大爆發！浙江大學2021年17篇Nature、Science、Cell詳細解讀

　　自2021年以來（截至2021年8月12日），以浙江大學作為通訊單位的研究團隊在Cell ，Nature 及Science 發表了17項研究成果，在物理學，材料學，生命科學等領域取得重大進展，iNature系統盤點這些研究成果：

　　【1】化學反應往往被概念化為單個分子轉化為產物，但通常在探索整體平均行為的實驗中觀察到。單分子方法超越了整體平均值，揭示了反應位置、途徑和動力學的統計分布。這已經通過光阱和掃描探針顯微鏡在具有高空間分辨率的特定位置操縱和觀察個體反應以及使用超靈敏光電探測器的現代光學方法來實現，這些方法能夠實現高通量單分子測量。然而，有效探測單分子溶液化學仍然具有挑戰性。

　　2021年8月11日，浙江大學馮建東團隊在Nature 在線發表題為“Direct imaging of single-molecule electrochemical reactions in solution”的研究論文，該研究展示了水溶液中單分子電化學反應的光學成像及其在超分辨率顯微鏡中的用途。該方法利用化學發光反應，涉及在電極上電化學產生的釕絡合物，確保最小的背景信號。這使該研究能夠直接捕獲單個反應的電化學發光的單光子，并開發超分辨率電化學發光顯微鏡，以高時空分辨率對活細胞的粘附動力學進行成像。該研究預計該方法將促進對電化學反應的基本理解，并證明對生物測定和細胞成像應用有用。

　　【2】2021年7月16日，南京工業大學王軍，浙江大學邢華斌及新加坡國立大學顏寧共同通訊在Science 在線發表題為“Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving”的研究論文，該研究報告了一種簡便、無模板的水熱方法，用于自組裝雜原子沸石整料 Fe-MOR(n)（其中 n 是初始 Fe/Si 摩爾比），其固有的高機械強度可以可直接用作成型物理吸附劑。在 CO2 捕獲中，Fe-MOR(n) 系列根據分子大小篩選 CO2、Ar、N2 和 CH4，并表現出前所未有的 CO2 吸收和 CO2/Ar(N2, CH4) 選擇性和快速吸附動力學。總之，具有超高機械強度的 Fe-MOR 沸石整料采用無粘合劑和無模板的水熱路線自組裝，具有成本效益、節能和環境友好的特點。一些孤立的四面體 Fe 元素位于一維微孔通道內，導致精確變窄的微通道的沸石孔隙系統。骨架鐵元素和這種孔隙特征的結合賦予了高 CO2 吸附能力、有效的基于尺寸的分子篩選能力和優異的水分穩定分離性能。這種材料在分離 CO2/N2(CH4) 時能耗低，產品回收率和純度高。所有這些特性使 Fe-MOR 整料成為一種很有前途的自成型吸附劑。這項工作展示了一種用于 CO2 捕獲的高性能自成型吸附劑，并突出了雜原子沸石材料在氣體吸附和分離中的實際應用潛力。

　　【3】2021年7月8日，華中科技大學陶光明及浙江大學馬耀光共同通訊在Science 在線發表題為“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的研究論文，該研究突破性地研發了一種具有形態分級結構(Hierarchical-morphology structure)、可大批量制備的光學超材料織物(Metafabric)，具有優異的日間輻射制冷能力，對實現高效的戶外個人熱管理具有重要意義。

　　【4】2021年7月8日凌晨，浙江大學童利民教授團隊在Science 在線發表題為“Elastic ice microfibers”的研究論文，該研究報道了這種神奇的冰—有史以來最具彈性和韌性的冰微纖維。這種冰微纖維可以像煮熟的面條一樣彎曲成幾乎完整的圓形，然后再恢復到原來的形狀。而且，除了優異的彈性和柔韌性，該冰微纖維還可以像最先進的片上光導一樣沿其長度方向傳輸光線，有望用于低溫下工作的低損耗光波導。

　　【5】2021年6月25日，浙江大學唐睿康及劉昭明共同通訊在Science 在線發表題為“Pressure-driven fusion of amorphous particles into integrated monoliths”的研究論文，該研究通過在調節結構結合水和外部壓力的同時融合顆粒來制造無定形碳酸鈣的無機整料。由于其結構連續性，整料是透明的，機械強度接近單晶方解石。無定形體中的動態水通道由含水量和施加的壓力協同控制，并促進粒子融合的質量傳輸。該研究策略提供了一種替代傳統燒結方法，該方法對于構建溫度敏感的生物礦物和生物材料的整體結構應該具有吸引力。

　　【6】LaAlO3和KTaO3（111）之間的氧化物界面可以具有超導狀態。 2021年5月14日，浙江大學謝燕武，中國科學院物理研究所孫繼榮及周毅共同通訊（共同第一作者為浙江大學陳崢、劉源和北京航空航天大學張慧）在Science 在線發表題為“Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface”的研究論文，該研究通過在KTaO3兩端施加柵極電壓（VG），可以將界面從超導連續調整為絕緣態，從而產生圓頂形的Tc-VG依賴性，其中Tc是轉變溫度。電氣門控對載流子密度的影響很小，而對遷移率的影響卻很大。 該研究根據接口中載體空間分布的變化來解釋遷移率的調整，從而解釋有效的無序性。隨著溫度降低，超導和絕緣兩面的電阻均在最低溫度下飽和，這表明出現了與失效的超導體和/或易碎的絕緣體有關的量子金屬態。這一發現為人們探索低溫量子現象呈現了一個嶄新的視野，也為超導器件的研發提供了新的思路。

　　【7】電子自旋和軌道自由度的耦合是晶體中最深遠的影響之一，并且是各種奇異現象的基礎。然而作為一種基本粒子，電子還攜帶另外一個基本物理量，即自旋。如何操控自旋，研制速度更快、能耗更低的電子器件是自上世紀90年代以來科學和工程領域孜孜追求的目標。2021年5月5日，浙江大學鄭毅、許祝安，中南大學夏慶林共同通訊在Nature 在線發表題為“Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic”的研究論文，該研究首次在黑砷二維電子態中發現了外電場連續、可逆調控的強自旋軌道耦合效應，實現了對自旋的高速精準控制；同時在全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理現象中，發現了新奇的量子霍爾態。該研究將對高效率、低能耗自旋電子器件研制提供堅實基礎，對進一步加深量子霍爾現象的理解，以及依托拓撲超導器件的量子計算研究具有積極意義。

　　【8】2021年4月28日，華中科技大學劉劍峰教授，浙江大學張巖及蒙彼利埃大學Jean-Philippe Pin共同通訊在Nature 在線發表了題為“Structural basis of GABAB receptor-Gi protein coupling”的研究論文，該研究報告C類異二聚體GABA B受體的結構，該結構由抑制性遞質GABA激活，并以與Gi1蛋白復合的活性形式存在。該研究發現單個G蛋白與GABA B受體的GB2亞基在一個主要涉及跨膜結構域一側的細胞內環2的位點相互作用。這與在其他類型的GPCR中觀察到的中央腔室中G蛋白結合相反。這種結合模式是由于該GABA B受體的跨膜結構域的活性形式不同于其他GPCR的。該研究工作還提供了亞基間和亞基內變化的細節，連接激動劑與該異二聚體復合物中的G蛋白活化結合。總之，該研究系統地鑒定了C型異源二聚體GABAB受體與G蛋白復合物的高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了二聚體GPCR偶聯G蛋白的新模式。

　　【9】2021年4月20日，浙江大學朱永群及張興共同通訊在Cell 在線發表題為“Structural basis of assembly and torque transmission of the bacterial flagellar motor”的研究論文，該研究介紹了與鉤復合的細菌鞭毛馬達的原子分辨率冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）結構，該分子由175個亞基組成，分子量約為6.3 MDa。該結構揭示了從帶有FlgB和FliE亞基的MS環突出的10個肽介導了從MS環到桿的扭矩傳遞，并克服了馬達旋轉結構和螺旋結構之間的對稱性不匹配。LP環接觸遠端桿，并施加靜電力以支持其旋轉和扭矩傳遞到鉤。這項工作為鞭毛馬達的結構，組裝和扭矩傳遞機制提供了詳細的分子知識。

　　【10】2021年4月2日，浙江大學肖豐收、孟祥舉、王亮及中國科學院精密測量科學與技術創新研究院鄭安民共同通訊在Science 在線發表題為“Isolated boron in zeolite for oxidative dehydrogenation of propane”的研究論文，該研究利用多孔硅酸鹽沸石（MFI）骨架分離硼，阻礙硼的完全水解和浸出，從而大幅提高催化劑的耐久性。基于該策略，研究人員設計出一種在MFI骨架中具有–B [OH…O(H)–Si]2結構的新活性中心，其中僅包含孤立的硼物種，不僅能夠有效活化了分子氧和丙烷以促進其脫氫，而且阻礙了催化過程中硼的完全水解。研究結果表明，MFI骨架分離出來的硼物種對ODHP表現出極高的反應活性和選擇性，可以實現高達44%的丙烷轉化率，對乙烯的選擇性超過80%。所制備的BS-1催化劑具有耐水性，可以在連續測試（210 h）中保持較高的活性和選擇性，從而延長了使用壽命，這意味著ODHP技術往前邁出了一大步，未來有望實現工業化應用。

　　【11】2021年3月24日，中國科學院上海藥物研究所徐華強和蔣軼團隊，聯合浙江大學張巖研究員團隊，共同在Nature 雜志上發表了最新研究成果“Structural insights into the lipid and ligand regulation of serotonin receptors”，這項工作成功實現該領域的多個技術突破，成功解析了三個不同種類的5-羥色胺受體的五個結構，回答了如上三大科學問題。該工作揭示了磷脂PI4P（PtdIns4P）和膽固醇如何調節受體的功能，以及藥物阿立哌唑（Aripiprazole）如何識別5-羥色胺受體。阿立哌唑是臨床用于治療精神分裂癥的一線用藥，同時被用于治療抑郁癥、雙相障礙、自閉癥等重要精神類疾病。

　　【12】2021年3月3日，浙江大學李鐵風團隊在Nature 發表題為”Self-powered soft robot in the Mariana Trench“的研究論文，該研究開發了一種能用于深海探測的無線自供能軟體機器人，它們通過在馬里亞納海溝最深 10900 米處和南海最深 3224 米處進行實際測試，驗證了這種機器人具有極好的耐壓和游泳性能。該研究將有助于各種其他應用技術的發展，進一步為推動海洋監測、清理和防治海洋污染、保護海洋生物多樣性提供更多創新方案，更重要的是，它們可以幫助科學家探索海洋深處的大片未知地帶。

　　【13】2021年2月10日，中國科學院上海藥物研究所徐華強課題組，聯合美國匹茲堡大學張誠課題組、浙江大學醫學院與浙江省良渚實驗室張巖課題組以及北卡羅來納大學教堂山分校Bryan L. Roth課題組在Cell 在線發表題為“Structural insights into the human D1 and D2 dopamine receptor signaling complexes”的研究論文，該研究通過解析選擇性D1R激動劑以及非選擇性多巴胺受體激動劑激活下D1R-Gs以及D2R-Gi復合物的結構，結合功能試驗數據，闡釋了D1R和D2R在配體選擇性以及G蛋白選擇性識別上的機制等重要的生物學問題，為開發以D1R和D2R為靶標的選擇性藥物以及更為安全的抗神經精神疾病類藥物提供了重要的結構和理論基礎。

　　【14】2021年1月29日，浙江大學，中國科學院上海應用物理研究所，丹麥技術大學等多單位合作，王勇，高嶷、Jakob B. Wagner、Thomas W. Hansen共同通訊在Science 在線發表題為“In situ manipulation of the active Au-TiO2 interface with atomic precision during CO oxidation”的研究論文，該研究首次在原子尺度下一氧化碳催化氧化過程中觀察到催化劑界面活性位點的可逆變化，并據此實現了界面活性位點的原子級別原位調控。這項成果對今后設計更好的環境催化劑、高效穩定地處理污染氣體具有重要意義。

　　【15】2021年1月6日，中國科學院上海藥物所，北京大學，山東大學及浙江大學等多單位合作，徐華強，張巖及孫金鵬共同通訊在Nature 在線發表題為”Structures of the glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97–Go complex“的研究論文，該研究報告糖皮質激素應激激素激活粘附性G蛋白偶聯受體G3（ADGRG3；也稱為GPR97），一種典型的粘附性GPCR。與抗炎藥倍氯米松或類固醇激素皮質醇結合的GPR97-Go復合物的冷凍電子顯微鏡結構表明，糖皮質激素與跨膜結構域的囊袋結合。糖皮質激素的甾體核心與“撥動開關”殘基W6.53堆積在一起，該殘基感知配體的結合并誘導受體的活化。活性GPR97使用四元核和HLY基序來固定七跨膜束并介導G蛋白偶聯。GPR97的細胞質側有一個開放的腔，所有三個細胞內環都與Go蛋白相互作用，從而促進了GRP97的高基礎活性。已發現Go蛋白胞質尾部的棕櫚酰化對于與GPR97的有效結合至關重要，但在其他已解決的GPCR復雜結構中未觀察到。該研究工作為配體與粘附GPCR的七個跨膜結構域結合以及隨后的G蛋白偶聯提供了結構基礎。

　　【16】2021年1月6日，深圳華大生命科學研究院、昆明動物研究所及哥本哈根大學張國捷、浙江大學周琦和阿德萊德大學Frank Grutzner共同通訊在Nature 在線發表題為”Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution“的研究論文，該研究發表了鴨嘴獸和短鼻針鼴（后簡稱針鼴）的基因組，并利用其信息對哺乳動物的演化以及單孔目性染色體演化進行了分析，為深入了解哺乳動物的重要演化歷程提供了新的結果。

　　【17】在生物組織和人工分子組裝體中均廣泛觀察到刺激響應性融合和裂變。然而，在重復融合和裂變過程中具有結構和特性持久性的系統的設計仍然具有挑戰性。2021年5月7日，浙江大學高超團隊在Science 在線發表題為“Reversible fusion and fission of graphene oxide–based fibers”的研究論文，該研究首次發現濕法紡絲制備的氧化石墨烯（GO）纖維在溶劑的觸發下會發生動態可逆的融合和裂變行為。同時， 該概念通過GO涂層進一步擴展到了常規纖維，為未來功能響應材料的設計提供了一個通用的策略。