科研进展
  • 广州健康院在对映体选择性平行动力学拆分取得新进展
    近日,中国科学院广州生物医药与健康研究院朱强/罗爽课题组利用平行动力学拆分的策略,通过钯催化的对映体选择性环酰亚胺化反应,“一锅法”合成了两种不同骨架类型的含有季碳手性中心的杂环化合物。相关研究成果以“Parallel Kinetic Resolution through Palladium-Catalyzed Enantioselective Cycloimidoylation: En Route to Divergent NHeterocycles Bearing a Quaternary Stereogenic Center”为题发表在ACS Catal.上。
      近日,中国科学院广州生物医药与健康研究院朱强/罗爽课题组利用平行动力学拆分的策略,通过钯催化的对映体选择性环酰亚胺化反应,“一锅法”合成了两种不同骨架类型的含有季碳手性中心的杂环化合物。相关研究成果以“Parallel Kinetic Resolution through Palladium-Catalyzed Enantioselective Cycloimidoylation: En Route to Divergent N-Heterocycles Bearing a Quaternary Stereogenic Center”为题发表在ACS Catal.上。
      获得手性化合物的单一对映异构体最常见的途径是对非手性底物的不对称催化转化,对映选择性地产生手性因素。另一种主要途径是把已经含有手性因素的外消旋体混合物转化为单一的对映异构体产物。这一途径可以通过以下三种策略实现:动力学拆分(KR);动态动力学拆分(DKR);和平行动力学拆分(PKR)。KR是利用两种对映异构体底物在同一个不对称催化条件下转化为产物的速率不同(k1 >> k2 或 k2 >> k1),最理想的情况是50%的一种构型的底物完全转化为单一构型的产物,而50%的另一种构型的底物完全不反应且能被回收。事实上随着反应的进行,“劣势”构型反应底物的相对浓度不断增加,它也会参与反应,导致“有害”构型的产物生成,从而降低产物的对映选择性。而DKR策略有效克服了KR的缺点,即不断富集的“劣势”构型反应底物可以不断地发生消旋化,部分转化为“优势”底物,进而不断地生成目标构型的产物。理想情况下,外消旋体底物可以通过DKR可以100%转化为单一构型的产物,但是前提是两种构型的底物在反应条件下可以快速互变(k1 >> k2 且 k3 >> k2)。为了克服KR和DKR的固有限制, Vedejs和Chen于1997年引入了另一种叫做平行动力学拆分(PKR)的策略,即两种对映体底物分别沿两条不同的反应路径,以相同或接近的速率转化 (k1≈k3且k1 >> k4 且 k3>> k2),得到单一对映异构体的两种产物。在一种不对称反应条件下,既要实现化学选择性又要实现对映选择性调控,即两种底物两种产物四条反应路线的调控是一个巨大的挑战。PKR策略的另一个挑战是,所得到的两种产物一般结构类似,从而造成产物分离非常困难,因此实用性好的PKR反应并不多见(图1)。
      尽管已经有一些成功的PKR的例子,但是产物结构不同并可以通过柱层析分离的报道并不多见。2003年,Fu报道了一种新的铑催化的C-H活化炔链上的醛,然后与炔进环化,以良好产率和对映选择性合成了底物范围有限的环丁烷酮和环戊烯酮。Tanaka等人使用类似的底物和异氰酸酯发生分子间[4+2]环加成,得到了庚酰胺和环戊烯酮的对映选择性衍生物。2017年,Cramer通过PKR反应合成两种独特的氮杂环骨架,3-氮杂双环[3.1.0]己烷和含季立体生成中心的1H-异吲哚。但是,在这些反应中,底物的适用范围比较窄。此外,含有季碳立体中心的杂环广泛存在于天然产物、药物和农药中,然而,对它们的对映选择性合成是一项具有挑战性的任务(图2)。
      朱强/罗爽课题组在前期工作的基础上开发了第一例钯催化对映选择性C(sp2)-H酰亚胺化的平行动力学拆分反应。研究以外消旋的异腈为起始原料,同时生成具有季碳立体中心的二氢异喹啉和1H异吲哚。该反应可以耐受多种类型的底物,可在温和条件下顺利进行反应。由这种PKR的策略构建的五元环和六元环两种产物可以很容易地通过柱色谱分离,这使得该平行动力学拆分变得非常实用。作者还进行了DFT计算,以探索反应机理和对映选择性的来源(图3)。
      该论文的第一作者是博士研究生王希龙,通讯作者是朱强研究员、罗爽副研究员。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持。
      图1. 动力学拆分、动态动力学拆分和平行动力学拆分
      图2. 对映体选择性PKR构建不同环的骨架
      图3. 钯催化的对映选择性C(sp2)-H酰亚胺化能量分布图 (简化版)
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    2022-12-01
  • 华南植物园揭示增温下森林生态系统土壤微生物组装过程差异
    气候变化会影响热带森林生态系统土壤微生物群落组装的过程。然而土壤微生物群落对增温的响应及适应过程与机理尚不明确,对未来气候变暖下土壤微生物群落结构的预测带来新的挑战。该研究依托鼎湖山森林生态系统国家野外科学观测研究站的野外模拟增温实验平台( 2012年开始运行) ,分析了2018-2020连续三年增温下土壤细菌与真菌群落结构与组装过程。因此,研究增温下森林生态系统土壤微生物群落的演替过程,将有助于利用微生物预测气候变暖各阶段以及预测微生物生态功能的演变方向,为完善微生物参与生态系统养分循环过程提供理论依据。
       
      气候变化会影响热带森林生态系统土壤微生物群落组装的过程。然而土壤微生物群落对增温的响应及适应过程与机理尚不明确,对未来气候变暖下土壤微生物群落结构的预测带来新的挑战。
      该研究依托鼎湖山森林生态系统国家野外科学观测研究站的野外模拟增温实验平台(2012年开始运行),分析了2018-2020连续三年增温下土壤细菌与真菌群落结构与组装过程。结果表明,在增温6年后,土壤微生物网络结构更为复杂、网络关键节点的数量随温度升高而增加;土壤细菌与真菌群落结构在干季与湿季均发生显著变化;与真菌不同,相同增温处理下细菌群落结构在连续三年采样中仍有显著变化;随机森林结果表明,真菌群落对增温的预测准确度比细菌更高,这些差异可能是由于细菌与真菌不同的群落组装过程有关。进一步研究表明,细菌与真菌群落组装分别由随机过程及确定性过程主导(图1)。尽管随机过程是细菌群落组成的驱动因素,增温2.1℃导致细菌的组成受到确定性过程的影响。通过构建结构方程模型,评估了温度、土壤养分及土壤含水率对细菌与真菌群落结构组成的影响(图2)。结果表明,增温是影响土壤微生物群落结构的主要因素。在干季中,增温对微生物群落结构有显著正影响(发散)。而湿季增温则导致微生物群落结构收敛。尽管在发散和收敛的过程中,土壤微生物组合可能存在季节性变化。然而我们发现,总体而言,微生物群落结构趋于发散,即与空白对照有显著差异。因此,研究增温下森林生态系统土壤微生物群落的演替过程,将有助于利用微生物预测气候变暖各阶段以及预测微生物生态功能的演变方向,为完善微生物参与生态系统养分循环过程提供理论依据。
      相关研究成果已于2022年12月发表在全球变化生态学领域期刊Global Change Biology(《全球变化生物学》)(IF2021=13.211)。华南植物园鼎湖山站博士后周曙仡聃为论文第一作者,刘菊秀研究员为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金、广东省重点研发计划及博士后基金的资助。论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.16541
      图1. 气候变暖对微生物群落组装过程的影响。(a-f)中性群落模型(neutral community model, NCM)。(g)归一化随机率(normalized stochasticity ratio, NST)。
      图2. 气候变暖下微生物群落组成的环境驱动因素。(a-b)干、湿季中环境驱动因素影响微生物群落结构的路径分析。(c-f)各驱动因素对微生物群落结构的直接、间接及总影响。
      
    2022-12-01
  • 广州健康院探索艾滋病毒感染对新冠疫苗免疫效果的影响取得新进展
    新冠病毒感染引起的新冠肺炎给全球造成了沉重而又深远的影响。新冠疫苗在预防新冠病毒感染,降低传播、重症率和死亡率中发挥重要的作用。艾滋病人群,特别是艾滋病毒未完全抑制人群或艾滋病晚期人群,他们的免疫系统严重受损,抵抗新冠病毒能力大大降低,增加新冠病毒感染风险和感染后的引起疾病严重程度。而且,艾滋病人群的内环境也导致新冠病毒在体内的清除时间延迟,增加了新冠病毒感染传播的机会,同时促进了新冠病毒的突变和进化。在艾滋病人群中接种新冠疫苗建立免疫障碍,对降低新冠病毒的传播及突变株的出现,至关重要。然而,在艾滋病人群中接种新冠疫苗的策略仍缺乏安全性及有效性数据支持。
      新冠病毒感染引起的新冠肺炎给全球造成了沉重而又深远的影响。新冠疫苗在预防新冠病毒感染,降低传播、重症率和死亡率中发挥重要的作用。艾滋病人群,特别是艾滋病毒未完全抑制人群或艾滋病晚期人群,他们的免疫系统严重受损,抵抗新冠病毒能力大大降低,增加新冠病毒感染风险和感染后的引起疾病严重程度。而且,艾滋病人群的内环境也导致新冠病毒在体内的清除时间延迟,增加了新冠病毒感染传播的机会,同时促进了新冠病毒的突变和进化。在艾滋病人群中接种新冠疫苗建立免疫障碍,对降低新冠病毒的传播及突变株的出现,至关重要。然而,在艾滋病人群中接种新冠疫苗的策略仍缺乏安全性及有效性数据支持。
      在世界艾滋病日前夕(12月1日),中国科学院广州生物医药与健康研究院、广州实验室、广州医科大学/呼吸疾病国家重点实验室、广州恩宝生物医药科技有限公司等合作,在该领域中取得了新进展,相关研究成果以“Booster vaccination is required to elicit and maintain COVID-19 vaccine-induced immunity in SIV-infected macaques”为题发表于国际学术期刊Emerging Microbes & Infections。
      研究者基于2020年研制的腺病毒载体新冠疫苗,可在健康猕猴中诱导保护性免疫反应(Nature Communications. 2020),利用感染猴艾滋病毒的猕猴模型来模拟轻度及重度免疫缺陷的艾滋病人群,研究该腺病毒载体新冠疫苗在艾滋猕猴体内的免疫效果。研究发现,单针接种新冠疫苗后,新冠疫苗在轻度免疫缺陷艾滋猕猴(病毒载量小于105 拷贝/毫升血浆)体内诱导与健康猕猴相当的抗体和细胞应答,而重度免疫缺陷艾滋猕猴(病毒载量大于105 拷贝/毫升血浆)的抗体和细胞应答的强度和持续时间则严重受损。两针加强接种后,轻度免疫缺陷艾滋猕猴与健康猕猴的免疫应答水平均迅速升高;同时,70%的重度免疫缺陷艾滋猕猴的免疫应答水平也迅速提升,但应答水平持续较短。
      研究者进一步分析了艾滋猕猴中影响新冠疫苗免疫效果的因素,发现受损的抗体和细胞应答分别与艾滋病毒感染引起的辅助性T(TFH)细胞和CD4/CD8比值减少相关。同时,研究者也发现,腺病毒载体新冠疫苗接种不影响艾滋猕猴的健康状况,包括艾滋病毒载量和艾滋特异性免疫应答等。该研究提示在艾滋病人群及时进行抗艾滋病毒治疗、促进免疫重建的重要性。同时也提示在艾滋病人群中,特别是艾滋病毒未完全抑制人群或艾滋病晚期人群,需要加强接种新冠疫苗、缩短接种新冠疫苗的剂次间隔,以维持保护性免疫应答水平。
      广州健康院副研究员李平超、广州医科大学/呼吸疾病国家重点实验室博士后汪乾、广州健康院博士后何依籽、广州恩宝生物医药科技有限公司杨臣臣为共同第一作者。广州健康院陈凌研究员、冯立强研究员及李平超副研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、广州实验室应急攻关项目、中国科学院青促会等的资助。
      艾滋病毒感染对新冠疫苗免疫效果的影响
      论文链接
      
    2022-11-28
  • 首次中国-新西兰联合深渊深潜科考航次完成克马德克海沟第一航段科考任务
    2022年11月25日,“奋斗者”号全海深载人潜水器顺利完成首次中国-新西兰联合深渊深潜科考航次第一航段任务,返回新西兰奥克兰港。“奋斗者”号全海深载人潜水器和“探索一号”作业母船10月6日从三亚母港启航,10月31日在奥克兰港完成物资补给和人员补充,前往西南太平洋克马德克海沟开展航次任务。
      2022年11月25日,“奋斗者”号全海深载人潜水器顺利完成首次中国-新西兰联合深渊深潜科考航次第一航段任务,返回新西兰奥克兰港。“奋斗者”号全海深载人潜水器和“探索一号”作业母船10月6日从三亚母港启航,10月31日在奥克兰港完成物资补给和人员补充,前往西南太平洋克马德克海沟开展航次任务。
      正在执行回收任务的“奋斗者”号载人潜水器
      新西兰水与大气国立研究所(National Institute of Water & Atmospheric Research, NIWA)的两名科研人员和来自中国科学院深海科学与工程研究所(以下简称中科院深海所)、上海交通大学、同济大学、浙江大学、青岛华大基因研究院、海南热带海洋学院、海南深科海洋技术服务有限公司的科考队员共同参航。 
      11月27日,中-新联合深渊深潜科考队在“探索一号”母船召开航次招待会。航次领队兼首席科学家彭晓彤研究员介绍航次实施情况和成果。中国驻新西兰大使王小龙、中科院副院长张亚平、NIWA副首席执行官Rob Murdoch、深海所副所长阳宁、NIWA研究员Ashley Rowden等出席招待会并致辞。出席本次活动的还有中国驻奥克兰总领事陈世杰、奥克兰博物馆首席执行官David Gaimster以及新西兰原住民代表、华人科学家、知名侨领和中外媒体等。
      在第一航段中,“奋斗者”号全海深载人潜水器下潜作业16次,有14次作业超过6000米水深,站位覆盖了克马德克海沟俯冲带不同的构造单元。其中,“奋斗者”号沿克马德克海沟的轴部最深处下潜5次(其中两次为万米级)。NIWA的科学家Kareen Schnabel博士和中科院深海所潜航员邓玉清共同成为首次到达克马德克海沟最深点(Scholl Deep)的女性。Kareen Schnabel博士也是“奋斗者”号的首位国际乘客,这标志着“奋斗者”号迈进了国际合作新征程。除“奋斗者”号载人潜水器下潜外,第一航段还完成了着陆器布放回收、CTD采水和重力柱取样任务。
      潜航员邓玉清(中)、袁鑫(左)和新西兰国家水资源和大气研究所科研人员卡琳·施纳贝尔进行万米深潜准备
      本航次是国际上首次在克马德克海沟区域开展大范围、系统性的载人深潜调查,采集了丰富的深渊宏生物、岩石和沉积物样品,为深入理解深渊的生命演化与适应机制、深渊沉积环境演变以及板块俯冲与物质交换通量提供了重要的支撑。 
      “奋斗者”号全海深载人潜水器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的核心研制成果,于2020年11月完成万米海试,创造了10909米的中国载人深潜纪录。2020年11月28日,习近平总书记致信祝贺“奋斗者”号成功完成万米海试。总书记贺信指出:“‘奋斗者’号研制及海试的成功,标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力,体现了我国在海洋高技术领域的综合实力”。中科院深海所以习近平总书记贺信为指引,积极部署实施全球深渊深潜探索计划(Global Trench Exploration and Dive Program, 缩写Global TREnD),旨在利用“奋斗者”号全海深载人潜水器开展深入合作,形成多边合作群体,快速凝聚国际深海科学领域共识,培育由我国牵头发起,国际主要深海研究团队共同参与的全球深渊科学研究计划,进而提升我国深海科学研究水平,快速进入国际深海科学前沿阵地,增加我国在深海领域的话语权,向世界展示中国载人深潜能力。在Global TREnD计划框架下,中科院深海所积极开展国际合作交流,已与新西兰、日本、印尼、智利等国家主要研究机构和科研人员建立了合作联系,并与多国在其专属经济区内的深渊海域开展联合深潜科考达成了初步意向。
      附着多种生物的岩石-水深约6000米
      海葵-水深约9000米
      随着“奋斗者”号全海深载人潜水器在远离祖国大陆和母港补给、恶劣且陌生的海洋气象条件下圆满完成第一航段任务,“奋斗者”号相关能力得到进一步提升,Global TREnD计划迈出了坚实的步伐。 
      “探索一号”科考船搭载着“奋斗者”号全海深载人潜水器停靠在新西兰奥克兰皇后码头(新华社郭磊供图)
      在未来的科考应用中,科考队将认真梳理、总结经验,继续发挥“奋斗者”号的深度和技术优势,将我国深渊深潜科考扩展到全球多个典型海沟,展开多国联合的、系统的深渊地质、生命和环境科学多学科综合深潜考察。这将大幅提高我国载人深潜装备深渊科学应用水平,促进我国深渊科学研究和深渊科学普及的发展,形成以“奋斗者”号全海深载人潜水器为核心的、面向全球开放的深渊探测平台,有效支撑国家深海科技发展战略。 
       
    2022-11-28
  • 深圳先进院首次揭示人类全生命周期需水量规律
    Speakman院士团队联合近100个国际团队,基于稳定同位素法,对26个国家共计5604名受试者进行了研究,样本年龄覆盖8天大的婴儿到96岁的老人,推导出全球首个用于预测人体每天需水量的公式,首次揭示了人类全生命周期的需水量规律。
      网上经常流传一个说法,即每天喝八杯水(约2升)有利于身体健康,这真的科学吗?
      北京时间11月25日,一项发表于《科学》的研究颠覆了以往人们对饮水的认知,上述的饮水建议可能超过大多数人真正的需水量。 
      在该研究中,中国科学院深圳先进技术研究院医药所能量代谢与生殖研究中心首席科学家、深圳理工大学(筹)药学院讲席教授John Roger Speakman(约翰·罗杰·斯彼克曼)院士团队联合近100个国际团队,基于稳定同位素法,对26个国家共计5604名受试者进行了研究,样本年龄覆盖8天大的婴儿到96岁的老人,推导出全球首个用于预测人体每天需水量的公式,首次揭示了人类全生命周期的需水量规律。 
      这是继2021年Speakman联合国际团队在《科学》中首次揭示人类全生命周期代谢规律之后,再次在《科学》上发表重要成果。该研究中,Speakman院士为论文主要通讯作者,深圳先进院助理研究员张雪映为论文共同第一作者。 
      文章上线截图
      论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8668
      “了解影响水周转率的因素以及各个因素的相对重要性,是我们在预测未来水需求方面向前迈出的一大步。这项工作建立在来自世界各地科学家的贡献基础上,显示了国际科学合作在回答重大科学问题方面的重要性。”论文通讯作者Speakman院士表示。 
       颠覆“每天8杯水”认知 
      水是生命之源。没有水,人类只能生存三天。人体每天的水周转量(Water Turnover)即水的总交换量,包括了我们摄入的水分和流失的水分,在很大程度上反映了人们的需水量。 
      Speakman团队联合国际团队,基于国际“双标水”数据库,运用氘稀释技术测量了受试者的水周转率,发现20~35岁男性每天的水周转量为4.2升,30~60岁女性每天的水周转量为3.3升,此后随着年龄的增长而下降,到了90多岁,都下降到2.5升左右。 
      值得注意的是,水的周转量并不等于饮用水的需水量,例如,一名20多岁的男性每天的水周转量为4.2升,但并不需要饮用4.2升的水,因为人体代谢和体表水交换可提供其中的15%,其余85%的需水量来自于食物和饮水,食物和饮水各半,因此该年龄段男性每日平均饮水量为1.5-1.8升。 
      相比之下,女性饮水量要小,因为女性的非脂肪成分低于男性,例如一位20多岁的女性,每日的饮水量可能为1.3-1.4升。 
      “该研究的一个主要结果是,我们都应该喝8杯水(或每天约2升)的推荐量,对大多数人来说可能太高了。”论文共同第一作者张雪映表示。 
      此外,研究发现水周转率的个体差异较大,例如仅在成年人中,有些人每天的水周转率仅为身体水分的5%,而另一些人的水周转率则高达20%。不同年龄段、性别、国家的人的需水量是不同的。因此,这种一刀切的健康建议并不适合对个体进行精准化健康指导。 
      揭示全生命周期需水规律,预测未来水需求 
      自20世纪80年代起,“双标水”法通过收集受试者14天的尿液并分析其中标记物的丰度值变化,以了解机体的能量代谢情况,是用于检测自由生活状态下人体能量消耗的“金标准”。 
      Speakman院士是“双标水”技术的权威,他同时是多国多院的院士(中国科学院外籍院士、美国科学院外籍院士、英国皇家学会院士、欧洲科学院院士等),他领导着国际“双标水”数据库的管理与使用,并在此基础上产出了多项重大科学发现。 
      “该论文从投稿到发表,每一个环节都充满挑战,将双标水数据库和环境温度数据库融合是最大的挑战,很庆幸,我们成功战胜了这些挑战。”张雪映回忆道。 
      张雪映介绍,在过去的研究中,对于人类需水量的研究大多依赖于主观问卷调查和实验室里的生理学研究,样本量少且评估方法不精准。 
      而研究团队通过使用氘稀释技术客观精确地测量了受试者的水周转率,研究了整个人类生命过程中,体重、年龄、身体成分、总能量消耗、身体活动水平等因素,以及气候、纬度、海拔、温度和湿度等条件对水周转率的影响。 
      分析发现,生活在炎热潮湿的环境和高海拔地区的人群,以及运动员、孕妇和哺乳期妇女和高体力运动水平的人群中,水的周转率更高。此外,在发展中国家和从事重体力劳动的人群中,也观察到较高的水周转率;日常体育活动也会增加水周转率。 
      此外,该研究提到,水周转率被证明与很多生理健康指标相关,例如身体活动水平、体脂率等,并首次提出了水周转率可以作为一个反映人类的代谢健康的新生物标志物的理念,这对肥胖、糖尿病等各种代谢慢性疾病的研究提供了新思路。 
      基于上述因素对水周转率的影响,科研人员开发了全球首个用于预测人体水周转率的方程式。“该方程可以运用在世界各地的国家与地区,只需要了解一个人的基本生理指标和其所在生活环境的平均温度和湿度,就能预测一个人的需水量。”张雪映介绍。 
      随着世界人口结构的变化以及气候变暖,该研究提供了大数据集指导下用以预测人类需水量的方程式,为未来制定饮用水和富水食品的管理方案改进提供了重要科学依据。 
      “水是生命所必需的,水周转率与需水量密切相关,该研究迈出了建立个性化预测水周转率算法的第一步。”Speakman院士表示。目前,Speakman院士所在的深圳先进院已成立国内首个“双标水”实验室和精准人类营养实验室,将进一步揭示生命规律,为人类制定精准营养策略提供了科学指导意义。 
      水周转率示意图 来源:研究团队供图
      论文通讯作者Speakman院士(左)与论文共同第一作者张雪映(右) 来源:深圳先进院供图 
      
    2022-11-25
  • 深海所完成深海浮游式作业平台4300米级海试
    11月7日至19日,“探索二号”科考船携深海浮游式移动作业平台(ROV)和中继器赴南海开展TS2-19航次,该平台完成了由浅到深3个级别(1500米,2500米和4500米)的海上试验,最大工作深度达到4308米。该平台在海试过程中工作正常,各项指标达到设计目标,顺利完成海试验证,结果表明该系统具备初步的作业能力,可以承担深海科考、工程作业等任务。
      11月7日至19日,“探索二号”科考船携深海浮游式移动作业平台(ROV)和中继器赴南海开展TS2-19航次,该平台完成了由浅到深3个级别(1500米,2500米和4500米)的海上试验,最大工作深度达到4308米。该平台在海试过程中工作正常,各项指标达到设计目标,顺利完成海试验证,结果表明该系统具备初步的作业能力,可以承担深海科考、工程作业等任务。 
       该航次由中国科学院深海科学与工程研究所、长春光学精密机械与物理研究所,海南狮子鱼深海技术有限公司,哈尔滨工程大学共4家单位参与实施,主要任务是开展中科院战略性先导科技A类专项“深海/深渊智能技术及海底原位科学实验站”所研制的系列装备的海试任务,参试装备包括浮游式移动作业平台(ROV)、中继器、深海生物基因测序仪等。 
      深海浮游式移动作业平台(ROV) 
      深海浮游式移动作业平台是深海所独立研发的首台ROV。该装备以“探索二号”船为作业母船、以科学考察、工程应用、应急救援为主要作业任务,可提供液压、电力、通信、监控及控制等多种通用接口,方便搭载各种作业工具及模块开展深海底科学考察和工程作业,其设计水深为6000米。该装备大量采用自研部件,如多功能阀箱、模拟摄像头、网络摄像头、SDI摄像头、4K高清相机、水下LED灯、云台等。其他主要部件都采用国产解决方案,如推进器、水密接插件、浮力材、油泵等。 
      中继器
      本次试验采用的中继器是深海所转让技术、江苏新航船舶科技有限公司研制,最大工作水深为6000米,可提供电力、通信等多种通用接口,能搭载或者挂载多种类型的装备、仪器、模块开展深海作业,如电视抓斗、科学类仪器等。该装备曾经搭载电视抓斗在应急救援航次中发挥了重要作用,充分验证了其各方面性能。 
      ROV机械手操作取水器
      在本航次中,“探索二号”船通过光电复合铠装缆连接至中继器,再通过非金属轻质光电复合脐带缆连接至ROV。中继器与ROV组成柔性连接的分体式系统,该系统进行了4500米级海上试验应用,有效验证了“中继器-ROV”的分体式布放-回收方案及测试流程,以及ROV各分系统及模块的设计性能指标,并充分测试了ROV在4500m级大工作深度下的综合作业能力,如定高、定深、定向、定速、样品抓取收集等。 
      深海浮游式系统作业平台显控中心 
      该分体式系统与基于“探索二号”船的,具备供配电、甲板操作控制、视频监控等功能的水面控制单元组成一个完整的作业系统。整个系统可作为“探索二号”船的常用科考作业工具,能配合“探索二号”船完成更多深海科考任务,全面提升“探索二号”船的作业能力。 
      深海原位生物基因测序仪 
      本航次还进行了深海原位生物基因测序仪的1800米功能性海上试验。该设备由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制,并由中国科学院深海科学与工程研究所完成其水下化封装。该设备搭载中继器下放至1800米深度,并成功进行了自带生物样品的测序和分析,为下一步与其它高性能生物类仪器联合开展深海原位环境下的生物探测及分析打下了良好的基础。 
      
    2022-11-24
  • 深圳先进院在原位生长钙钛矿晶片实现低剂量直接X射线探测成像
    该成果聚焦钙钛矿直接型X射线探测器中钙钛矿晶片材料缺陷密度高、载流子传输效率低的科学问题,原创性地开发了一种钙钛矿晶体的原位生长技术,极大提高了钙钛矿晶片的光电性能,实现了高效直接X射线探测及扫描成像。
      近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所喻学锋、刘延亮团队与医工所葛永帅团队合作,在权威刊物Advanced Science在线发表研究论文“PbI2-DMSO Assisted In-situ Growth of Perovskite Wafer for Sensitive Direct X-ray Detector”。 该成果聚焦钙钛矿直接型X射线探测器中钙钛矿晶片材料缺陷密度高、载流子传输效率低的科学问题,原创性地开发了一种钙钛矿晶体的原位生长技术,极大提高了钙钛矿晶片的光电性能,实现了高效直接X射线探测及扫描成像。本工作为制备高灵敏、高分辨直接X射线探测器提供了新的技术路线,有望应用于未来高端医疗影像诊断和芯片无损检测等领域。喻学锋研究员、葛永帅研究员和刘延亮副研究员为本文共同通讯作者,刘文俊硕士生和史桐雨博士生为本文的共同第一作者。 
       论文线上截图 
      论文链接:http://doi.org/10.1002/advs.202204512   
      X射线探测在医学诊疗、安防检查、工业无损检测等领域应用广泛。然而,目前商用的闪烁体间接X射线探测器存在二次光电转化效率低、可见光色散等难以克服的问题,导致探测灵敏度低、辐射剂量高、空间分辨率差,无法满足高端医学影像、芯片检测等领域的需求。相比之下,基于半导体材料的直接X射线探测器可通过一次光电转换,直接将X射线转换成电信号,因此可具有更高的光电转换效率、探测灵敏度和空间分辨率。然而,目前常用的直接X射线探测半导体材料面临对X射线吸收弱(硅、非晶硒)、热稳定性差(非晶硒)、造价高昂(碲化镉、碲锌镉)等问题,极大地限制了其推广应用。因此,发展新型高效半导体光电转换材料是直接X射线成像探测器走向应用的关键。    
      近年来,金属卤化物钙钛矿半导体凭借优异的本征性能,如重原子X光吸收、载流子迁移率高和寿命长等,在直接X射线探测领域备受关注。钙钛矿材料对X射线的探测灵敏度可达100000 μC Gyair-1cm-2,远优于商用的硅、非晶硒、碲锌镉。通过简单等静压方法制备的钙钛矿晶片尺寸和厚度可控,非常适用于直接X射线检测。然而,钙钛矿晶片常常面临晶体生长不完全、电荷缺陷密度高的问题,严重影响了X射线探测器的效率及工作稳定性。   
      针对上述问题,结合之前的研究基础,从提升钙钛矿结晶度、降低钙钛矿晶片缺陷密度出发,本研究工作创新性地开发了一种PbI2-DMSO固体添加剂,促进了厚钙钛矿晶片的原位再生长,提高了材料的结晶度、降低缺陷密度、提高载流子迁移率和寿命。并且通过减缓钙钛矿的结晶过程,降低成核密度形成连续的大晶粒钙钛矿晶片,进一步促进器件表面晶界融合、提高电荷传输性能,从而获得高效钙钛矿直接X射线探测器。探测器灵敏度可达1.58×104μC Gyair-1cm-2,最低可探测剂量可达410 nGyair s-1,并且用平面扫描的方式,实现了高清X射线探测成像。这项工作为钙钛矿材料开拓了新的应用方向,同时也为高质量钙钛矿晶片的制备提供了一种有效策略,具有很大科学和应用价值。 
      该研究工作获得了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年项目、中科院青年创新促进会、深圳市杰青及中科院特别研究助理等项目的资助。 
       
      原位生长钙钛矿晶片用于高灵敏直接X射线探测      
      X射线探测扫描成像 
      
    2022-11-17
  • 深圳先进院在可注射医用胶的研究中取得进展
    该论文研究团队通过材料设计,结合“升温收缩”纳米胶束和“粘附性小分子”模块,开发了兼具快速粘附和抗吸水溶胀的“稳态”可注射粘附性水凝胶(RAAS hydrogel),能够快速粘附和封闭损伤组织,实现包括心脏出血等多种出血模型的有效止血。
       近日,中国科学院深圳先进院医药所人体组织与器官退行性研究中心的潘浩波研究员团队和赵晓丽研究员团队,联合香港大学深圳医院等多家单位,在可注射医用胶的研究中取得最新进展,相关成果以“An Injectable Rapid-Adhesion and Anti-Swelling Adhesive Hydrogel for Hemostasis and Wound Sealing”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上 (Adv. Funct. Mater. 2022, DOI:10.1002/adfm.202207741),并入选“Inside Front Cover”展示。该论文第一作者为深圳先进院助理研究员边少荃和博士研究生郝浏智,通讯作者为潘浩波研究员和赵晓丽研究员。
       
      图1. 快速固化非溶胀水凝胶用于脊髓硬脊膜修复  
      意外事故或手术过程中发生的创伤或出血,需要及时进行止血和伤口闭合,以避免失血或细菌感染等并发症,并促进伤口愈合,“无缝合”伤口封闭技术不仅能避免组织的二次损伤,更适合多种组织的应用。可注射粘附性水凝胶是实现“无缝合”伤口封闭的关键,目前的技术难点在于体内液体环境中实现快速粘附及时封闭损伤组织的同时,也要保持体积稳定,避免在受限空间使用时对周围组织造成压迫损伤。脊髓组织受到压迫容易造成神经的损伤,严重时会引起截瘫。 
      该论文研究团队通过材料设计,结合“升温收缩”纳米胶束和“粘附性小分子”模块,开发了兼具快速粘附和抗吸水溶胀的“稳态”可注射粘附性水凝胶(RAAS hydrogel),能够快速粘附和封闭损伤组织,实现包括心脏出血等多种出血模型的有效止血。同时,在脊髓腔内使用时,能够封闭硬脊膜损伤,有效避免了亲水性医用胶吸水膨胀压迫损伤脊髓组织的风险,表现出在脊柱手术中的潜在应用价值(图2)。 
       
      图2. RAAS hydrogel用于止血和损伤组织封闭,抗吸水溶胀的“稳态”能够避免压迫损伤脊髓组织  
      综上所述,该水凝胶的研究在降低材料溶胀对周围组织压迫损伤风险的方面具有重要意义。同时该凝胶体系的主要成分都属于被批准临床使用的材料,降解时间可控,具有较好的临床应用前景。  
      该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金以及深圳市科创委基金项目的支持。 
      论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202207741 
      
    2022-11-17
  • 深圳先进院在面向呼吸道诊疗措施的软体内窥镜机器人研究取得进展
    该工作设计了国际上第一款专为呼吸道检查和球囊扩张术的软体爬行内窥镜机器人
      近日,中科院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所微创中心李英田副研究员课题组与哈佛大学医学院Pierre E Dupont教授在Soft Robotics(中科院一区,IF=8.071)合作发表题为“A Soft Robotic Balloon Endoscope for Airway Procedures”的文章。深圳先进院李英田副研究员为第一作者,深圳先进院为第一完成单位。
      内窥镜和球囊导管已广泛用于气道和食道等人体自然腔道的诊疗措施中,它们常组合使用,以内窥镜识别狭窄阻塞区域,并通过球囊扩张术来缓解病症。然而,球囊导管需深入腔道进行治疗,极易遮挡内窥镜视野,难以准确定位球囊与病变组织的相对位置。此外,肺中狭窄的部位通常位于转角处,会进一步增加球囊的视觉定位、球囊扩张监测和扩张后组织检查的难度。 
      针对上述挑战,该工作设计了国际上第一款专为呼吸道检查和球囊扩张术的软体爬行内窥镜机器人。基于球囊结构,这款机器人可以在腔道内自主运动、绕过转角并执行球囊扩张术;该机器人结构具有尺寸可变性,能较好适应呼吸道中不同的腔道内径;机器人具有一个中央空腔,不仅可使得机器人在呼吸道中运动时保证空气畅通,还为未来更多功能的集成提供了可能性;机器人使用的均是生物相容性材料、驱动为手术室中通用的高压和真空气体,且加工成本可控(机器人本体不到35人民币)。该机器人在实验室环境和动物的体外组织中进行了功能测试,证实了此机器人可消除由于组合使用内窥镜和球囊导管而引发的视觉遮挡问题,它还提供了检查转角处病变组织的能力。 
       
      图1. 机器人导航实验。(A)三通管接头转弯实验。(B)动物猪活体外组织与机器人原型机。(C)猪气管内,机器人视角中显示的三个支气管位置。(D)下肺叶支气管位置。(E)从右下叶支气管内观察下一分支。(F)从左下叶支气管内观察下一分支。 
       
      全文链接:https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2020.0161 
        
      
    2022-11-17
  • 华南植物园在甘薯抗虫遗传基础解析方面取得重要突破
    甘薯( Ipomoea batatas L . )是世界重要的经济作物,而中国是全球最大的甘薯生产、消费和出口国,产量占世界总产量的60%以上。甘薯小象甲是甘薯种植危害最大的害虫,也是国际上重要的检疫性害虫,通过啃咬叶蔓、蛀食薯块等,在种植期和薯块储存期均造成危害,严重影响甘薯的产量和食用品质。甘薯小象甲在亚洲和非洲薯区发生十分严重,可造成10% ~ 30%产量损失,严重时在50%以上,防范不当易导致绝收,给甘薯生产带来巨大的经济损失。因此,发掘甘薯自身的抗虫基因资源,开展抗性分子机制研究,促进抗虫技术开发和抗性品种选育,是解决甘薯小象甲虫害最为经济环保且可持续的发展方向,也是当前甘薯产业发展的迫切需求。
      甘薯(Ipomoea batatas L.)是世界重要的经济作物,而中国是全球最大的甘薯生产、消费和出口国,产量占世界总产量的60%以上。作为我国的特色农产品,甘薯既是保障粮食安全的底线作物,也是精准扶贫的优势作物。甘薯种植区主要分布在温带、热带和亚热带地区,频繁发生的虫害已成为制约甘薯生产的主要因素。甘薯小象甲是甘薯种植危害最大的害虫,也是国际上重要的检疫性害虫,通过啃咬叶蔓、蛀食薯块等,在种植期和薯块储存期均造成危害,严重影响甘薯的产量和食用品质。甘薯小象甲在亚洲和非洲薯区发生十分严重,可造成10%~30%产量损失,严重时在50%以上,防范不当易导致绝收,给甘薯生产带来巨大的经济损失。在我国南方甘薯种植区一年可多代发生且世代重叠,因气候变暖,近年来已扩散至长江流域种植区,有逐年扩大趋势。然而,目前尚无甘薯小象甲的有效抗性资源,主要采取大量施用农药等化学防治,不但增加生产成本,还导致环境污染与食品安全等问题。因此,发掘甘薯自身的抗虫基因资源,开展抗性分子机制研究,促进抗虫技术开发和抗性品种选育,是解决甘薯小象甲虫害最为经济环保且可持续的发展方向,也是当前甘薯产业发展的迫切需求。
      近年来,中国科学院华南植物园侯兴亮研究员带领植物发育与品质调控研究团队聚焦甘薯重要性状遗传基础与高效精准育种技术的研究。由于甘薯小象甲抗性的研究基础非常薄弱,甘薯抗虫资源多样性不高,导致抗虫机制研究进展缓慢,有“薯道难”之称。面对此问题,侯兴亮团队通过与广东海洋大学研究人员合作,花费多年在虫害流行严重的华南地区搜集不同的甘薯材料,并进行抗虫评价。历经三年田间筛选,获得了两份珍贵的甘薯小象甲高抗种质。之后,他们利用抗感种质构建F1遗传群体,同时克服了控制条件下抗虫表型难检测、不稳定的困难,建立了稳定的甘薯小象甲抗虫可控评价体系,最终成功定位并克隆了两个甘薯小象甲抗性关键基因SPWR1(Sweet Potato Weevil Resistance 1)和SPWR2。值得注意的是,研究者们还克服了甘薯遗传转化操作难、转化率低、周期长的问题,利用甘薯自身快速增生能力,配合根癌农杆菌(非发根农杆菌)定向注射手段,开发了一种高效稳定的新型甘薯遗传转化方法。随后,大量的甘薯遗传材料证明了SPWR1和SPWR2均正向调控甘薯小象甲抗性;多种生理生化实验表明甘薯小象甲侵害可诱导SPWR1编码的WRKY转录因子特异结合抗性等位基因SPWR2启动子的W-box元件,从而激活后者的基因表达;而SPWR2编码的蛋白是甘薯奎尼酸合成途径的关键酶,其进一步启动了下游奎尼酸衍生物的生物合成,以此抵御甘薯小象甲侵害。进一步的昆虫理化实验也证明携带有1-羟基-奎尼酸基团的衍生化合物均表现出对甘薯小象甲肠道消化酶和活动的抑制活性。
      目前农业上尚无小象甲甘薯抗性品种培育,此项研究创制的种质在显著提高抗性的同时并未降低品种原有产量和品质,填补了国际上甘薯小象甲抗性种质开发利用的空白。值得一提的是,奎尼酸及其衍生物在甘薯的内源浓度下不具有对人体的药理毒性,且在自然环境中不易残留,含有高水平奎尼酸的天然抗虫变异品种抗虫性强大,展示出一种有潜力的、兼具环境友好型和资源节约型的农业抗虫方案。总之,该研究不仅首次克隆了甘薯天敌害虫的天然抗性基因,还揭示了其下游天然抗虫物质的调控机理,为甘薯小象甲田间防治手段提供了新方向和新思路,对推进高产优质多抗的甘薯分子育种,促进特色高值生态农业关键技术研发和成果转化,带动甘薯产业的良性发展和农民增产增收,具有重要意义。
      相关成果近期以封面故事发表在国际权威植物学期刊Nature Plants(《自然植物》)上。中国科学院华南植物园的刘旭副研究员为论文的第一作者,中国科学院华南植物园的王亚如硕士、梅果果硕士生、廖茵茵博士及广东海洋大学朱宏波副教授为论文的共同第一作者,华南植物园侯兴亮研究员为论文的通讯作者。研究得到了国家自然科学基金-广东省联合基金和广东省特支计划青年拔尖人才等项目支持。
      链接:www.nature.com/articles/s41477-022-01272-1
      
    2022-11-17