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  5月19日,CellDiscovery在线发表了中国科学院上海巴斯德研究所研究员郝沛利用RNA编辑策略、编辑干预逆转录转座子的合作研究论文:InterferingwithretrotranspositionbytwotypesofCRISPReffectors:Cas12aandCas13a。该研究利用逆转录病毒/逆转录转座子生命周期中具有DNA和RNA两个不同阶段的特性,首次采用RNA编辑的策略,实现了对逆转录转座子Tf1(类似于逆转录病毒的模式生物)的编辑干预。同时,该工作还第一次采用CRISPR-Cas12a对逆转录病原体的DNA阶段进行编辑,达到了100%的编辑干预效率。   该研究开拓了对逆转录病原体(包括外源的逆转录病毒、内源性逆转录病毒和逆转录转座子)进行编辑干预的新思路。为RNA编辑和DNA编辑技术应用于逆转录病毒感染阻断、器官移植中的内源逆转录病毒失活和种质资源培育中的逆转录转座子抑制,提供了新的技术策略和并建立了系统参数。  近年来,CRISPR系统开始发展成为对抗逆转录病原体(包括外源的逆转录病毒、内源性逆转录病毒和逆转录转座子)非常有前途的重要技术。外源和内源性的逆转录病毒是引发人体疾病的严重起因,也是器官移植(同种和异种器官移植术)中重大的风险因素。导致疾病的著名外源和内源性逆转录病毒包括HIV-1、HTLV-1、HERV-K等。前期科学家尝试用CRISPR-Cas9编辑消除病人体内的HIV-1,抑制作为器官移植供体的猪体内内源性逆转录病毒(ERVs),和消除水稻育种中逆转录转座子Tos17的干扰,取得了一定的进展。  虽然近年来发现的、专门靶向编辑RNA的CRISPR第VI亚型Cas13,为对逆转录病原体的编辑干预,提供了新的可能性和技术策略。由于逆转录病毒/逆转录转座子生命周期中具有DNA和RNA两个不同阶段的特性,理论上RNA编辑的方法可以通过编辑RNA中间体,有效干预和对抗逆转录病原体,但这一技术策略迄今为止尚没有被探索过。另外,近年来发现与CRISPR-Cas9类似、作用于DNA的CRISPR第V亚型Cas12a,具有一些优秀特性,包括对PAM区的不同要求、自处理产生crRNA的能力和更高的靶向效率。但到目前为止尚没有Cas12a应用于编辑干预逆转录病原体的报道。本研究在以下几个方面取得了新的进展:  构建了Tf1逆转录转座的报告系统。为了应用RNA编辑(利用Cas13a)的技术策略和Cas12对逆转录病原体编辑干预,郝沛课题组与合作者首先构建了Tf1逆转录转座的报告系统。他们在Tf1的NEO基因中引入了反向的内含子(构建多达4种不同的内含子序列),这样Tf1转录剪接后新形成的Tf1产物将不具有这些引入的内含子。然后通过设计crRNA,在实验中特异性靶向这些新形成的不包含内含子的Tf1产物。  首次证明RNA编辑显著干预抑制Tf1逆转录转座活性。郝沛课题组与合作者设计了Cas13靶向Tf1中间转录本的两个特异位点和随机对照的实验,获得了对Tf1转座活性的16%和60%的显著编辑抑制效果。这些结果第一次证明了RNA编辑是对逆转录病原体有效的干预策略。更进一步,对比Cas13a与靶标结合被激活后(由于其乱切割活性)导致原核宿主细胞生长停滞的现象,研究者没有观察到Tf1在真核宿主中激活导致细胞停止生长的现象。这暗示了RNA编辑技术在真核宿主的安全性,也表明Cas13a在真核细胞与细菌细胞中的作用机制有所不同。  第一次采用CRISPR-Cas12a实现对逆转录病原体DNA阶段进行编辑干预。通过设计Cas12a靶向Tf1逆转录本的多个特异位点(5个crRNA设计)和随机对照的实验,发现Cas12a对Tf1逆转录转座的显著编辑抑制作用(达到90%)——虽然仍有残余的Tf1转座发生。研究者猜测残余的转座活性,是由于Tf1中间产物被VLP包装保护的结果。所以更进一步,通过延长crRNA的表达时间,最终完全消除了残余转座活性,达到了100%的编辑干预效率。  这些研究成果,开拓了对逆转录病毒/逆转录转座子进行编辑干预的新思路和新方法。比较了RNA编辑和DNA编辑的不同作用机制,完成了两类机制对逆转录病原体复制和转座的编辑干预效果的定量分析,为新技术策略发展建立了基础并提供了系统参数。  该项研究工作由中科院上海巴斯德所研究员郝沛与中科院分子植物卓越创新中心合成生物学重点实验室研究员李轩、美国密歇根大学教授王红兵(HongbingWang)合作完成。张牛冰和荆新云为共同第一作者。相关工作得到国家重点研发计划、中科院战略先导项目和自然科学基金项目的支持。  文章链接上海巴斯德所等利用RNA编辑策略实现对逆转录转座子的编辑干预

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  5月21日,TheAstrophysicalJournal(《天体物理学杂志》)在线发表了中国科学院紫金山天文台季江徽课题组与合作者的研究成果,该项研究基于AtacamaLargeMillimeter/submillimeterArray(ALMA)射电干涉阵的观测数据及流体力学模拟,揭示了原行星盘中尘埃环的尘埃和气体相互作用产生的双流体不稳定性,对理解ALMA观测的原行星盘的尘埃环状结构和非方位对称性结构成因具有重要的科学意义。  原行星盘是环绕在年轻恒星周围,由气体和尘埃组成的气体盘,其半径通常延伸到数百至上千天文单位(1天文单位约等于日地平均距离)。这些环绕恒星的原行星盘是行星的“诞生摇篮”,好比孕育行星的“胎盘”为行星的形成提供各种丰富的“养分”。毫无疑问,原行星盘的研究对理解“婴儿期”太阳系也有着重要的科学价值。近年来,ALMA高精度高分辨率的观测数据,揭示了许多年轻恒星周围存在环状结构的原行星盘尘埃连续谱图像(图1)。这种尘埃环状结构或许是由于原行星盘中的挥发物质凝结的雪线形成,抑或是尘埃环受气体阻尼而困于气体压强鼓包中导致。这意味着尘埃环结构与行星的形成密切相关。  紫金山天文台的科研人员与合作者通过流体动力学模拟和辐射转移计算,使用盘的粘滞变化模型在原行星盘中形成压强鼓包进而形成尘埃环。当尘埃环形成后,尘埃对气体的反作用阻尼触发一种新的中等尺度双流体不稳定性(图2)。进而,该流体不稳定性产生大量的尘埃旋涡结构,使得原行星中尘埃环呈现非方位对称性(图3)。该研究为未来ALMA对原行星盘的尘埃环精细观测,直接捕捉原行星盘中的星子形成和行星诞生的图像提供了关键的科学依据。  该项研究的第一作者为紫金山天文台博士生黄平辉。该工作得到中科院B类先导专项(XDB41000000)、国家自然科学基金、中科院创新交叉团队、中科院行星科学重点实验室等的资助。  文章链接图1.DSHARP项目观测到的20个原行星盘的240GHz尘埃连续谱(Andrewsetal.ApJ,869,L41,2018)。图2. 尘埃环中尘埃和气体相互作用产生的中等尺度双流体不稳定性,导致在尘埃环中产生大量的旋涡结构,进而可有效地将尘埃困在旋涡中有利于星子和行星在行星盘中形成。图3.双流体不稳定性使得尘埃环产生大量的非方位对称的亮斑结构。

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  2019年,《自然》杂志报道在铜氧化物高温超导母体中也发现了巨大的热霍尔效应,引起了很多讨论。与一般霍尔效应不同,热霍尔效应测量垂直磁场下纵向热流导致的横向温度梯度。在关联绝缘体中,热霍尔效应来自电中性载流子如声子、磁激子、自旋子等的本征或诱导的非平庸拓扑性质。在自旋液体材料中,热霍尔效应在实验和理论两个方面都有很多研究。但是现有微观理论模型都非常复杂,难以和实验建立起直接联系。  为了填补微观理论模型与实验间的空隙,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员杨义峰与清华大学教授张广铭和中国科学院大学卡弗里理论科学研究所教授张富春合作,借鉴费米液体理论的唯象思想,提出了分析关联绝缘体中霍尔热导率的最小模型,进而预言依赖于电中性费米或玻色载流子的贝里曲率的能量分布,霍尔热导率在低温下会分别呈现饱和、幂数、热激发等不同行为,但在载流子拓扑半带宽量级的中间温区上则会呈现出普适的对温度的指数依赖关系,不依赖于具体材料细节。这一普适标度律在自旋液体材料RuCl3、量子顺电材料SrTiO3和铜氧化物中都得到了实验数据的支持。  以上普适标度律的发现加深了对热霍尔效应的物理认识,为理论解释实验搭建了唯象的桥梁。文章发表于《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.124,186602(2020))。该工作得到科技部、基金委、中科院战略性先导科技专项及青促会的支持。  论文链接图1:理论预言的霍尔热导率,呈现两个实验相关的温区,D为半带宽。图2:对RuCl3和SrTiO3实验数据的拟合,支持理论预言的普适标度律。

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  微波谐振测频技术是一种测量迅速且灵敏很高的探测技术,被广泛用于温度测量、压力测量、氦临界现象研究等高精度测量领域。但微波谐振频率测量易受到多物理场和外界因素影响,尤其在低温下,参考时间标准、微波发射功率和谐振腔温度稳定性等复杂因素制约了微波谐振频率测量精度的提高,进而限制了该方法在上述领域的应用。  近日,中国科学院理化技术研究所公共技术服务中心在前期微波谐振腔闭合方法研究的基础上,对微波谐振表征手段、参考时间标准、微波信号强度、控温方式等方面开展了系统性研究,通过采用混合扫频模式、优选GPS参考时间标准、外置微波放大器、确定最佳微波发射功率以及采用交流电阻桥与铑铁传感器组合的控温方式等实验手段,在5K-26K温区实现了相对不确定度达10-12量级的微波谐振频率测量结果,优于国际同类装置中已报道的最好结果。  上述研究成果近期发表在MeasurementScienceandTechnology上,理化所助理研究员张海洋和研究员高波同为该论文第一作者,高波为通讯作者。相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院对外合作重点项目计划和欧洲计量研究计划等资助。  文章链接

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  人工湿地作为一种绿色、生态的污水净化技术,在全球范围内处理的污水类型在不断增加,运行数量和污水处理规模在持续快速增加,对水污染控制起到了重要作用,但人工湿地较高的温室气体排放在很大程度上降低了其综合生态环境效益。因此,迫切需要探明人工湿地温室气体排放机制,研发可同步实现水质高效净化与温室气体减排的技术措施。目前,国内外相关研究主要集中于人工湿地温室气体排放的定量化及影响因素识别方面,对于人工湿地中温室气体排放的关键过程与微生物学驱动机制等关键科学问题尚不明确,针对人工湿地温室气体减排技术的研究更鲜有报道。针对上述关键科学问题与技术需求,中国科学院东北地理与农业生态研究所科研人员率先开展了系统研究,并取得系列成果。  植物类型、湿地结构和进水水质等因素在人工湿地温室气体产生、排放和运输中起着重要的作用。对3种常用人工湿地植物(美人蕉、风车草和芦苇)的温室气体排放研究发现,相同进水条件下CO2、CH4和N2O排放通量最高值分别出现在美人蕉、芦苇和风车草人工湿地中,且美人蕉人工湿地的全球增温潜势(GWP)最低。在湿地结构方面,潜流和表流人工湿地的CO2排放通量无显著差异,但潜流湿地CH4排放通量显著高于表流湿地、N2O排放通量和GWP显著低于表流湿地。随着进水COD/N比增加,CO2排放通量随之增加,最低的CH4、N2O排放通量和GWP均出现在进水COD/N比为10的处理组。  基于q-PCR分析,初步揭示了人工湿地温室气体排放的微生物学驱动机制,发现N2O排放通量与编码亚硝酸还原酶的nirS和nirK基因丰度成正相关关系,而与nosZ/(nirS+nirK)比值成负相关关系(图1、图2),表明nosZ基因的表达活性和含nosZ基因的反硝化菌丰度的增加,有助于微生物直接将N2O还原为N2,从而减少系统N2O的净排放。此外,结合水质净化效率数据,优化出可同时获得较低温室气体排放量与较高污染物去除效率的最佳人工湿地是潜流美人蕉湿地,进水COD/N比以10为最优。  在人工湿地温室气体协同减排方面,发现生物炭添加对不同温室气体排放的影响存在明显差异,没有影响CO2排放,但显著促进了CH4的排放、显著减少了N2O排放,并使潜流人工湿地的GWP降低了57.3%。这一发现有助于客观评价生物炭调控过程中对不同类型温室气体排放的正负效应。基于q-PCR分析,发现添加生物炭的人工湿地中nosZ基因转录和nosZ/(nirS+nirK)比值均有所增加(图3),进而驱动了N2O排放通量的降低。研究还发现,生物炭强化可同步提升人工湿地对COD、NO3--N和TN的去除效率,实现水质净化与温室气体减排的协同。这一成果将为优化人工湿地设计、提升其综合生态环境效益提供重要的科学支撑。  该研究由东北地理所硕士研究生陈欣(第一作者)、研究员祝惠(通讯作者)等共同完成。研究成果于近期发表在国际期刊JournalofCleanerProduction、ChemicalEngineeringJournal、Chemosphere上。该研究得到国家重点研发计划项目(2016YFC0500404-4)、中科院青年创新促进会(2017274)和研究所“一三五”规划项目等的资助。  论文链接:123(左)不同植物类型人工湿地的功能基因丰度;(右)不同COD/N比时人工湿地的功能基因丰度生物炭强化前后人工湿地的功能基因丰度变化

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  近期,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室在Ⅳ族GeSn纳米线生长制备及其光电探测应用中取得进展,相关工作以FerroelectricEnhancedPerformanceofaGeSn/GeDual-NanowirePhotodetector为题发表在NanoLetters期刊上(NanoLett.2020,20,5,3872–3879)。  Ⅲ-Ⅴ族材料普遍具有优良的光电特性,但却面临着与Si基CMOS工艺不兼容等问题,因此有必要发掘Ⅳ族材料的光电应用潜力。此前已有基于GeSn薄膜结构的光电探测等工作的相关报道,但是GeSn薄膜与Ge缓冲层之间较大的晶格失配严重影响了GeSn薄膜晶体质量,从而导致其相应的光电探测器暗电流较大,不利于实现低功耗应用需求。  上海微系统所研究人员利用分子束外延技术,成功制备出大面积、高密度且高长宽比的Ge纳米线,并利用其作为模板,通过二次沉积法获得了Sn组分可达~10%的GeSn/Ge双层纳米线结构。由于纳米线具有柔性且极高的比表面积,能够通过弹性形变的方式自主弛豫释放GeSn/Ge之间晶格失配引入的应力,从而有效抑制GeSn/Ge界面处的缺陷形成。由于GeSn具有较窄的禁带宽度,因此基于GeSn/Ge双层纳米线的光电探测器件比Ge纳米线光电探测器具有更长的探测波长,延伸到2μm以上。为了抑制窄禁带宽度GeSn引起的暗电流增加,研究人员进一步引入具有铁电性的P(VDF-TrFE)离子胶作为栅介质,通过侧栅调控大幅降低了GeSn/Ge双层纳米线光电探测器的暗电流与静态功耗,从而实现了兼具长波长与低暗电流的光电探测,对于拓展Ⅳ族材料纳米线结构在光电探测领域的研究与应用具有重要参考意义。  该论文由中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室与中科院上海技术物理研究所合作完成。其中上海微系统所直博生杨悦昆为第一作者,上海微系统所研究员狄增峰和上海技物所研究员王建禄为共同通讯作者,上海微系统所为第一完成单位。该工作得到国家科技重大专项、中科院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金杰出青年基金、上海市科学技术委员会、中科院战略性先导科技专项等的支持。  论文链接GeSn/Ge双层纳米线的分子束外延生长与形貌表征基于GeSn/Ge双层纳米线光电探测器件及性能表征

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