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  最近,中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员仇鹏飞、研究员史迅、陈立东与美国西北大学教授G.JeffreySnyder、德国吉森大学教授JürgenJanek等合作,深入解析了类液态热电材料中可移动离子在外场作用下的迁移和析出机理,结合理论和实验提出“类液态”离子能否从材料中析出的热力学稳定极限判据,并给出了相应的实验表征方法和技术。在此基础上提出,引入“离子阻挡-电子导通”的界面可以显著提高类液态热电材料在强电场或者大温差下的服役稳定性。这一研究对于类液态热电材料的实际应用具有重要意义。相关研究成果发表于《自然-通讯》杂志(NatureCommunications,DOI:10.1038/s41467-018-05248-8),研究团队自主搭建的设备及部分测量结果发表于《无机材料学报》杂志(Vol.32,2017,1337-1344),并申请中国发明专利。  热电能量转换技术利用半导体材料的塞贝克(Seebeck)和帕尔贴(Peltier)效应实现热能与电能直接相互转化,在工业余热和汽车尾气废热发电等领域具有重要而广泛的应用前景。然而,受制于结构的长程有序性,传统的晶态化合物热电材料的晶格热导率存在一个最低极限(最小晶格热导率),限制了热电性能持续优化的空间。针对这一瓶颈问题,自2012年开始,陈立东和史迅带领的热电团队提出在固态材料中引入具有“类液态”特征的离子来降低热导率和优化热电性能,成功突破了晶格热导率在固态玻璃或晶态材料上的限制,进而发现了一大类具有“声子液体-电子晶体”特征的新型高性能(ZT~2.0@1000K)类液态热电材料体系(Nat.Mater.2012,Adv.Mater.2013&2014&2015&2017、Energ.Environ.Sci.2014&2017、npjAsiaMater.2015等),成为近年来热电材料领域的一个热点方向。但是,这些类液态热电材料(如Cu2-δSe,Ag9GaSe6,Zn4Sb3等)中具有“类液态”特征的金属阳离子易在电场或温度场作用下长程迁移进而析出,导致较差的服役稳定性,限制了其实际应用。因此,通过研究类液态热电材料中离子的迁移过程和物理机制,进而提高其服役稳定性,是新型高性能类液态热电材料走向应用的关键。  研究团队发现,在外场作用下,类液态热电材料中的金属阳离子(如Cu,Ag,Zn)将从样品一端向另一端定向长程迁移并产生离子浓度梯度。但是,只有在高浓度处的金属阳离子化学势等于或高于相应金属单质的化学势时,金属阳离子才会从材料中析出转变为金属单质,进而导致材料分解。因此,每种类液态热电材料都存在一个热力学稳定极限,只有当外场作用足够强,使材料超出这一极限时,离子析出和材料分解才会发生。否则,类液态热电材料将与传统晶态热电化合物相似,在外场作用下保持良好的稳定性和热电性能。基于电化学公式推导,该团队发现这一热力学极限的具体数值可以通过材料不发生分解时所能承受的最大外加电压(即临界电压)给出。临界电压是一个与材料尺寸无关的特征参量,仅与材料自身化学组分和所处环境温度有关。  为了从实验上证明类液态热电材料热力学稳定极限的存在,该团队自主搭建了定量表征类液态热电材料服役稳定性的仪器。在恒温环境和给定温差环境下,分别利用相对电阻和相对塞贝克系数的变化作为评价参量,成功测量了一系列Cu2-δ(S,Se)类液态热电材料的临界电压,其数值范围为0.02-0.12V。在恒温环境下,随Cu缺失量δ增加或所处环境温度增加,Cu2-δ(S,Se)材料的临界电压逐渐增加,其数值与理论预测相吻合,表明材料中具有“类液态”特征的金属阳离子更难于析出。在给定温差环境下,Cu2-δ(S,Se)材料的临界电压还与材料内部热流方向有关。当热流方向与电流方向相同时,材料具有更小的临界电压,表明材料中的金属阳离子更容易析出。反之,当热流方向与电流方向相反时,材料具有增强的临界电压,材料稳定性显著增加。  在对离子迁移和析出机理深入理解的基础上,该团队提出在类液态热电材料中引入“离子阻挡-电子导通”界面可以有效抑制具有“类液态”特征的金属阳离子的析出并提高类液态热电材料服役稳定性。因为金属阳离子无法通过“离子阻挡-电子导通”界面,外场的作用将会被由“离子阻挡-电子导通”界面所阻隔的各段类液态热电材料所共同分担,进而使材料整体上可以在更强的电场或者更大的温差作用下仍保持稳定。同时,“离子阻挡-电子导通”界面并不影响电子/空穴的自由传输,所以多段材料在获得高服役稳定性的同时,仍将保持本征的优良热电性能。这一策略在由导电碳层连接的多段Cu1.97S材料中成功得到了验证。该工作不仅为类液态热电材料的实际应用提供了可能性,也为提高其它电子/离子混合导体的服役稳定性提供了新的思路。  研究工作得到了国家重点研发专项、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等的资助和支持。  (a)类液态热电材料的工作环境;大电流作用下(b)普通类液态热电材料和(c)具有“离子阻挡-电子导通”界面的类液态热电材料端面金属Cu析出情况类液态热电材料中离子迁移和析出的物理和化学过程  (a)不同长度Cu1.97S样品的临界电流与临界电压;(b)具有不同化学计量比的Cu2-dS样品的临界电压;(c)给定温差环境下Cu1.97S样品的临界电流;(d)Cu1.97S在不同温差和热流方向下的临界电压利用“离子阻挡-电子导通”界面提高服役稳定性的原理(a,b);(c)恒温环境和(d)给定温差环境下的实验结果

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石墨烯太赫兹探测器受限于材料的低开关比和弱饱和特性,难以在太赫兹波段获得较高的器件响应。基于热电子原理的石墨烯器件具有较宽波段的吸收能力,有望突破基于传统混频原理对器件制备工艺的严格要求,有利于大面积的器件集成。在国家重点研发计划项目支持下,中国科学院上海技术物理研究所、红外物理国家重点实验室陆卫、陈效双、王林、陈刚及合作者们避开了传统器件的设计思路,采用四端电阻结构实现对不同器件的电极互连(如图所示),研究发现了通过电极之间的互连产生类似于三极管的器件开关性能。同时,研究人员通过电极之间的偏压效应产生石墨烯沟道的非对称光电流,在偏压作用下器件光电流呈现出线性上升的趋势,产生光电流增益,对应器件响应出现数量级的提高。此外,研究表明石墨烯和金属接触位置的局域场可以驱动非平衡载流子,诱导石墨烯沟道载流子分布的变化,在偏压场作用下器件产生光电导效应,器件响应可以达到280V/W,为当前国际报道的最高值。该项研究工作将为实现便携式成像系统、人体医学太赫兹表征设备的核心器件提供崭新的途径,该项研究工作于2018年4月18日发表在NPGAsiaMaterials杂志上。

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  近期来自中国科学院广州生物医药与健康研究院的RalfJauch课题组建立了一种人工进化重编程转录因子的筛选平台,以促进诱导多能干细胞的生成。相关研究成果于2018年8月2日发表在《干细胞报告》(StemCellReports)上。  体细胞重编程技术可为再生医学提供充足的细胞来源,在研究与医疗领域有着非常广阔的应用前景。然而重编程的诱导效率有待进一步提高。RalfJauch课题组将蛋白质工程和细胞重编程结合,设计并筛选出功能增强的重编程蛋白因子。这些人工进化的蛋白因子可加速体细胞重编程。  在培养皿中培养来自皮肤,血液,或尿液等不同组织的体细胞,在这些体细胞中引入分子开关以打开或关闭重编程相关基因,可将这些细胞重新编程到多能性状态。Ralf课题组先前发表的文章展示了如何操纵这些转录因子开关分子来改善甚至开关其重编程功能。在新发表的研究中,研究人员在这些分子的关键位点引入随机化突变,生成由数千个突变转录因子组成的文库。接下来,这些突变文库被引入到细胞中,通过竞争选择出比野生型转录因子更快、更有效地诱导多能性的突变体。利用这种方法,课题组发现了数十种人工进化和增强的重编程因子。这些转录因子比传统的转录因子在诱导体细胞重编程上表现更加优异。  这项研究开发了一种增强转录因子功能的新技术,为提高体细胞重编程效率提供了新途径。该团队计划进一步开发这项技术,以实现体细胞之间的直接相互转化,并将这些细胞应用于再生医学。本论文的第一作者是博士生VeeramohanVeerapandian。  研究得到了来自中国科学院、国家科技部、国际自然科学基金委、广东省等多方面的经费支持。人工进化蛋白因子加速体细胞重编程

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  近日,我所生物技术研究部转化医学科学研究中心生物分子功能研究组(1833组)朴海龙研究员团队与大连医科大学附属第一医院肝胆外科谭广教授团队合作,解释了肝癌细胞中去泛素化酶USP10的生物分子功能及分子机制。相关研究结果发表于《癌症快讯》(CancerLetters)杂志。  肝癌是异质性强、死亡率高的难治性恶性肿瘤,我国肝癌患者的五年生存率仅为15%左右。这在很大程度上是由于肝癌切除术后的高复发率、高转移率以及缺乏有效的治疗药物。  雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一个细胞生长、代谢的中央控制器,也是公认的抗癌药物的主要靶点,mTOR信号通路高度激活是肝癌发生的关键驱动因素之一。然而,mTOR上游基因PIK3CA和PTEN在肝癌中的突变率低,因此mTOR过度激活的机制仍不清楚。该研究团队在对泛素-蛋白酶体降解途径的研究中发现,mTOR在肝癌中的异常激活与去泛素化酶USP10在肝癌中的低表达密切相关,并且USP10的表达与肝癌预后呈显著负相关。而后通过一系列生物信息学、细胞分子生物学及肿瘤生物学研究发现,USP10通过去泛素化mTOR上游的两个关键调控蛋白分子AMPKα及PTEN来参与mTOR的激活抑制。该研究结果揭示了USP10是肝癌的一个重要抑癌基因,可作为一个以mTOR为治疗靶点的生物标记物,对以mTOR为靶向的肝癌治疗有着潜在的指导作用。  该研究工作得到中国科学院百人计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金及大连化物所创新基金的资助。(文/图宁振、王婷)

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  近日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室研究员覃重军研究团队及其合作者在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞。该成果于北京时间8月2日发表在《自然》上,是合成生物学领域具有里程碑意义的突破。  人类能否创造生命?2010年,美国科学家J.CraigVenter团队在《科学》上报道了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体,引起轰动。此次,以覃重军研究组为主的研究团队完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的十六条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。该项工作表明,天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。  生物学教科书中将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息,真核生物通常含有线型结构的多条染色体,而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。在该研究中,覃重军假设真核生物也能像原核生物一样,用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能,并与副研究员薛小莉“工程化精准设计”定制人造单染色体酵母的指导原则以及理性分析、实验设计、工程化推进总体方案。博士研究生邵洋洋从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法,历经4年时间,通过15轮染色体融合,成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株SY14。此后,覃重军研究组进一步与中科院合成生物学重点实验室研究员赵国屏研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所研究员周金秋研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院研究员赵志虎等合作,深入鉴定SY14的代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构。研究发现,虽然人工创建的单条线型染色体的三维结构发生了巨大变化,但SY14酵母具有正常的细胞功能,这颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念,揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。  该研究成果是通过经典分子生物学“假设驱动”与合成生物学“工程化研究模式”来探索解析生命起源与进化中重大基础科学问题的新范例。将天然复杂的酵母染色体通过人工改造以全新的简约化形式表现出来,是继原核细菌“人造生命”之后的一个重大突破。单染色体酵母的“诞生”,连同我国科学家参与的酵母染色体全人工合成工作,是继20世纪60年代人工合成结晶牛胰岛素和tRNA之后,中国学者再一次利用合成科学策略,去回答生命科学领域一个重大的基础问题,即建立原核生物与真核生物之间基因组进化的桥梁。这是合成生物学“建物致知”理念的生动体现,为人类对生命本质的研究,开辟了新方向。  酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型,1/3基因与具有23对染色体的人类基因同源。端粒是线型染色体末端的保护结构。随着细胞分裂次数的增加,端粒的长度逐渐缩短,当端粒变得不能再短时,细胞就会死亡。人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关。此外,端粒的缩短还与基因突变,肿瘤形成等许多疾病相关。与天然酵母的32个端粒相比,覃重军研究团队人工创造的单条线型染色体仅有2个端粒,为研究人类端粒功能及细胞衰老提供很好的模型。  该研究得到了中科院战略性先导科技专项“细胞命运可塑性的分子机制与调控”,以及国家自然科学基金委、科技部等的资助。人造单染色体酵母与天然酵母细胞对比图,两者形态相似,但染色体的三维结构有巨大改变

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中国科学院遗传与发育生物学研究所王国栋研究组前期的研究表明NA的O-位糖基化修饰可能保护植物细胞免受种子萌发过程中NA过度积累所造成的毒害,而且NAOGT活性是在十字花科植物进化过程中才逐渐获得,NAOGT活性的获得为植物适应环境提供选择优势(Lietal.,PlantCell,2015);NA的N-甲基转移酶(NANMT)是植物解毒NA的另外一种形式,NANMT活性的获得可能是促成Preiss-Handler途径在陆生植物基因组得以保留的一个重要原因(Lietal.,PlantPhysiol.,2017)。在最新的研究工作中,王国栋研究组发现一种新的尼克酸修饰,甲酯化(MeNA),可以高效互补NAD从头合成途径突变体(ao-1和qs-1),说明MeNA可以在植物不同组织间长距离运输并参与NAD生物合成。研究组进一步克隆了负责NA甲基化和MeNA去甲基化的基因,利用相关转基因材料,结合稳定同位素标记和化学分析表明,NAD通过NA可逆的甲酯化修饰完成在受胁迫组织和非胁迫组织间的重新分配,进而提高植物对不同胁迫环境的适应性。该成果为进一步研究Preiss-Handler途径如何对陆生植物在进化过程中提供的选择优势奠定基础。

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