科学+自然!南方科技大学连续发表两篇重磅科研成果

2020-05-02南方科技大学科研青塔

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摘要:连续两天,南科大教授的科研成果在《科学》《自然》连续发表。

4月30日,南方科技大学工学院材料科学与工程系副教授刘玮书课题组与美国国家工程院院士、麻省理工学院教授陈刚课题组在离子型室温热电材料上获得重大突破,通过离子的扩散熵与氧化还原电对反应熵的协同效应在准固态离子凝胶中实现了高达17 mV/K的巨热电势效应。研究成果以First release的形式发表在顶级期刊《科学》(Science)上。

4月29日,南方科技大学理学院生物系教授郭红卫课题组在《自然》(Nature)杂志发表了以“Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”为题的研究成果。该论文通过在特定突变体中鉴定到大量植物内源22nt siRNA,揭示了拟南芥22nt小RNA介导翻译抑制与胁迫适应性的重要生物学功能,是植物小RNA领域的一项突破性研究成果。

连续两天,南科大教授的科研成果在《科学》《自然》连续发表。

南科大刘玮书课题组在Science刊文报道巨热电势的离子热电材料

果冻是小朋友们喜爱吃的甜点,但是机器人不吃东西,只需要充电。南方科技大学材料科学与工程系副教授刘玮书课题组打破了这个常识——研究人员运用最新原创性研究,做出了一个可以发电的“果冻”。“果冻”主要物质是从动物骨头中提取出来的高分子物质明胶,不仅可以作为餐桌上的美食,也是重要的工业原料。

近日,刘玮书课题组与美国国家工程院院士、麻省理工学院教授陈刚课题组在离子型室温热电材料上获得重大突破,通过离子的扩散熵与氧化还原电对反应熵的协同效应在准固态离子凝胶中实现了高达17 mV/K的巨热电势效应(如图1)。研究成果以First release的形式发表在顶级期刊《科学》(Science)上。

图1.巨热电势离子型热电材料。(A)本工作制备的离子型热电材料Gelatin-x KCl-m/n FeCN4-/3-热电势对比图(x和m/n是摩尔浓度,FeCN4-/3-是Fe(CN)64-/Fe(CN)63-),其中Gelatin(x = 0 M, m/n = 0 M),Gelatin-FeCN4-/3-(x = 0 M, m/n = 0.42/0.25 M),Gelatin-KCl(x =0.8 M, m/n = 0 M)和Gelatin-KCl-FeCN4-/3-(x = 0.8 M, m/n = 0.42/0.25 M,水/明胶体积比rv=2.0和3.0);(B)本工作和报道采用thermodiffusion效应和thermogalvanic效应的绝对热电势。

基于Seebeck效应的热电转换材料可以实现热能与电能之间的直接相互转换,可为物联网体系中的小型传感器或电子设备提供可持续工作的电能。目前,基于传统电子型的热电转换材料(e-TE)在室温环境下捕获的能量可以达到毫瓦级的输出功率,但是受半导体电声输运行为的限制,优化的热电势约在200 μV/K左右。为获得1-5伏的供传感器工作的电压,在室温环境下的小温差工况下需要成千上万对n/p传统电子型热电对,增加了热电器件的集成难度和复杂程度;或者需要外接DC-DC升压模块提高电压,但会增加功耗,提高成本。

离子型热电转换材料具有较高的热电势,产生热电势的形式大体上分为两种形式:一种是利用离子的热扩散效应(Thermodiffusion Effect),即利用温差下离子定向迁移的浓度差引起的熵变实现热到电的转换,这与以电子为能量载体的Seebeck效应类似;另一种是利用氧化/还原电对的温度效应(Thermogalvanic Effect),即利用氧化/还原反应过程中的熵变实现热到电的转变。该研究工作从实验和理论两个角度阐明了有负的温度系数的thermogalvanic效应和p型热电势的thermodiffusion效应能够协同作用进而产生高的p型热电势(如图2)。

图2.协同机理。(A)本工作制备的离子型热电材料的电化学势和电压分布,E为内建电场。(A)Gelatin-KCl,(B)Gelatin-FeCN4-/3-,(C)Gelatin-KCl-FeCN4-/3-

研究人员对准固态离子型热电转换器件提出了一种新的准连续热充电/放电工作模式,可以使器件循环运行100圈,实现5小时的工作时长。研究人员将25个5×5×1.8 mm的准固态离子型热电单元串联组装成柔性可穿戴器件,该器件利用人体温差实现高达2.2 V的电压和5μW最大输出功率(如图3)。该工作以离子为能量载体实现热到电的转换,为物联网体系中传感器及电子设备实现所需电能自供给提供了一种选择。

图3.可穿戴离子型热电器件的概念验证。(A)拉伸示意图;(B)由25个单元(Cu∣i-TE∣Cu,5×5×1.8 mm)组成的可穿戴离子型热电器件利用人体温差产生的电压变化;(C)放电过程中的功率-电压-电流变化;(D)可穿戴i-TE和e-TE器件利用人体温度回收电能的性能对比图。

刘玮书主要从事室温热电材料与器件的研究。2017年,刘玮书在为Material Today Physics撰写的一篇题为“New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective”的邀请综述论文中,提出“Go beyond Seebeck effect”的展望。经历了多次的失败,刘玮书课题组终于在“果冻”中找到了灵感,研发出了以离子为能量载体的新型室温热电材料。

该工作理论方面的突破得到了陈刚院士的重要支持。刘玮书表示,科学探索除了需要有面临挫折时的坚持,还离不开良师益友的指导。“实验发现巨热电效应,带给我们的是短暂的喜悦和一堆疑问,在与研究伙伴反复推敲,回答陈刚院士提出的一个个问题的时候,才真正体验到研究的意义和魅力:研是动手,去探索与发现;究是动脑,去思考穷极真理,格物致知”。

论文第一作者为刘玮书课题组博士后韩成功,共同第一作者、麻省理工学院博士后钱鑫对于论文在协同效应的理论解释上有重要贡献。刘玮书和陈刚为论文通讯作者,南方科技大学为论文第一通讯单位。论文的参与作者还包括南科大物理系教授张文清、南开大学教授王卫超、香港大学副教授冯宪平,以及2018级南科大-港大联培博士生李其锴、2017级南科大-哈工大联培博士生朱永滨、2018级南科大-哈工大联培硕士生邓彪、北科大访问学生韩志佳等。

该工作得到了SUSTech-MIT机械工程教育与研究中心,广创团队项目和腾讯公益基金会“科学探索奖”项目的支持。

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/29/science.aaz5045/tab-pdf

刘玮书简介:

刘玮书主要从事热电材料与器件研究,目前已经在Proc. Natl. Acad. Sci USANat. Energy、Energy Environ. Sci.Adv. Energy. Mater.Adv. Funct. Mater.Nano Energy等学术期刊发表学术论文90余篇,论文总引用超过6000次,H指数38;已申请专利28项,获得授权中国专利16项、美国专利3项、国际专利1项,参与了两部英文专著中5个章节的编写;应邀在美国TMS、国际陶瓷年会CICC、中国热电大会等重要学术会议作特邀报告;获首届腾讯“科学探索奖”,深圳市孔雀计划人才(B类); 任中国材料研究学会下属热电材料及应用分会理事,英国物理学会IoP旗下杂志Nanotechnology咨询委员会成员。

南科大郭红卫团队在Nature刊文报道22nt siRNA重要生物学功能

2020年4月29日,南方科技大学生物系教授郭红卫课题组在《自然》(Nature)杂志发表了以“Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”为题的研究成果。该论文通过在特定突变体中鉴定到大量植物内源22nt siRNA,揭示了拟南芥22nt小RNA介导翻译抑制与胁迫适应性的重要生物学功能,是植物小RNA领域的一项突破性研究成果。

RNA是生命遗传信息传递的核心载质,遗传信息从DNA到RNA到蛋白质构成了分子生物学的中心法则。RNA的种类和形式极为多样,新型肺炎冠状病毒(COVID-19)就是一种RNA病毒。RNA干扰是生物免疫病毒入侵的重要机制,RNA干扰通过长度为20-24个核苷酸单位(nucleotide, nt)的小RNA来调控靶基因RNA。小RNA,包括miRNA (microRNA)和siRNA (small interfering RNA),对于动植物的生长发育和抗性至关重要。植物RNA在Dicer-like(DCL)蛋白的作用下,切割形成21-24nt长度的小RNA, 小RNA的长度决定了其发挥生物功能所采用的机制。模式植物拟南芥基因组一共编码四个DCL蛋白(DCL1-4),其中DCL1切割后产生 21-22nt miRNA,介导靶标mRNA切割或翻译抑制;DCL3切割后产生24nt siRNA,介导异染色质区域DNA甲基化,维持基因组稳定;DCL4 切割后产生21nt siRNA,介导靶mRNA或非编码RNA(ncRNA)的切割。然而,关于DCL2切割后产生的22nt siRNA知之甚少,尤其植物内源产生的22nt siRNA的种类、功能及作用机制尚不清楚。

图1.  ein5 dcl4ski2 dcl4双突变体中产生大量22nt siRNA,并介导翻译抑制。

2015年,郭红卫课题组在Science杂志上发表文章指出,由EIN5和SKI2分别介导的植物细胞质5’-3’和3’-5’RNA降解途径对于防止破坏性的内源基因沉默至关重要。当缺失EIN5和SKI2基因时,两个细胞质RNA降解途径同时受阻,植物会积累众多非正常的mRNA(aberrant mRNA),然后通过经典的RNAi途径产生大量内源21nt siRNA。这类21nt siRNA (被命名为ct-siRNA or coding transcript-derived siRNA) 会识别并切割正常功能的mRNAs,导致破坏性的内源基因沉默,从而引发一系列的发育和生长缺陷。而此次发表在Nature上的研究结果进一步发现,当植物缺失其中一条RNA降解途径,并同时缺失DCL4时(即在ein5 dcl4和ski2 dcl4双突变体中, 图1a, 1b),内源基因产生大量22nt siRNA (图1c),导致更为严重的生长发育缺陷。进一步遗传学和高通量小RNA测序分析发现,这些22nt siRNA的产生依赖于RNA聚合酶6(RDR6)和DCL2 (图1a, 1b)。

该研究进一步发现,两个参与氮代谢的硝酸还原酶基因(NIA1和NIA2)产生的22nt siRNA约占总22nt siRNA的一半。然而,研究人员发现大部分产生22nt siRNA的基因,包括NIA1和NIA2,其表达量在双突变体中与野生型相比并未明显降低 (图1d)。这一发现与21nt ct-siRNA 的作用明显不同,因此研究人员猜测22nt siRNA极可能有不同于21nt siRNA的作用机理和生物学功能。通过蛋白检测、核糖体结合、遗传关系分析和体外RNA切割和翻译抑制等一系列实验发现,22nt siRNA主要通过结合AGO1蛋白,介导靶标mRNA的翻译抑制。此外,22nt siRNA结合AGO1后,通过RDR6的作用诱发次级小RNA的产生,导致22nt siRNA的大量扩增。该研究首次揭示了植物22nt siRNA的翻译抑制作用,丰富了对于小RNA长度与其功能关系的理解。

图2. 22nt siRNA参与氮素胁迫响应及其工作模型。

该研究进一步探索了22nt siRNA在自然条件下的生物学功能。研究人员发现当植物在缺乏氮素营养时,表现出生长发育抑制表型,并伴随产生大量内源22nt siRNA,包括来自于NIA1和NIA2基因的22nt siRNA,且NIA1和NIA2蛋白含量和转录水平也显著降低。进一步翻译组学研究发现,缺氮条件下植物总体翻译水平亦降低。基于以上证据,研究者提出一种植物响应缺氮胁迫的机制,即在极端缺氮条件下,植物通过降低NIA1/2转录和增加NIA1/2 22nt siRNA,抑制NIA1/2蛋白合成。NIA1/2负责将硝酸还原为亚硝酸,进一步被亚硝酸还原酶还原为氨根离子,作为氨基酸合成的重要原料,因此NIA1/2蛋白的缺失会减少氨的供应和氨基酸的积累,降低蛋白质翻译效率。植物通过这种降低蛋白翻译效率,减少极端营养缺失条件下能量消耗的方式,暂时抑制生长状态,同时激活自身胁迫反应,保证自身生存,也可谓是一种智慧。研究还发现,NIA1/2的翻译调控机制可能参与植物对其它环境胁迫的响应,例如植物胁迫激素脱落酸(Abscisic acid, ABA)和高浓度盐处理均调控NIA1/2 22nt siRNA的产生及其蛋白水平,暗示NIA1/2可能作为植物体内关键的调控节点,协调和平衡植物正常生长发育和胁迫响应。总而言之,该研究不仅揭示了22nt siRNA介导的翻译抑制,还发现了一种植物响应外界环境胁迫的新机制。

郭红卫课题组此次在Nature上发表的研究结果,揭示了植物中22nt siRNA可以在特定的RNA降解缺失情况下产生并大量扩增,并通过抑制靶标mRNA的翻译这一新机制发挥重要生物学功能。此前,该课题组在Science杂志上发表了在细胞质双向RNA降解缺失时大量21nt siRNA产生并剪切mRNA的重要工作。至此,郭红卫课题组系统建立了植物特定长度的内源siRNA 的产生、作用机制以及生物学功能的模型,在RNA降解和RNA干扰关联机制这一重要的前沿研究领域建立了国际领先的地位和优势。

南方科技大学为该论文第一单位,郭红卫为论文通讯作者。访问学生吴辉辉博士(北京大学)和研究助理教授李博生为该论文共同第一作者。郭红卫实验室成员潘亚婕、唐贤礼、令狐黔艳、刘跃林、盛世欣、张新岩以及日本东京大学教授Iwakawa,北京林业大学教授夏新莉、东北林业大学教授唐中华、南方科技大学副教授翟继先及其实验室成员冯丽和张洪为该论文共同作者并为研究做出重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、广东省创新创业团队基金和深圳市科创委基金的大力支持。

郭红卫简介

郭红卫1992年本科毕业于南开大学生物系,1995年硕士毕业于北京大学生科院,2001年博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)分子细胞发育系,同年进入Salk Institute从事博士后研究,2005年回国任北京大学生命科学学院教授,2016年加入南方科技大学生物系任讲席教授,及南科大-北大植物与食品研究所所长,2018年起兼任生物系副主任。郭红卫教授为生物系植物生物学学科带头人,是目前国际上植物激素研究领域和植物衰老领域中最具影响力的学者之一。他长期致力于乙烯信号转导的机理研究和植物小RNA作用机制的研究,迄今已在国际著名学术期刊以通讯作者或第一作者发表论文50余篇,包括3篇Science、2篇Cell、1篇Nature、7篇Plant Cell、5篇PNAS、4篇NAR、3篇Cell Research等,先后承担各级科研项目10余项,获批发明专利8项。他先后担任Plant CellMol Plant等植物学顶级杂志编委,荣获教育部特聘专家、国家杰出青年科学基金、国家特支计划、珠江人才科技创新领军人才、谈家桢生命科学创新奖、中国青年科技奖等荣誉。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2231-y

https://science.sciencemag.org/content/348/6230/120

本文转载自:南方科技大学。文章为作者独立观点,不代表青塔立场,转载请联系原作者。

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