后,所有小鼠几乎都产生了对糖的偏好,只从糖瓶内取食。而当控制甜味感受器的Trmp5基因被敲除之后,小鼠在无法尝到“甜头”的情况下仍然会选择糖而不是甜味剂,这说明一定有另外的机理在起决定性作用。

葡萄糖转运蛋白SGLT1在肠上皮细胞中表达,它与肠内葡萄糖的吸收有关。当研究人员给予小鼠SGLT1抑制剂时,小鼠对糖的偏好显著减弱,这说明SGLT1也许正是肠道发出糖偏好信号的关键。

[1] Lee, A. A., and Owyang, C. (2017). Sugars, sweet taste receptors, and brain responses. Nutrients 9.

[2] Tan, H.-E., Sisti, A. C., Jin, H., Vignovich, M., Villavicencio, M., Tsang, K. S., Goffer, Y., and Zuker, C. S. (2020). The gut–brain axis mediates sugar preference. Nature.

3 人类大脑语言通路至少起源于2500万年前

过去科学家们认为,人类大脑的语言神经通路起源于500万年前人类和猿猴的一个共同祖先。然而最近一项发表于《自然神经科学》杂志的研究[1]发现,语言通路的起源至少需要再往前推2000万年。

英国纽卡斯尔大学医学系的Chris Petkov教授说,这一研究结果的意义相当于找到了一个祖先的新化石,也许还有更古老的起源尚未被发现[2]。

不同于骨骼,大脑不会变成化石。但科学家可以通过比较猿猴等灵长类动物与人类的大脑成像,来推断共同祖先的大脑可能是什么样的。

在这项研究中,科学家通过分析人类、猿类和猴子的听觉区域及大脑通路,发现在非人类灵长类动物的听觉系统中,隐藏着一条与人脑语言通路类似的通路。这部分通路将听觉皮层与额叶区域相互连接,对处理语音和语言信息很重要。尽管讲话和语言是人类独有的能力,但在其他灵长类动物中所发现的听觉途径联系表明,人类语言通路是从非人类灵长类动物的听觉系统中进化而来。

此外,这些研究还发现了人类独有的一个特点——左脑的语言通路比右脑更强。这种不同可能与进化原型不同有关,右脑的通路可能涉及了大脑的非听觉部分。

[1] Fabien Balezeau, et al. Primate auditory prototype in the evolution of the arcuate fasciculus. Nature Neuroscience, 2020; DOI: 10.1038/s41593-020-0623-9

[2]https://www.ncl.ac.uk/press/articles/latest/2020/04/originsoflanguage25millionyearsold/

4 “吃”金属发电的机器人

设计微型机器人的一个难题是,芯片技术发展把能源技术远远抛在了身后,结果就是,微机器人的处理器十分先进,但微小的身体却只能存储极为有限的能量。而通过类似于太阳能电池这样的方法从外界获取能量速度太慢,换句话说,微机器人的“能量密度”和“功率密度”都可谓捉襟见肘。

近日,美国宾夕法尼亚大学工程学院的研究人员们开发了一种强大的新型“吃货”机器人,学名叫做“金属-空气清道夫”(metal-air scanvenger,简称MAS),能够通过电化学腐蚀周围的金属获得能量。这种靠“吃”金属发电的机器人,采集能量的方式比传统上快了十倍,而获得的能量更是比锂电池多了13倍。

这种机器人的控制和机械单元没什么特别之处,但亮点在其电池的设计(见下图)。不同于传统的纽扣电池、干电池或者锂电池这种正负极材料都在机器人体内的设计,“吃货”机器人的能量来自于身后拖着的一片水凝胶。这片薄薄的像果冻一样的水凝胶下表面接触金属,上表面通过特殊的金属电极接触空气,从而形成一个简易但有效的金属-空气电池。通俗地说,这片水凝胶的作用就是加速金属的腐蚀,并将这一过程中释放的电能收集传递给机器人。因此,随着机器人拖着水凝胶走过,其身后会留下一片大约100微米厚的金属锈蚀。此外,为了保证水凝胶不会变干而无法导电,这个小机器人还有一个像灯芯一样的装置不断的给水凝胶补水。

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“吃”金属供能的金属小车设计示意图。黑色的薄片上是一层催化金属网,中间是水凝胶层,最下面是被“吃”的金属。| 来源:[2]

这种吃金属供能技术有望给机器人的设计带来一场革命:或许有一天,我们可以像喂食宠物一样给机器人喂吃金属饼干,让它们吃饱了有力气干活。

[1] https://medium.com/penn-engineering/penn-engineerings-new-scavenger-technology-allows-robots-to-eat-metal-for-energy-bd12f3b83893

[2] Wang et al. Powering Electronics by Scavenging Energy from External Metals, ACS Energy Letters, 2020, 5, 3, 758-765

5 微纳米颗粒通过静电力自组装为五彩晶体

无论是亮晶晶的食盐颗粒,还是泛着五彩光泽的猫眼石,实际上都是微小的结构单元规则排列而形成的晶体。近日,来自纽约大学的团队在《自然》杂志上发表最新研究成果[1, 2],展示他们利用静电吸附作用,让带电的微纳米颗粒自组装为结晶。

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利用本文的静电自组装方法获得的毫米尺度的微纳米颗粒晶体。| 来源:[1]

自组装是自然界中的一种常见现象。其中一种表现形式,是微纳米颗粒通过某种方式识别彼此,互相连接,从而自发组装为特定的结构。其他生活中自组装的例子还包括肥皂泡、蛋白质、细胞膜、细菌、鸟群、无人机等。实现微纳米材料的自组装,对功能材料的可控、大批量制备尤其具有重要意义。

之前文献中已经报道了许多让微纳米颗粒自组装的方法。例如,一种方法是将颗粒表面包裹DNA链,并利用不同颗粒上DNA链互补的特性,实现它们彼此的特异性连接(比如让A类颗粒只与B类连接,而不发生AA、BB结合)。但这种方法门槛比较高,且需要消耗大量的DNA,因而比较昂贵,不利于大批量制备。

而本文所提出的基于异种电荷互相吸引的方法,与互补的DNA有异曲同工之妙:带异种电荷的微纳米颗粒,就如同溶液中的正负离子一样,在合适的条件下,会自发组装为晶体结构的块状材料。此外,如果颗粒之间的间距与可见光波长接近,还会发生光的干涉,获得五彩斑斓的晶体。

什么是合适的条件?这正是这项工作的一个难点:如何实现带异种电荷的颗粒整齐有序排列为晶格结构,而不形成混乱无序的团簇?为此,本文采用了一种称为“高分子调节的库伦自组装”方法,通过在带有电荷的颗粒表面枝接高分子,以调节它们彼此之间的吸引排斥力,让作用力恰到好处。

这项工作是受到自然界启发而生,却又青出于蓝,得到了一些自然界晶体所没有的优势。例如,可以通过选用大小和形状不同的微纳米颗粒,获得许许多多结构、性质不同的晶体结构。这也是胶体化学这一学科独特的魅力所在。

[1] Hueckel et al. Ionic solids from common colloids, Nature, 2020, 580, 487–490

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/nyu-rue041620.php

6 北极不久将在夏季无冰

全球21个研究机构合作的一项新研究[1, 2]预计,北极海冰首次在夏季完全消失将出现在2050年之前,这会对北极生态系统造成灾难性后果。夏季海冰消失的频率和持续时间取决于气候保护措施的有效性。

目前北极全年都被海冰覆盖,夏天的覆盖面积减少,冬天再次增加。但是由于全球变暖,在过去的几十年中,北冰洋海冰覆盖的总面积迅速减少。海冰盖是北极熊和海豹的狩猎场和栖息地,并可通过反射阳光使北极保持较低温度。

研究者表示,在走向冰盖消失的过程中,北极海冰面积每年的变化大大增加,使得当地居民的生活和依赖冰的物种的生存越来越艰难。

这项发表在《地球物理研究快报》杂志的研究分析了由40种不同气候模型得到的最新结果。研究人员评估发现,在二氧化碳排放量高而气候保护措施少的情况下,夏季北极海冰覆盖的演变结果是会迅速消失。令人惊讶的是,他们还发现在某些CO2排放迅速减少的模型中,冰盖也会消失。

研究显示,未来多长时间内北极会失去海冰覆盖,很大程度上取决于未来的二氧化碳排放量。如果排放迅速减少,那么无冰年份只会偶尔发生;而随着排放增加,北冰洋在大多数年份将出现无冰情况。研究者称,这告诉我们,人类仍然可以根据未来的二氧化碳排放水平来影响夏季北冰洋无冰的频率。

[1] https://mcgill.ca/newsroom/channels/news/north-pole-will-be-ice-free-summer-321739

[2] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019GL086749

7 孕激素受体进化未必有利

孕激素是由卵巢黄体分泌的一种天然激素, 它通过与孕激素受体结合调控下游的靶基因,以此调节女性受孕的各个方面,包括受精卵何时着床,生殖周期,以及足月妊娠的维持和终止等。孕激素受体存在于大多数脊椎动物中,并在哺乳类动物中具有较高同源性。过去的研究发现,人类孕激素受体基因经历了快速进化,一些科学家认为,这可能是进化过程中的一种正向选择,通过改善基因功能以更适应怀孕的过程。但美国布法罗大学的研究者近日在《PLOS遗传学》杂志上发表的研究[1]则得出了不同的结论,并为了解孕激素受体基因的进化提供了新的视角。

研究人员分析了115种哺乳动物的DNA,包括各种灵长类哺乳动物,如:现代人类、尼安德特人、猴子、狐猴和骆驼;以及非灵长类哺乳动物,如:大象、大熊猫、豹子、河马、土豚、海马和海象等。通过对比研究,他们发现虽然孕激素受体基因在人类中迅速进化,但并没有证据支持进化后的受体对人类更有利,反而在进化的过程中还积累了许多有害突变。

此外,通过分析孕激素受体的祖先形式,研究者发现人类的该受体进化后在功能上也发生了变化,这表明人类进化后孕激素的调控作用很可能与其他哺乳动物不同。因此,当我们试图将动物模型中孕激素的生物功能研究应用于人类时需要非常的谨慎。

[1] http://www.buffalo.edu/news/releases/2020/04/028.html

8 聆听新冠病毒棘突蛋白演奏的乐章

音频.mp3

音频尚未发布,暂时无法播放

00:44

新冠病毒棘突蛋白的音乐旋律,请点击播放 | 音频来源:[1]

大家听到的音乐片段并非出自某位音乐家的灵感,而是来源于人尽皆知的新型冠状病毒棘突蛋白。那么,蛋白质是怎么变成音乐旋律的呢?

这要得益于MIT的工程学教授Markus Buehler及其团队的蛋白质声音化技术。他们利用蛋白质氨基酸的正常模态振动,计算出20种天然氨基酸各自的音频表征,即将振动频率转化为人耳能够听到的声音,20种氨基酸对应的音符就构成了“氨基酸音阶”。随后再通过每个音持续的时长和音量来表示与每一个氨基酸相关的蛋白质二级结构信息,并使用数字形状采样和处理算法,引入音乐节奏。最后,研究人员用同样的方法将蛋白分子的正常模态频率也整合为声音信号[2]。

北极会不会出现夏季无冰现象?

新型冠状病毒结构,表面蓝色和绿色突出部分代表棘突蛋白。|图片来源:Fusion Animation

如此一来,棘突蛋白的氨基酸序列、二级结构和三维折叠都有了声音特征。研究人员精心挑选了日本筝演奏主要音符,并配以钟声和长笛,制作出的音乐节奏舒缓,旋律优美。Buehler评价道:“病毒以如此悦耳的方式欺骗我们的耳朵,就像它欺骗细胞一样[3]。”

Buehler希望这种新形式可以帮助科学家在蛋白质分子上找到抗体或者药物可能的结合位点,只需通过搜索与结合位点对应的特定音乐序列。同时,将这段音乐与数据库中大量其他蛋白的声音形式进行比较,也许能找到可与棘突蛋白结合的蛋白,从而找到预防病毒感染细胞的方法[4]。

[1] 此处为节选,完整音乐:https://soundcloud.com/user-275864738/viral-counterpoint-of-the-coronavirus-spike-protein-2019-ncov

[2] Markus J. Buehler. Nanomechanical sonification of the 2019-nCoV coronavirus spike protein through a materiomusical approach [ e-prints posted on arXiv 30.03.2020]. arXiv:2003.14258 [physics.pop-ph]

[3] http://news.mit.edu/2020/qa-markus-buehler-setting-coronavirus-and-ai-inspired-proteins-to-music-0402

[4] https://www.sciencemag.org/news/2020/04/scientists-have-turned-structure-coronavirus-music#

撰文 | 韩若冰、小叶、继省、叶译楚、顾舒晨、太阁尔、Tendo

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