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              科研进展
              • 南海海洋所地震成像揭示俯冲板块水合/脱水对板间耦合与孕震行为的影响

                  近日,中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室(OMG)研究员夏少红团队联合南京大学与日本东北大学相关团队,在俯冲带水合/脱水作用与大地震产生关系方面取得新进展。相关成果于发表在Journal of Geophysical Research: Solid Eart (《地球物理学研究杂志:固体地球》)上,苟涛助理研究员为第一作者,夏少红研究员为通讯作者,南京大学黄周传教授与日本东北大学赵大鹏教授为论文共同作者。 
                  俯冲带是地球上最大的地震聚集带,产生了全球90%以上的地震,是8级以上大地震的主要发生区域。俯冲大洋板块与上覆板块之间的大型逆冲断层是世界上规模最大的断层之一,上下板块之间的摩擦耦合不断积累着巨大的应变能,到达足够程度后发生错动可触发高达9级的板间地震,可造成灾难性的破坏。因此,板间大地震的产生规律一直是社会公众和科学界关注的焦点问题。 
                  大洋板块水合/脱水是地球进行水循环的关键途径,也是造成俯冲带异质性的重要过程。海水沿断层裂隙进入大洋板块岩石圈,通过水合作用(如蛇纹石化)形成含水矿物,可造成岩石流变学性质的显著改变。同时,随着板块俯冲,大量地表水被运输到地球内部,其中大部分通过板块脱水释放到地幔中,深刻地影响着俯冲带壳幔结构与应力状态。然而,由于缺乏对板块水合/脱水程度的三维约束,上述过程能否影响俯冲带板间耦合和地震产生尚未取得较好认识。 
                  针对这一问题,研究团队利用美国阿拉斯加前弧海底地震仪和陆地台站天然地震数据,通过地震层析成像反演获得了高精度P波速度(Vp)、S波速度(Vs)和波速比(Vp/Vs)三维结构。 
                  研究结果表明,俯冲太平洋板块内部地震波速显示出不同程度的降低,据此,研究人员对蛇纹石化程度进行了估算(图1),发现其水合程度沿海沟走向的显著变化。在已有约120年未发生8级以上地震的舒马金群岛,俯冲板块水合程度最高,这可能是由于洋脊处形成的化石组构近平行于海沟方向,加强了俯冲外缘隆起处弯曲断层的水合作用,生成的大量蛇纹石导致板块强度降低,板间耦合较弱,因此板块界面难以形成大地震。同时,俯冲板块水合程度由西向东减小,并且表现出不平滑的变化趋势(图2),这与板间耦合沿海沟走向的分段变化特征,以及2020-2021年两次板间大地震的同震位移空间展布密切相关。这些现象表明该地区俯冲板块水合程度的空间变化可能影响了板间耦合和大地震破裂。 
                  此外,在舒马金群岛和科迪亚克岛,由于上覆板块和地幔楔表现为低速、高波速比特征,同时俯冲板块内具有更频繁的地震活动,深部板块的变质脱水可能更加强烈。而脱水过程中释放的含水流体向上迁移和聚集,又促进了板块界面深部构造震颤与长周期慢滑移事件的产生(图3)。 
                  该研究揭示了俯冲板块水合/脱水对板间耦合和孕震行为的影响,为理解俯冲带运行机制与大地震产生提供了新认识。 
                  研究工作得到了国家自然科学基金、日本学术振兴会、广东省研究基金和中国科学院南海海洋研究所南海新星项目的联合资助。 
                  相关论文信息:Gou, T., Xia*, S., Huang, Z., & Zhao, D., 2022. Structural heterogeneity of the Alaska-Aleutian forearc: Implications for interplate coupling and seismogenic behaviors. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024621. https://doi.org/10.1029/2022JB024621 
                  图1 估算蛇纹石化沿平行板块边界的二维切面。背景的红色与绿色表示由强到弱的蛇纹石化。红色和黑色五角星分别代表2020年(7.8级)和2021年(8.2级)发生的两个板间大地震,蓝色五角星代表2020年发生的俯冲板块内地震(7.6级)。黑色虚线代表20世纪板间大地震的破裂区。板间耦合程度由西向东增强,蓝色虚线与实线代表其沿海沟分段的边界。紫色圆点与红色短线分别代表构造震颤低频地震与慢滑移事件。红色三角代表活火山。
                  图2 估算蛇纹石化垂直切面图。切面位置沿俯冲板块上边界25 km等深线(AA’)。彩图内黑色曲线代表莫霍面、俯冲板块上边界等地震间断面。彩图上方蓝色曲线代表板块边界以下10 km处的蛇纹石化程度,其他彩色曲线代表归一化后不同地震的同震位移量。蓝色箭头代表板间耦合程度沿海沟分段的边界。
                  图3 阿拉斯加-阿留申俯冲带结构示意图。背景的红色与绿色表示由强到弱的蛇纹石化。黑色虚线表示20世纪板间大地震的破裂区。蓝色虚线表示呈沿海沟分段的板间耦合程度边界。
                  
                2022-12-29
              • 深圳先进院:基于震荡电场诱导电喷流技术的荧光水凝胶微球通用合成方法
                报道了一种基于震荡电场诱导电喷流技术的荧光水凝胶微球通用合成方法,应用于微流芯片中,快速且高通量的合成多种均一度极佳的高性能荧光水凝胶微球。
                  近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所的门涌帆副研究员团队和陈艳研究员团队,在国际学术期刊Sensors and Actuators B:Chemical(IF=9.221)上发表了题为“Facile and scalable generation of fluorescent microspheres using a microfluidic electrojetting device”的文章,报道了一种基于震荡电场诱导电喷流技术的荧光水凝胶微球通用合成方法,应用于微流芯片中,快速且高通量的合成多种均一度极佳的高性能荧光水凝胶微球。助理研究员孔维俊和冯鸿涛为本文共同第一作者,门涌帆副研究员和陈艳研究员为本文共同通讯作者。
                  论文上线截图 
                  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092540052201749X?via%3Dihub 
                  在材料科学中,简便且可调的荧光微球制备方法一直被认为是一种强有力的研究工具。研究者们普遍认为,高通用性的制备方法能有效地减少针对不同材料而开展的条件试错实验。本文中,我们提出了一种基于震荡电场诱导电喷流(Oscillating electric field-induced electrojetting, OEFIE)的微流控装置,用于在一定尺寸范围内可控的制备了掺杂不同荧光物质的均一荧光微球。本工作中,我们使用震荡电场于微流器件内操纵液滴的生成,在仅改变电场强度和频率的情况下,即可实现液滴尺寸在近3个数量级内的精确操纵,所产生的超均一液滴随后在紫外照射下于10秒内固化为荧光微球。为证明本方法的通用性,我们分别使用荧光素钠、绿色荧光蛋白和CdTe量子点作为荧光基质,利用本方法制备荧光微球。所制备的微球具有优良的荧光性质和优于多数同类研究的出色的均一性(其尺寸的平均偏离系数小于2.1%)。总而言之,作为一种简易、可调的荧光微球合成方法,其在生物材料和生化分析领域中的荧光功能化聚合物材料制备方面具有着可预见的巨大潜力和广阔的应用前景。
                  图1:实验装置和荧光微球生产原理示意图
                  图2:三种荧光微球的荧光图像和激光共聚焦3D荧光图像
                  该工作获得了国家自然科学基金项目、深圳湾实验室开放基金项目以及深圳市基础研究项目等项目的支持。 
                  
                2022-12-29
              • 南海海洋所在洋壳初始俯冲以及陆壳形成机制研究取得新进展

                  近日,中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室研究员张运迎团队联合其他科研团队,在洋壳初始俯冲以及陆壳形成机制方面取得新进展。相关成果发表在Geological Society of America Bulletin《美国地质学会通报》和International Journal of Earth Sciences《国际地球科学杂志》上。张运迎研究员为论文第一作者,孙珍研究员、香港大学孙敏教授、中国地质科学院地质研究所尹继元研究员、中国科学院广州地球化学研究所袁超和夏小平研究员为论文共同作者。 
                  地球为何拥有板块构造和大陆,是21世纪地球科学十大科学问题之一。板块俯冲是维系地球圈层间协同演化的关键,其引发的地球表层与内部之间的物质循环不仅影响着地球内部的物质组成,还调节着地表宜居环境;同时,大陆地壳作为陆生生命的居住地,其表面风化作用也调节着地球气候演变。 
                  然而,科学家们对板块构造学说的关键一环(即:洋壳初始俯冲机制)以及大陆地壳的形成机制(如:洋内弧基性玄武质成分如何转变为具有陆壳特征的长英质组分)尚没有统一的认识。 
                  针对以上问题,研究团队对古亚洲洋构造域准噶尔地区的寒武纪蛇绿岩以及石炭-二叠纪花岗岩进行了锆石U-Pb-Hf-O同位素研究。研究表明:(1)寒武纪蛇绿岩中的长英质岩石具有类似地幔的Hf-O同位素组成,表明其来源于初始俯冲阶段的洋壳熔融和弧玄武岩浆分异。结合区域资料,研究提出早寒武世该区存在一个长达1000 km、东西向的洋内弧俯冲带,其初始俯冲与冈瓦纳大陆聚合以及劳亚大陆裂解有关(图1),解答了西南古亚洲洋寒武世初始俯冲在全球范围内的动力学机制;(2)研究还发现,早于320 Ma的花岗岩具有类似地幔的O同位素组成,晚于320 Ma的花岗岩展现出地壳特征的O同位素组成,表明晚期花岗岩具有再循环表壳物质的加入。结合区域资料,研究认为弧–弧碰撞引起的表生物质再循环和熔融作用促进着大洋弧地壳转变为大陆地壳(图2)。 
                  本研究以早寒武世古亚洲洋为例,回答了洋壳俯冲的初始机制和大洋地壳转变为大陆地壳的机制,为全面认识板块构造学说提供重要科学依据。 
                  上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项等项目联合资助。 
                  相关论文信息: 
                  Zhang, Y.Y., Sun, M., Yin, J.Y., Yuan, C., Sun, Z., Xia, X.P., 2022. Subduction initiation of the western Paleo-Asian Ocean linked to global tectonic reorganization: Insights from Cambrian island-arc magmatism within the West Junggar, NW China. Geological Society of America Bulletin 134, 3099–3112. 
                  Zhang, Y.Y., Sun, M., Yin, J.Y., Yuan, C., Sun, Z., Xia, X.P., 2022. Maturation of East Junggar oceanic arc related to supracrustal recycling driven by arc–arc collision: perspectives from zircon Hf–O isotopes. International Journal of Earth Sciences, 111, 2519–2533. 
                  图1 早寒武世全球板块以及西准噶尔构造位置重建图
                  图2 洋内弧地壳成熟化机制示意图,弧-弧碰撞引起再循环表壳物质的部分熔融促进着大洋弧地壳转变为大陆地壳
                  
                2022-12-27
              • 亚热带生态所在喀斯特坡地关键带多界面水文过程驱动的可溶性碳运移机制取得新进展
                在岩溶作用下,喀斯特区地上地下二元三维结构发育,水文过程以地下过程为主。喀斯特关键带核心区(土壤-表层岩溶带系统)不仅是可溶性碳的主要储存库,也是水文和生物地球化学过程的热区。然而,受喀斯特关键带地下过程观测技术的限制,土壤-表层岩溶带系统内,多界面径流组分的可溶性碳流失机制尚不清楚。该区以往设立的喀斯特生态系统科研样地均借鉴黄土区、红壤区以地表过程为主的监测方法和技术手段,不能同时实现喀斯特地区特有的地上-地下过程耦合监测,无法揭示喀斯特区关键带地上-地下多界面三维空间内水、土、生源要素的分布、迁移、转化机理,难以满足喀斯特地区植被恢复、水土流失阻控、地下水补给评估与水资源高效利用、面源污染防治、极端气候事件应对等重大现实需求。针对以上问题,环江喀斯特生态系统观测研究站研发了喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测方法及平台,实现了喀斯特关键带多界面(大气-土壤界面、土壤-表层岩溶带界面、表层岩溶带-基岩界面)产流及物质迁移过程的实时动态监测与样品采集(图1)。
                  在岩溶作用下,喀斯特区地上地下二元三维结构发育,水文过程以地下过程为主。喀斯特关键带核心区(土壤-表层岩溶带系统)不仅是可溶性碳的主要储存库,也是水文和生物地球化学过程的热区。然而,受喀斯特关键带地下过程观测技术的限制,土壤-表层岩溶带系统内,多界面径流组分的可溶性碳流失机制尚不清楚。该区以往设立的喀斯特生态系统科研样地均借鉴黄土区、红壤区以地表过程为主的监测方法和技术手段,不能同时实现喀斯特地区特有的地上-地下过程耦合监测,无法揭示喀斯特区关键带地上-地下多界面三维空间内水、土、生源要素的分布、迁移、转化机理,难以满足喀斯特地区植被恢复、水土流失阻控、地下水补给评估与水资源高效利用、面源污染防治、极端气候事件应对等重大现实需求。针对以上问题,环江喀斯特生态系统观测研究站研发了喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测方法及平台,实现了喀斯特关键带多界面(大气-土壤界面、土壤-表层岩溶带界面、表层岩溶带-基岩界面)产流及物质迁移过程的实时动态监测与样品采集(图1)。
                  近期,中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林和张伟团队依托以上喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测平台(4个处理,3个重复,共计12个小区),连续3年(2018-2020)同步观测土壤-表层岩溶带系统内地表径流、岩土界面壤中流、表层岩溶带侧渗等多界面产流过程及可溶性碳流失过程,解析了喀斯特关键带结构因子(裸岩率、土厚、土厚变异系数、表层岩溶带厚度、表层岩溶带风化程度、基岩起伏度、土壤质地等)与土地利用方式(自然恢复灌丛、牧草、经果林、传统玉米)对喀斯特关键带多界面水文过程和可溶性碳流失通量的影响。
                  研究结果表明(图2):1)从水量平衡结果看出,喀斯特坡地关键带水文过程表现出明显的以地下过程为主的特点:表层岩溶带侧渗(70%)、岩土界面壤中流(27%)、地表径流(3%)。整体而言,随着人为利用强度的增加,喀斯特坡地地下水补给量显著降低,地表径流和岩土界面壤中流等浅地表横向径流逐渐增加,从而降低了土壤-表层岩溶带系统的水文调蓄功能,加剧了旱涝灾害风险。2)土层厚度、基岩起伏度、土壤质地是控制喀斯特关键带多界面DOC和DIC流失通量的最重要的关键带结构因子。土层较厚且土壤-表层岩溶带平整接触的岩土系统更容易触发浅地表横向径流驱动的可溶性碳损失。土地利用对喀斯特关键带多界面产流及可溶性碳的控制作用远小于关键带结构因子的影响,然而,与传统玉米耕种及经果林种植等高强度利用类型相比,保护性牧草种植表现出显著的减少径流、降低碳损失的保水固碳效果。3)极端降雨事件导致喀斯特坡地关键带多界系统中的可溶性碳流失量高达平水年总流失量的2.5倍,极端降雨事件是喀斯特地区关键生源物质流失的关键防控期。本研究为全球变化背景下喀斯特关键带生源要素流失阻控和水土资源可持续利用提供了科学依据。
                  研究结果以Soluble carbon loss through multiple runoff components in the shallow subsurface of a karst hillslope: Impact of critical zone structure and land use为题发表在Catena。该研究得到了国家自然科学基金联合基金、国家自然科学基金重点基金、广西重点研发等项目资助。
                  论文链接
                  图1 喀斯特坡地关键带多界面三维水土过程监测平台
                  图2 喀斯特坡地关键带多界面DOC、DIC流失特征及其关键影响因子
                2022-12-28
              • 亚热带生态所在喀斯特植被恢复过程土壤有机质-微生物协同机制取得进展
                中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林和张伟研究员团队在喀斯特植被恢复背景下土壤有机质积累的微生物调控机制方面取得进展,相关研究成果近期以Linking bacterial life strategies with soil organic matter accrual by karst vegetation restoration为题发表在土壤学领域知名期刊Soil Biology and Biochemistry上。
                  中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林和张伟研究员团队在喀斯特植被恢复背景下土壤有机质积累的微生物调控机制方面取得进展,相关研究成果近期以Linking bacterial life strategies with soil organic matter accrual by karst vegetation restoration为题发表在土壤学领域知名期刊Soil Biology and Biochemistry上。
                  土壤有机碳形成影响碳汇、生态系统多功能性以及陆表系统对气候变化的响应和反馈。在高强度耕作扰动向大规模植被恢复转变背景下,喀斯特区损耗的土壤有机质库逐渐恢复,可利用资源的变化也影响地下微生物群落。然而,植被恢复如何影响微生物群落结构和功能以及这种变化是否会进一步影响土壤有机质积累,目前尚不清楚,制约喀斯特生态系统碳汇潜力评估以及高效固碳增汇人工干预技术研发。
                  在亚热带生态所王克林研究员和张伟研究员指导下,团队以黔桂喀斯特南北样带为研究区,以生态工程实施15年后的人工林和自然恢复林为研究对象,以对应区域长期受耕作干扰的耕地和约60年未受干扰的次生林为参照,分析与土壤有机质积累密切相关的6个关键指标及土壤微生物群落结构特征。基于单参数法、平均值法、单阈值-多阈值法三种相互独立但互补的方法全面评估了植被恢复前后土壤有机质积累特征,进一步从群落水平和门水平量化微生物生活史策略,结合随机森林和结构方程模型构建土壤有机质积累与微生物之间的联系。
                  结果发现,人工林和自然恢复林土壤有机质自然增长量显著高于耕地(分别增加47%和60%),但仍低于次生林。同时,植被恢复降低了土壤有机质及相关指标对区域温度变化的敏感性;植被恢复后,富钙土壤提高了碳库稳定性,降低了细菌多样性,促进细菌群落由r-策略转向K-策略;而K-策略主导的细菌群落促进了土壤有机质积累,在维持土壤固碳功能高水平运作时其协同关系尤为紧密。
                  研究进一步表明,以K-策略为主导的细菌群落碳氮利用效率高,有利于土壤有机质积累,而有机质在富钙土壤中的积累和稳定又促进K-策略微生物的生存和竞争。钙-微生物-有机质三者之间的协同关系为研发功能微生物和碳酸钙耦合调控喀斯特土壤固碳增汇技术提供了理论依据。
                  该研究得到了国家自然科学基金重点基金、区域联合重点基金等项目的资助。
                  论文链接
                  图1 研究区概况及与土壤有机质积累相关的关键参数
                  图2 喀斯特植被恢复土壤钙-微生物-有机质之间的联系
                2022-12-27
              • 深圳先进院在人工智能算法指导实验机器人进行蛋白质工程改造
                本研究依托深圳合成生物研究重大科技基础设施,开发了一种自动化蛋白质工程方法BO-EVO, 通过多轮机器学习与机器实验迭代,大幅提升了蛋白质多位点组合突变设计空间的探索效率,能够以<1%湿实验量寻找获得全局最优实验结果。
                   北京时间12月24日,中国科学院深圳先进技术研究院司同课题组和乔宇课题组合作,在生物信息期刊Briefings in Bioinformatics (IF: 13.994) 在线发表研究论文 “Protein engineering via Bayesian optimization-guided evolutionary algorithm and robotic experiments” 。
                  本研究依托深圳合成生物研究重大科技基础设施,开发了一种自动化蛋白质工程方法BO-EVO, 通过多轮机器学习与机器实验迭代,大幅提升了蛋白质多位点组合突变设计空间的探索效率,能够以<1%湿实验量寻找获得全局最优实验结果。除利用文献数据、理论模型数据进行验证外,BO-EVO方法被应用于实际蛋白质工程任务,4周内将鼠李糖脂合成酶RhlA的酶底物特异性提升了4.8倍。
                  文章上线截图 
                  文章链接:https://doi.org/10.1093/bib/bbac570
                  蛋白质适应度地形(fitness landscape)隐喻蛋白质氨基酸序列与其目标性质(“适应度”)对应关系形成的高维表面。蛋白质工程改造可视为在这个高维表面上寻找高点对应的序列。然而有效探索该地形将面临几个挑战:1. 探索空间随序列长度指数增长;2. 有功能的蛋白极其稀少且高性能蛋白数量随其适应度呈指数衰减;3. 由于序列位点间突变存在上位效应,地形极度崎岖;4. 实验表征费时、费力、费钱。定向进化采用多轮的随机突变与高通量筛选对适应度地形开展探索,通常每轮固定一个最佳突变。然而,由于适应度地形通常较为崎岖,贪婪策略更容易陷入局部最优。 
                  在该研究中,机器学习在建模蛋白质适应度地形及指导蛋白质工程方面都取得了初步成功。然而,一方面受限于序列特征不充分及适应度标签数据稀疏,机器学习模型性能有限;另一方面受限于人力实验,现有机器学习指导的蛋白工程改造都追求尽可能小的实验通量和尽可能少的迭代轮次(甚至无迭代)。生物铸造厂(Biofoundry)通过物理与信息的自动化可以加速生物工程的“设计-构建-测试-学习”闭环过程。在蛋白质工程任务上,自动化、高通量实验平台使得短时间内大批量建库和筛选成为可能,从而能够获取高通量、高质量的序列-功能关系数据,用于机器学习模型性能及序列设计质量的闭环迭代提升。 
                  为了实现机器学习算法与机器人实验之间的高效反馈,数据获取、模型构建及序列推荐三者缺一不可,需形成闭环。就算法而言,贝叶斯优化正适用于这种复杂适应度地形的寻优,其可利用预测模型的不确定性构建采样函数以平衡“探索与利用”。然而,经典的贝叶斯优化方法并不适用于高维问题及批量采样。本研究针对蛋白质多位点组合突变设计空间的高维搜索难题,开发了贝叶斯优化指导的进化算法(BO-EVO,图1)。作者在研究中提出了搜索空间演化策略,克服经典贝叶斯优化的可扩展性问题,采用迭代式批量化采样策略,实现与高通量、自动化实验平台的高效适配。 
                  图1. BO-EVO原理图。a. BO-EVO算法流程展示搜索空间演化; b. FAST-HIT软件框架实现数据获取、模型构建与序列推荐的闭环迭代。
                  文章以四位点组合突变的GB1经验地形数据开发算法,确定算法超参。在GB1地形上,BO-EVO性能超越随机算法、纯进化算法(AdaLead)甚至MCMC算法(图2);其性能虽不及全空间枚举的贝叶斯优化方法,但计算效率大大提高,可扩展性极好。
                  图2. 适应度地形探索算法比较。a. 找到全局最优的成功率;b. 算法所推荐的序列的适应度均值及最大值。
                  为了考察对不同适应度地形的适用性,作者将开发好的BO-EVO算法(超参不变)应用在另外一个四位点组合突变的经验地形PhoQ上,获得了更高的成功率(图3)。此外,作者进一步挑战BO-EVO,将其用在具有不同粗糙度的NK模拟地形(统计模型,粗糙度可控)上,发现对于中等及以下粗糙度的NK地形,BO-EVO表现优秀,而对极其崎岖的地形,BO-EVO的成功率明显下降(图3)。当然,对于极其崎岖的地形,其适应度的可预测性本身极大降低。
                  图3. BO-EVO在不同地形上的泛化能力。a. NK地形的粗糙度;b. BO-EVO迭代5轮后找到全局最优的成功率。绿色圆圈代表NK地形,蓝色三角形代表PhoQ地形,紫色五角星代表GB1地形。
                  最后,作者将BO-EVO算法成功应用于真实的蛋白质工程任务上。面向4位点组合突变的优化任务,作者以鼠李糖脂合成酶RhlA为研究对象,基于BO-EVO指导机器人平台开展自动化实验,进行共4轮、每轮384个突变体的分子克隆、诱导表达和质谱测试。在不使用先验知识的前提下,BO-EVO通过模型-实验闭环迭代,在1个月内实现底物选择性指标近5倍的提升,达到文献已报道最高水平。
                   
                  图4. BO-EVO指导RhlA酶的4位点组合优化。a. 鼠李糖脂单体Rha-C10-C10分子结构;b. 鼠李糖脂单体的MALDI质谱检测结果,包括野生型与典型变体;c. Rha-(C8-C10)的归一化产量,野生型为1。
                  综上,文章依托深圳合成生物大设施,开发了蛋白质适应度地形的高效探索算法,率先实现了基于机器学习模型与机器人实验反馈迭代的自动化蛋白质工程改造。司同研究员、乔宇研究员和胡如云助理研究员为本文的共同通讯作者,胡如云助理研究员和博士生付立豪为本文共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然基金及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。 
                    
                  PI与课题组简介: 
                  司同,中科院深圳先进院合成生物学研究所研究员,博士生导师。国家重点研发计划合成生物学项目首席科学家,国家高层次人才(青年),深圳合成生物研究重大科技基础设施总工艺师。 
                  课题组方向为自动化合成生物技术,包括机器学习指导蛋白工程、高通量质谱筛选等,用于开发微生物细胞工厂研究和生产燃料、化工品、药物等重要分子,前期成果在Nat Commun, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Chem Sci, Metab Eng等国际著名学术期刊发表论文50余篇,“谷歌学术”引用超过2400次。 
                  实验室主页:  
                  http://isynbio.siat.ac.cn/sitonglab/ 
                  
                2022-12-27
              • 深圳先进院:瞬态光谱观察光生电子在金纳米颗粒-蓝细菌杂合体的界面传递
                为解析电子在材料-微生物界面传递机制提供基础。
                  光能易获取、能量充足,是公认的未来人类最安全、最绿色、和最理想的替代能源之一。天然光合作用可以直接利用光能固定空气中的CO2合成有机物,但光合作用的效率较低(通常低于1%)。近年来发展的半导体材料-微生物人工杂合体系,同时结合了高效捕获光能的半导体材料和高特异性催化的微生物细胞,已经成功实现:(1)使不能利用光能的微生物能利用光能(从不能到能);(2)提高天然光合作用效率(从低效到高效)。但目前,材料吸收光能产生的电子,仅有小部分被微生物细胞利用,因此杂合体系光能到化学能的转化,还远未发挥其潜在优势,其根本原因是材料-微生物界面能量和物质传递和转化机制不清、效率低。 
                  北京时间12月23日,南方科技大学机械与能源工程系陈熹翰课题组与中国科学院深圳先进技术研究院合成所材料合成生物学研究中心高翔课题组在ACS Energy Letters合作发表题为 “Ultrafast electron transfer in Au–Cyanobacteria Hybrid for Solar to Chemical Production” 的文章。该工作构建了金纳米颗粒-蓝细菌杂合体,将光能驱动CO2合成化学品的效率提高14%。通过瞬态吸收光谱直接观察到金纳米颗粒(Au)吸收光能产生的电子,可以直接被蓝细菌细胞快速吸收。为解析电子在材料-微生物界面传递机制提供基础。南方科技大学博士生胡秋实、深圳先进技术研究院研究助理胡海涛、博士后崔蕾为文章的共同第一作者。南方科技大学陈熹翰副教授和深圳先进技术研究院高翔副研究员为文章共同通讯作者。
                   
                   
                  文章上线截图 
                  文章链接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c02707
                  作者首先在蓝细菌中构建了甘油的合成通路,该途径以卡尔文循环(CBB)中间代谢物磷酸二羟丙酮(DHAP)为底物,消耗一分子的还原力合成甘油,该工程菌命名为XG608。在光照条件下,成功将CO2固定并转化为甘油。在此基础上,作者向培养体系中添加金纳米颗粒,利用共培养构建了金纳米颗粒-蓝细菌的杂合体,通过吸收光谱分析,观察到杂合体中同时具有金纳米颗粒和蓝细菌的特征吸收峰。此外,金纳米颗粒在525 nm附近吸收较强,与蓝细菌的吸收光谱性能互补,可以潜在提高杂合体的光能捕获效率。通过测试,在光照的条件下,与纯蓝细菌体系相比,杂合体生物量增长了10%,甘油产量增长了14.6%。进一步通过扫描透射电子显微镜 (STEM) 结合能谱(EDS) 分析,发现金纳米颗粒分布在蓝细菌细胞内,有利于材料光生电子向微生物细胞的传递。
                  图 1. 金纳米颗粒-蓝细菌杂合体提高光能驱动CO2固定合成甘油的效率。
                  随后作者对杂合体展开了原位瞬态光谱学分析(TA),当金纳米颗粒与工程菌XG608结合时,在2 ps内观察到更快的动力学衰减,而在4 ps后动力学衰减变慢,表明金纳米颗粒吸收光能产生的电子可以快速的被工程菌吸收。进一步研究发现,当加入光系统II抑制剂DCMU后,这种衰减特征消失(光系统II功能缺失突变体中也观察到相同结果)。有意思的是,金纳米颗粒电荷转移似乎只在活细胞中可行,黑暗条件,金纳米颗粒TA动力学特征不变,电荷转移过程停止。作者推测,只有活细胞才能作为电子受体来接收光激发的电子。
                  图 2. 金纳米颗粒-蓝细菌杂合体原位瞬态吸收光谱分析。
                  基于以上的研究,作者提出光激发金纳米颗粒提供了额外电子被光合电子传递链上潜在电子受体接收,进入光合电子传递链,提高光能利用效率,进而提高光能驱动CO2固定合成化学品的效率。
                  图3.金纳米颗粒-蓝细菌杂合体界面电子传递。
                  该研究得到了科技部合成生物学重点研发计划、国自然重点项目和面上项目、深圳市基础研究专项重点项目和深圳合成生物学创新研究院的经费支持。 
                  PI与课题组简介: 
                  高翔,副研究员,博士生导师,获批中科院人才引进计划青年项目。团队研究领域为材料合成生物学,实验室主要方向:设计和构建材料-微生物人工杂合体,以材料“武装”细菌,构建人工“光细胞”,研究其构筑原理,提高光能驱动空气中CO2固定合成化学品的效率。近年来以第一作者和通讯作者(含共同)在Nature Chemistry、Energy & Environmental Science、Science Advances、Metabolic Engineering 等发表多篇文章,“谷歌学术”引用超过1000次。主持国自然面上项目、深圳市重点项目、参与国自然重点项目和合成生物学重点研发计划等。长期招收相关方向的博士后和联合培养的博士生,欢迎联系:gaoxiang@siat.ac.cn。 
                  
                2022-12-27
              • 深圳先进院研究发现检测转录因子结合位点的新方法
                该研究发展了一种检测转录因子结合位点的新方法,通过诱导转录因子-胞嘧啶脱氨酶融合蛋白表达、高通量测序和单核苷酸多态性(SNP)分析,获得转录因子的全基因组结合位点信息。
                   12月19日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所金帆课题组在国际学术期刊Microbiology Spectrum上发表了题为《AIDmut-Seq: A three-step method for detecting protein-DNA binding specificity》的研究成果。该研究发展了一种检测转录因子结合位点(transcription factor binding sites, TFBS)的新方法,通过诱导转录因子-胞嘧啶脱氨酶融合蛋白表达、高通量测序和单核苷酸多态性(SNP)分析,获得转录因子的全基因组结合位点信息。
                  中科院深圳先进院合成所助理研究员倪磊、研究员金帆为共同通讯作者。
                  文章上线截图
                  文章链接:https://doi.org/10.1128/spectrum.03783-22
                  转录因子能够以特定序列与基因专一性结合,保证目的基因以特定的强度在特定的时间空间表达。转录因子和DNA的相互作用在基因调控网络(GRNs)中起着核心作用。目前检测转录因子-DNA结合特异性的主要方法需要先对转录因子结合的DNA片段进行捕获富集然后再进行测序(或其他分析),如染色质免疫沉淀 (ChIP)、配体系统进化指数富集(SELEX)和DNA亲和纯化测序(DAP-Seq)等。这些方法涉及复杂的实验程序,如基因组DNA的碎片化和扩增、转录因子的免疫沉淀等,较高的操作门槛不利于新手或跨学科人员快速展开实验。 
                  在本研究中,金帆团队开发了一种名为AIDmut-Seq的体内方法。活化诱导胞苷脱氨酶(AID)可以将单链DNA序列中的碱基C脱氨化形成碱基U, DNA复制后发生C-T或G-A替代。研究人员将AID融合到转录因子上,并在体内诱导融合蛋白表达,这样就可以在转录因子结合位点附近引入突变,后续可以通过全基因组测序直接检测。由于不需要对转录因子结合的片段进行捕获富集,而仅需对突变标记进行测序,因此AIDmut-Seq的整个工作流程仅包含细菌培养、基因组提取和生信分析三个步骤(图 1),不涉及其他复杂的实验操作,大大节省了实验人员的时间和劳动成本。
                  图1 AIDmut-Seq的原理和步骤
                  研究人员使用不同类型的转录调节因子对AIDmut-Seq进行了验证,表明该方法对大多数转录激活因子(如LasR,FleQ,ErdR,GacA,ExsA等)的具有较高效率。而对一些小的转录抑制因子(如RsaL和AmrZ等)虽然表现出较低的效率,但通过该方法计算得到的转录因子识别基序(motif)和现有方法得到的基序具有很大相似性。此外,使用AIDmut-Seq还得到了许多之前没有发现的转录因子结合位点和新的调节模式。这些结果证明了AIDmut-Seq的高效性和泛用性,可以作为现有方法的重要补充工具(图2)。
                  图2 AIDmut-Seq适用于大多数转录因子
                  研究人员将ADImut-Seq与目前最常用的ChIP-seq进行了“标杆测试”(benchmarking)。比较发现, AIDmut-Seq和ChIP-seq对TFBS具有相似的检测精度,但AIDmut-seq具有更窄的检测窗口。尤其对于启动子上存在多个结合位点的位置,AIDmut-Seq相比ChIP-seq具有更好的分辨率,因此AIDmut-Seq在识别同一启动子中的多个结合位点具有潜在的优势(图3)。
                  图3 AIDmut-Seq与ChIP-seq的比较 
                  该研究得到了科技部重大研发计划、国家自然科学基金、中国科学院科学仪器开发和深圳合成生物学创新研究院等项目支持。
                  
                2022-12-27
              • 华南植物园揭示全球降水频率变化对土壤呼吸及其组分的影响
                全球变暖加剧了水文循环,导致降水状况(频率和数量)发生变化,这可能对土壤呼吸( Rs )产生重大影响。尽管人们对Rs对降水量变化的响应进行了广泛的研究,但对于全球降水频率( PF )的变化将如何影响Rs ,却未有共识。中科院华南植物园鼎湖山站博士后杜悦(导师闫俊华研究员)等,以全球296篇降水变化控制实验研究论文的观测数据为基础,采用Meta分析方法量化了PF对Rs及其组分的影响。当数据按气候条件分组时, PF的增加在干旱条件下对Rs有积极影响,而在半湿润或湿润条件下无显著影响,而PF的减少在所有气候条件下对Rs均有抑制作用。
                  全球变暖加剧了水文循环,导致降水状况(频率和数量)发生变化,这可能对土壤呼吸(Rs)产生重大影响。尽管人们对Rs对降水量变化的响应进行了广泛的研究,但对于全球降水频率(PF)的变化将如何影响Rs,却未有共识。
                  中科院华南植物园鼎湖山站博士后杜悦(导师闫俊华研究员)等,以全球296篇降水变化控制实验研究论文的观测数据为基础,采用Meta分析方法量化了PF对Rs及其组分的影响。结果表明,随着本底年平均降水量的增加,PF对Rs的影响逐渐减小。当数据按气候条件分组时,PF的增加在干旱条件下对Rs有积极影响,而在半湿润或湿润条件下无显著影响,而PF的减少在所有气候条件下对Rs均有抑制作用。PF增加的正效应主要来自干旱条件下异养呼吸的积极响应,而PF降低的负效应主要来自根系生物量和呼吸的减少。本研究首次提供了跨气候区域PF对Rs及其组分的不同影响的综合分析。该研究也为理解和模拟生态系统碳循环对全球降水变化的响应提供了框架。
                  相关研究成果于近期以“Significant effects of precipitation frequency on soil respiration and its components-A global synthesis”为题发表在国际学术期刊Global Change Biology(《全球变化生物学》)(IF=13.212)上。论文链接:https://doi.org/10.1111/gcb.16532
                   图1. 不同降水处理下土壤呼吸(Rs, a)、异养呼吸(Rh, b)、自养呼吸(Ra, c)的敏感性
                  图2. 干旱条件(0 -400 mm)、半湿润条件(400-800 mm)和湿润条件(800 mm)下不同处理条件下的呼吸速率(Rs, a)、异养呼吸速率(Rh, b)、自养呼吸速率(Ra, c)敏感性
                  
                2022-12-26
              • 深海所TS-14航次采集的深海鳗鲡(Ilyophis brunneus)基因组解析揭示其深海适应的分子机制
                深海约占地球表面积的65%,然而由于深海环境的探索难度极大,使其成为地球上最后被人类认知且探索最少的区域。深海环境具有高静水压力、低温、食物匮乏、终年无光、缺氧等极端特征,是地球上最恶劣最极端的生存环境之一,是常规生命形式的禁区。其中,高静水压力被认为是对生物体最严苛的环境特征。肌动蛋白的组织和微管组装对于细胞内运输和细胞运动至关重要,可被高静水压力破坏。
                  深海约占地球表面积的65%,然而由于深海环境的探索难度极大,使其成为地球上最后被人类认知且探索最少的区域。深海环境具有高静水压力、低温、食物匮乏、终年无光、缺氧等极端特征,是地球上最恶劣最极端的生存环境之一,是常规生命形式的禁区。其中,高静水压力被认为是对生物体最严苛的环境特征。肌动蛋白的组织和微管组装对于细胞内运输和细胞运动至关重要,可被高静水压力破坏。此外,高静水压力还会影响细胞调节系统、导致DNA链的损伤和断裂、影响细胞膜的流动性。深海的温度低,变化范围小,温度随着水深的增加而下降,1000米以下的深海温度通常为-1.8°C——5℃。暴露于低温的核酸可以形成二级结构,从而阻碍了遗传信息的处理。此外,深度有效光的缺乏会阻碍光合作用,因此深海生物的食物供应要比浅海匮乏的多。虽然深海环境十分恶劣,但生命体却遍布深海的各个深度和生境,而生命体适应这种极端环境的生理机制在很大程度上仍然是未知的。 
                  2022年12月14日,中国科学院深海科学与工程研究所何舜平研究员团队在SCIENCE CHINA Life Sciences杂志上发表论文"Pseudo-chromosome–length genome assembly for a deep-sea eel Ilyophis brunneus sheds light on the deep-sea adaptation",公布了首个高质量的深海鳗鲡基因组,解析了其适应深海的分子机制。 
                  本研究涉及的深海鳗鲡样本由我国的深海载人潜水器“深海勇士”号,在马里亚纳海沟3500米的深海中获得。深海鳗鲡的身体细长,皮肤为深黑色。研究人员通过形态学观察及线粒体条形码分析鉴定为褐泥蛇鳗(Ilyophis brunneus ,英文名:Muddy arrowtooth eel,简称MAE)。
                   
                  图1 深海鳗鲡采样信息
                  (A) ArcGIS在线地图(B)中国载人潜水器“深海勇士号”(C)深海鳗鲡原位采样观测 (D)两个深海鳗鲡样本
                  为了研究深海鳗鲡适应如此恶劣深海环境的分子机制,研究人员首先通过结合Illumina高通量测序、PacBio和Hi-C技术,首次测序及组装出了高质量的深海鳗鲡基因组,并对深海鳗鲡基于系统发育、比较基因组等方法进行研究,阐明了其起源和适应机制。研究结果显示:基因组中多个与维持和调节细胞骨架相关的关键基因发生了特异突变,如TUGBCP3、ITGA基因受到强烈的正选择,TUBGCP3是γ微管蛋白复合物的重要组成部分,在中心体的微管成核中起着至关重要的作用,ITGA促进微管细胞骨架稳定和调节细胞骨架组装。研究人员还发现大量发生基因家族扩张、正选择、快速进化的基因与DNA 修复能力、细胞膜的流动性、转录与翻译过程的正常进行、能量代谢有关。此外,通过对深海鳗鲡、欧洲鳗鲡及其他几种浅海鱼类进行选择压力分析发现,深海鳗鲡的ω值要显著高于其他几种鱼类,这表明深海鳗鲡很有可能在极端的深海环境下经历了功能加速进化。这些遗传变异可能使得深海鳗鲡进化出的适应深海极端环境的能力。
                  图二 深海鳗鲡基因组信息
                  (A) 深海鳗鲡的基因组组装及Hi-C互作热图 (B) 深海鳗鲡基因组组装特征圈图
                  图三 深海鳗鲡在细胞骨架调节及能量代谢相关通路发生的遗传改变
                  论文第一作者为深海所硕士研究生陈洁,共同通讯作者为深海所何舜平研究员和水生所方成池副研究员,研究工作受到中科院战略先导专项、国家自然科学基金等资助。 
                  论文链接:http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-022-2251-8 
                  
                2022-12-26
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