返樸 返樸

1. “鏡”益求精——超分辨顯微成像突破至單納米精度

2. 人喜歡吃糖不只因為甜

3. 人類大腦語言通路至少起源于2500萬年前

4. “吃”金屬發(fā)電的機器人

5. 微納米顆粒通過靜電力自組裝為五彩晶體

6. 北極不久將在夏季無冰

7. 孕激素受體進化未必有利

8. 聆聽新冠病毒棘突蛋白演奏的樂章

撰文 | 韓若冰、小葉、繼省、葉譯楚、顧舒晨、太閣爾、Tendo

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“鏡”益求精——超分辨顯微成像突破至單納米精度

人們常說，見微知著。在生物學研究中，顯微鏡可以幫助科學家看到生物系統(tǒng)內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)或過程，從而更好地理解生物學現(xiàn)象。然而，傳統(tǒng)光學顯微鏡存在約250 nm的分辨率極限（又稱衍射極限），無法捕捉更精細的差異。為此科學家開發(fā)了一系列工具，例如利用單分子熒光信號隨機成像得到多張圖像，再疊加重構(gòu)。這一系列技術(shù)被稱為超分辨率顯微成像，可以達到20-30 nm精度，能夠觀察和追蹤活細胞內(nèi)單個分子的行為，相關(guān)科學家因此獲頒2014年的諾貝爾化學獎[1]。然而，現(xiàn)有技術(shù)尚無法精準觀測分子間相互作用，后者的空間尺度一般僅有幾個納米。

傳統(tǒng)熒光成像（左）和超分辨率成像圖像（右）對比 | 來源：哈佛大學莊小威實驗室網(wǎng)站

近日，《科學進展》雜志報道了澳大利亞新南威爾士大學Katharina Gaus小組的最新成果[2, 3]。該研究組開發(fā)了反饋型單分子定位顯微成像技術(shù)（feedback SMLM），將分辨率進一步突破至單納米精度。該系統(tǒng)的核心原理是通過增加反饋環(huán)路系統(tǒng)，重新校正顯微鏡成像的誤差，相當于在原有超分辨顯微鏡基礎(chǔ)上又置入了一個顯微鏡。利用這一新系統(tǒng)，他們發(fā)現(xiàn)激活型T細胞中的T細胞受體蛋白和CD45蛋白在空間上有4-7 nm的距離，并非如現(xiàn)有模型所認為的那般靠在一起。

可以預(yù)見，超分辨顯微成像精度的突破，將為生物學研究打開新的大門，甚至可能改寫現(xiàn)有的科學理論。

[1] 席鵬,孫育杰.超分辨率熒光顯微技術(shù)——解析2014年諾貝爾化學獎[J].科技導報,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

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人喜歡吃糖不只因為甜

人口腔內(nèi)的甜味感受器可以被一系列物質(zhì)激活產(chǎn)生甜味的感覺：各種糖類、人工甜味劑、甜氨基酸、甜蛋白質(zhì)[1]。人工甜味劑是一類低熱量或無熱量、幾乎不會被人體轉(zhuǎn)化的有機化合物，可以讓糖尿病患者等不宜大量攝入糖類的人群同樣享受甜食。然而甜味劑對控制人群糖類攝入的作用似乎微乎其微，原因之一在于人們似乎更喜歡真正的糖的味道。

近日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇研究表明，人們不喜歡甜味劑也許并不是由于它的味道不行，而是腸道會通過一定的途徑控制我們對甜味來源的選擇，這個途徑被稱為“腦-腸軸（gut-brain axis）”[2]。

研究人員在野生型小鼠籠內(nèi)放入糖瓶和甜味劑瓶，小鼠們最開始的進食并沒有偏向性，但在48小時后，所有小鼠幾乎都產(chǎn)生了對糖的偏好，只從糖瓶內(nèi)取食。而當控制甜味感受器的Trmp5基因被敲除之后，小鼠在無法嘗到“甜頭”的情況下仍然會選擇糖而不是甜味劑，這說明一定有另外的機理在起決定性作用。

葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白SGLT1在腸上皮細胞中表達，它與腸內(nèi)葡萄糖的吸收有關(guān)。當研究人員給予小鼠SGLT1抑制劑時，小鼠對糖的偏好顯著減弱，這說明SGLT1也許正是腸道發(fā)出糖偏好信號的關(guān)鍵。

[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.

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人類大腦語言通路至少起源于2500萬年前

過去科學家們認為，人類大腦的語言神經(jīng)通路起源于500萬年前人類和猿猴的一個共同祖先。然而最近一項發(fā)表于《自然神經(jīng)科學》雜志的研究[1]發(fā)現(xiàn)，語言通路的起源至少需要再往前推2000萬年。

英國紐卡斯爾大學醫(yī)學系的Chris Petkov教授說，這一研究結(jié)果的意義相當于找到了一個祖先的新化石，也許還有更古老的起源尚未被發(fā)現(xiàn)[2]。

不同于骨骼，大腦不會變成化石。但科學家可以通過比較猿猴等靈長類動物與人類的大腦成像，來推斷共同祖先的大腦可能是什么樣的。

在這項研究中，科學家通過分析人類、猿類和猴子的聽覺區(qū)域及大腦通路，發(fā)現(xiàn)在非人類靈長類動物的聽覺系統(tǒng)中，隱藏著一條與人腦語言通路類似的通路。這部分通路將聽覺皮層與額葉區(qū)域相互連接，對處理語音和語言信息很重要。盡管講話和語言是人類獨有的能力，但在其他靈長類動物中所發(fā)現(xiàn)的聽覺途徑聯(lián)系表明，人類語言通路是從非人類靈長類動物的聽覺系統(tǒng)中進化而來。

此外，這些研究還發(fā)現(xiàn)了人類獨有的一個特點——左腦的語言通路比右腦更強。這種不同可能與進化原型不同有關(guān)，右腦的通路可能涉及了大腦的非聽覺部分。

[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/

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“吃”金屬發(fā)電的機器人

設(shè)計微型機器人的一個難題是，芯片技術(shù)發(fā)展把能源技術(shù)遠遠拋在了身后，結(jié)果就是，微機器人的處理器十分先進，但微小的身體卻只能存儲極為有限的能量。而通過類似于太陽能電池這樣的方法從外界獲取能量速度太慢，換句話說，微機器人的“能量密度”和“功率密度”都可謂捉襟見肘。

近日，美國賓夕法尼亞大學工程學院的研究人員們開發(fā)了一種強大的新型“吃貨”機器人，學名叫做“金屬-空氣清道夫”（metal-air scanvenger，簡稱MAS），能夠通過電化學腐蝕周圍的金屬獲得能量。這種靠“吃”金屬發(fā)電的機器人，采集能量的方式比傳統(tǒng)上快了十倍，而獲得的能量更是比鋰電池多了13倍。

金屬-空氣清道夫。| 來源：[1]

這種機器人的控制和機械單元沒什么特別之處，但亮點在其電池的設(shè)計（見下圖）。不同于傳統(tǒng)的紐扣電池、干電池或者鋰電池這種正負極材料都在機器人體內(nèi)的設(shè)計，“吃貨”機器人的能量來自于身后拖著的一片水凝膠。這片薄薄的像果凍一樣的水凝膠下表面接觸金屬，上表面通過特殊的金屬電極接觸空氣，從而形成一個簡易但有效的金屬-空氣電池。通俗地說，這片水凝膠的作用就是加速金屬的腐蝕，并將這一過程中釋放的電能收集傳遞給機器人。因此，隨著機器人拖著水凝膠走過，其身后會留下一片大約100微米厚的金屬銹蝕。此外，為了保證水凝膠不會變干而無法導電，這個小機器人還有一個像燈芯一樣的裝置不斷的給水凝膠補水。

“吃”金屬供能的金屬小車設(shè)計示意圖。黑色的薄片上是一層催化金屬網(wǎng)，中間是水凝膠層，最下面是被“吃”的金屬。| 來源：[2]

這種吃金屬供能技術(shù)有望給機器人的設(shè)計帶來一場革命：或許有一天，我們可以像喂食寵物一樣給機器人喂吃金屬餅干，讓它們吃飽了有力氣干活。

[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

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微納米顆粒通過靜電力自組裝為五彩晶體

無論是亮晶晶的食鹽顆粒，還是泛著五彩光澤的貓眼石，實際上都是微小的結(jié)構(gòu)單元規(guī)則排列而形成的晶體。近日，來自紐約大學的團隊在《自然》雜志上發(fā)表最新研究成果[1, 2]，展示他們利用靜電吸附作用，讓帶電的微納米顆粒自組裝為結(jié)晶。

利用本文的靜電自組裝方法獲得的毫米尺度的微納米顆粒晶體。| 來源：[1]

自組裝是自然界中的一種常見現(xiàn)象。其中一種表現(xiàn)形式，是微納米顆粒通過某種方式識別彼此，互相連接，從而自發(fā)組裝為特定的結(jié)構(gòu)。其他生活中自組裝的例子還包括肥皂泡、蛋白質(zhì)、細胞膜、細菌、鳥群、無人機等。實現(xiàn)微納米材料的自組裝，對功能材料的可控、大批量制備尤其具有重要意義。

之前文獻中已經(jīng)報道了許多讓微納米顆粒自組裝的方法。例如，一種方法是將顆粒表面包裹DNA鏈，并利用不同顆粒上DNA鏈互補的特性，實現(xiàn)它們彼此的特異性連接（比如讓A類顆粒只與B類連接，而不發(fā)生AA、BB結(jié)合）。但這種方法門檻比較高，且需要消耗大量的DNA，因而比較昂貴，不利于大批量制備。

而本文所提出的基于異種電荷互相吸引的方法，與互補的DNA有異曲同工之妙：帶異種電荷的微納米顆粒，就如同溶液中的正負離子一樣，在合適的條件下，會自發(fā)組裝為晶體結(jié)構(gòu)的塊狀材料。此外，如果顆粒之間的間距與可見光波長接近，還會發(fā)生光的干涉，獲得五彩斑斕的晶體。

什么是合適的條件？這正是這項工作的一個難點：如何實現(xiàn)帶異種電荷的顆粒整齊有序排列為晶格結(jié)構(gòu)，而不形成混亂無序的團簇？為此，本文采用了一種稱為“高分子調(diào)節(jié)的庫倫自組裝”方法，通過在帶有電荷的顆粒表面枝接高分子，以調(diào)節(jié)它們彼此之間的吸引排斥力，讓作用力恰到好處。

這項工作是受到自然界啟發(fā)而生，卻又青出于藍，得到了一些自然界晶體所沒有的優(yōu)勢。例如，可以通過選用大小和形狀不同的微納米顆粒，獲得許許多多結(jié)構(gòu)、性質(zhì)不同的晶體結(jié)構(gòu)。這也是膠體化學這一學科獨特的魅力所在。

[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

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北極不久將在夏季無冰

全球21個研究機構(gòu)合作的一項新研究[1, 2]預(yù)計，北極海冰首次在夏季完全消失將出現(xiàn)在2050年之前，這會對北極生態(tài)系統(tǒng)造成災(zāi)難性后果。夏季海冰消失的頻率和持續(xù)時間取決于氣候保護措施的有效性。

目前北極全年都被海冰覆蓋，夏天的覆蓋面積減少，冬天再次增加。但是由于全球變暖，在過去的幾十年中，北冰洋海冰覆蓋的總面積迅速減少。海冰蓋是北極熊和海豹的狩獵場和棲息地，并可通過反射陽光使北極保持較低溫度。

研究者表示，在走向冰蓋消失的過程中，北極海冰面積每年的變化大大增加，使得當?shù)鼐用竦纳詈鸵蕾嚤奈锓N的生存越來越艱難。

這項發(fā)表在《地球物理研究快報》雜志的研究分析了由40種不同氣候模型得到的最新結(jié)果。研究人員評估發(fā)現(xiàn)，在二氧化碳排放量高而氣候保護措施少的情況下，夏季北極海冰覆蓋的演變結(jié)果是會迅速消失。令人驚訝的是，他們還發(fā)現(xiàn)在某些CO2排放迅速減少的模型中，冰蓋也會消失。

研究顯示，未來多長時間內(nèi)北極會失去海冰覆蓋，很大程度上取決于未來的二氧化碳排放量。如果排放迅速減少，那么無冰年份只會偶爾發(fā)生；而隨著排放增加，北冰洋在大多數(shù)年份將出現(xiàn)無冰情況。研究者稱，這告訴我們，人類仍然可以根據(jù)未來的二氧化碳排放水平來影響夏季北冰洋無冰的頻率。

[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

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孕激素受體進化未必有利

孕激素是由卵巢黃體分泌的一種天然激素, 它通過與孕激素受體結(jié)合調(diào)控下游的靶基因，以此調(diào)節(jié)女性受孕的各個方面，包括受精卵何時著床，生殖周期，以及足月妊娠的維持和終止等。孕激素受體存在于大多數(shù)脊椎動物中，并在哺乳類動物中具有較高同源性。過去的研究發(fā)現(xiàn)，人類孕激素受體基因經(jīng)歷了快速進化，一些科學家認為，這可能是進化過程中的一種正向選擇，通過改善基因功能以更適應(yīng)懷孕的過程。但美國布法羅大學的研究者近日在《PLOS遺傳學》雜志上發(fā)表的研究[1]則得出了不同的結(jié)論，并為了解孕激素受體基因的進化提供了新的視角。

研究人員分析了115種哺乳動物的DNA，包括各種靈長類哺乳動物，如：現(xiàn)代人類、尼安德特人、猴子、狐猴和駱駝；以及非靈長類哺乳動物，如：大象、大熊貓、豹子、河馬、土豚、海馬和海象等。通過對比研究，他們發(fā)現(xiàn)雖然孕激素受體基因在人類中迅速進化，但并沒有證據(jù)支持進化后的受體對人類更有利，反而在進化的過程中還積累了許多有害突變。

此外，通過分析孕激素受體的祖先形式，研究者發(fā)現(xiàn)人類的該受體進化后在功能上也發(fā)生了變化，這表明人類進化后孕激素的調(diào)控作用很可能與其他哺乳動物不同。因此，當我們試圖將動物模型中孕激素的生物功能研究應(yīng)用于人類時需要非常的謹慎。

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

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聆聽新冠病毒棘突蛋白演奏的樂章

請點擊播放 | 音頻來源：[1]

大家聽到的音樂片段并非出自某位音樂家的靈感，而是來源于人盡皆知的新型冠狀病毒棘突蛋白。那么，蛋白質(zhì)是怎么變成音樂旋律的呢？

這要得益于MIT的工程學教授Markus Buehler及其團隊的蛋白質(zhì)聲音化技術(shù)。他們利用蛋白質(zhì)氨基酸的正常模態(tài)振動，計算出20種天然氨基酸各自的音頻表征，即將振動頻率轉(zhuǎn)化為人耳能夠聽到的聲音，20種氨基酸對應(yīng)的音符就構(gòu)成了“氨基酸音階”。隨后再通過每個音持續(xù)的時長和音量來表示與每一個氨基酸相關(guān)的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)信息，并使用數(shù)字形狀采樣和處理算法，引入音樂節(jié)奏。最后，研究人員用同樣的方法將蛋白分子的正常模態(tài)頻率也整合為聲音信號[2]。

新型冠狀病毒結(jié)構(gòu)，表面藍色和綠色突出部分代表棘突蛋白。|圖片來源：Fusion Animation

如此一來，棘突蛋白的氨基酸序列、二級結(jié)構(gòu)和三維折疊都有了聲音特征。研究人員精心挑選了日本箏演奏主要音符，并配以鐘聲和長笛，制作出的音樂節(jié)奏舒緩，旋律優(yōu)美。Buehler評價道：“病毒以如此悅耳的方式欺騙我們的耳朵，就像它欺騙細胞一樣[3]?！?/p>

Buehler希望這種新形式可以幫助科學家在蛋白質(zhì)分子上找到抗體或者藥物可能的結(jié)合位點，只需通過搜索與結(jié)合位點對應(yīng)的特定音樂序列。同時，將這段音樂與數(shù)據(jù)庫中大量其他蛋白的聲音形式進行比較，也許能找到可與棘突蛋白結(jié)合的蛋白，從而找到預(yù)防病毒感染細胞的方法[4]。

[1] 此處為節(jié)選，完整音樂：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#

原標題：《喜歡吃糖不只因為甜；超分辨顯微成像突破至單納米精度；北極或?qū)⑾募緹o冰 | 一周科技速覽》

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