科研进展--中国科学院广州分院

Nature Neuroscience | 深圳先进院揭示大脑中调控成瘾的“油门-刹车”重要机制

北京时间5月12日下午17时，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所朱英杰研究员团队的最新研究成果发表于《自然—神经科学》。他们发现，小鼠大脑中存在两条关键的多巴胺神经环路，能够调控毒品成瘾的发生发展，而在社会竞争中获得胜利体验能够重塑这两条神经通路，并降低小鼠的毒品成瘾行为。该研究为成瘾易感性的社会因素提供了新的机制解释和理论模型，并为成瘾的干预治疗提供了新的方案。药物成瘾是全球性的健康难题，但为何有人更容易沉溺其中？又为何有人能“悬崖勒马”，克服成瘾？北京时间5月12日下午17时，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所朱英杰研究员团队的最新研究成果发表于《自然—神经科学》。他们发现，小鼠大脑中存在两条关键的多巴胺神经环路，能够调控毒品成瘾的发生发展，而在社会竞争中获得胜利体验能够重塑这两条神经通路，并降低小鼠的毒品成瘾行为。该研究为成瘾易感性的社会因素提供了新的机制解释和理论模型，并为成瘾的干预治疗提供了新的方案。该研究中，深圳先进院朱英杰研究员为该论文的通讯作者，助理研究员邓潇斐、副研究员徐薇和助理研究员柳昱彤为论文的共同第一作者。深圳先进院为该研究的第一单位。发现与成瘾有关的“油门-刹车”通路根据联合国毒品和犯罪问题办公室发布的报告数据显示，全球使用毒品人数持续增加，2021年全球有超过2.96亿人使用毒品，比10年前高出23%。药物成瘾受到生物、心理和社会等诸多因素的影响，不同个体在成瘾易感性上存在差异。此前，来自人类和其它灵长类动物的研究显示，社会等级是影响成瘾易感性的一个重要因素，多巴胺系统可能参与其中。但其具体的神经机制仍不清楚。在该研究中，研究人员首先将两只体型相近的雄性小鼠配对饲养，并使用“钻管实验”来衡量小鼠之间的社会等级。简单来说，就是把两只小鼠头对头放进一根细管中，在实验中，将对方推出管子的小鼠被定义为“高等级小鼠”，被推出去的小鼠则为“低等级小鼠”。接着，研究人员让这些小鼠进行甲基苯丙胺（冰毒）自身给药实验，测试小鼠的成瘾行为。结果发现，“低等级小鼠”迅速习得甲基苯丙胺自身给药行为，而“高等级小鼠”则很少主动摄入甲基苯丙胺。那么，这一现象背后的神经机制是什么？研究人员采用多种神经科学技术发现，小鼠大脑中有两条重要的多巴胺能神经环路——“中脑-皮质”和“中脑-边缘”通路，发挥了关键作用。多巴胺被称为“快乐递质”，其释放与奖赏、动机密切相关。连接中脑到伏隔核的“中脑-边缘”多巴胺通路就像“油门”，驱动对奖赏的渴求；而连接中脑与前额叶皮质的“中脑-皮质”多巴胺通路，就像“刹车”，负责增强对厌恶刺激的觉察。研究者观察到，甲基苯丙胺在“高等级小鼠”的前额叶皮质释放的更高的多巴胺；而在伏隔核，“低等级小鼠”的多巴胺释放则更高。“用通俗的话来说，在‘低等级小鼠’中，中脑-边缘通路功能较强，而中脑-皮质通路则相对较弱，就如同强劲的‘油门’搭配松散的‘刹车’，使小鼠更容易对毒品产生渴求；相反，‘高等级小鼠’则呈现出轻踩‘油门’而用力‘刹车’的状态，从而增强了对毒品的抵抗力。”论文通讯作者朱英杰解释道。“胜利体验”，重塑大脑成瘾防线那么，调控“中脑-皮质”和“中脑-边缘”多巴胺通路这两条关键通路，是否能影响不同社会等级小鼠在觅药行为上的差异？为了验证这一假设，研究人员利用药理学和光遗传学手段，对这两条多巴胺环路进行干预。研究结果表明，降低“低等级小鼠”大脑中伏隔核区的多巴胺相关蛋白表达水平，能够显著降低其对甲基苯丙胺的摄入；而损毁“高等级小鼠”大脑中前额叶皮质的多巴胺纤维，则会增加其对甲基苯丙胺的摄入。更重要的是，通过光遗传激活中脑皮质多巴胺通路，不仅提高了小鼠在钻管实验社交竞争中获得胜利的可能性，同时也显著抑制了后续的甲基苯丙胺自身给药行为。“有意思的是，在钻管实验中，我们让‘低等级小鼠’无法后退，只能逼迫‘高等级小鼠’退让。每天重复实验5次，几天之后，‘高等级小鼠’放弃了挣扎，很快就主动退让了，而‘低等级小鼠’则信心满满地获胜了。”朱英杰介绍。经过两周这样的行为学训练后，原本“低等级小鼠”体验了胜利经历后，觅药行为大大下降，原本“高等级小鼠”体验失败经历后，则倾向于形成高觅药行为。这个过程中还伴随着“中脑-皮质”和“中脑-边缘”两条多巴胺系统的重塑。这些结果提示，社会竞争中获得胜利的体验或许可以通过重塑多巴胺系统，来抑制甲基苯丙胺的觅药行为。当前，传统的药物成瘾或毒品成瘾的抑制手段包括药物治疗、物理治疗、心理治疗、社会行为约束等。该研究为药物成瘾易感性的神经机制和社会因素提供了全新的理论框架，同时也为成瘾治疗的新手段和干预策略提供了重要借鉴。“例如，通过增强个体的社会成就感，或模拟成功体验，从神经机制层面‘加固刹车、削弱油门’，以降低成瘾风险。此外，该研究为未来开发非侵入性刺激疗法干预成瘾提供科学依据。”朱英杰表示。文章上线截图图1：社会等级通过影响“中脑-皮质”和“中脑-边缘”多巴胺通路，调控甲基苯丙胺成瘾行为；胜利经历能够重塑这两条通路并抑制觅药行为图2：朱英杰团队（论文共同第一作者：左一柳昱彤、左四邓潇斐、右三徐薇）

2025-05-15

骨缺损修复新方案！ | 深圳先进院“含镁可降解高分子骨修复材料”获国家药监局批准上市

5月14日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所转化医学研究与发展中心（以下简称“转化中心”）秦岭、赖毓霄团队历经15年研发的“含镁可降解高分子骨修复材料”，联合深圳先进院孵化企业深圳中科精诚医学科技有限公司，宣布通过国家药品监督管理局创新医疗器械第三类植入器械注册审批，正式获准上市。这项创新成果填补了行业空白，为骨缺损修复提供了具有完全自主知识产权的“深港方案”。5月14日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所转化医学研究与发展中心（以下简称“转化中心”）秦岭、赖毓霄团队历经15年研发的“含镁可降解高分子骨修复材料”，联合深圳先进院孵化企业深圳中科精诚医学科技有限公司，宣布通过国家药品监督管理局创新医疗器械第三类植入器械注册审批，正式获准上市。这项创新成果填补了行业空白，为骨缺损修复提供了具有完全自主知识产权的“深港方案”。依托“产学研医”协同创新模式，转化中心通过集成医学、生物学、材料学以及工程学等多学科交叉，利用低温3D打印方法开发出“含镁可降解高分子骨修复材料”，攻克了3D打印骨科器械的多项技术难点，成功实现了含镁骨修复材料的精准成型，并赋予材料特殊的仿生结构和适宜的强度。随着镁金属的加入，该材料不仅实现了与人体松质骨相近的力学强度，使其在手术操作中能够稳定应对冲击力，避免崩解或产生碎屑，还能在成骨早期提供稳定的力学支撑。同时，该材料能在6至9个月内完全降解并被人体充分吸收，避免了因材料残留引起的体内异物反应，降解过程中释放的镁离子能够参与新骨的形成和正常的生理代谢过程，加速骨缺损修复。原创成果从实验室迈向临床应用，需要经历漫长和严苛的验证过程。2010年，深圳先进院在与香港中文大学密切的合作基础上成立转化医学研究与发展中心，系统开展骨科植入性功能材料的深入研究。2013年，深圳先进院孵化企业深圳中科精诚医学科技有限公司，围绕“含镁可降解高分子骨修复材料”开展转化工作，有序完成了产品工艺验证、注册检验、临床前生物安全性评价、动物试验以及多中心临床试验。在临床研究中，联合研发团队在北京积水潭医院、上海市第六人民医院等八家国内大型研究型医院完成了176例骨缺损患者的多中心临床试验。结果显示，24周植骨融合率达98%以上，没有出现排异反应，展现出“含镁可降解高分子骨修复材料”优异的生物相容性。此外，这一材料在术中可剪切塑形，有利于适配复杂骨缺损形态。一直以来，骨缺损修复是困扰医生和患者的重要难题。尽管传统的自体骨移植被视为骨缺损修复的“金标准”，但存在供区损伤、来源有限等局限；而传统的人工骨材料往往难以同时满足力学支撑、降解适配、骨诱导再生等多重需求。镁由于其优异的材料特性和生物活性，被誉为“革命性医用金属”，是理想的骨科修复材料，国内外众多科研团队和企业都给予重点关注。但截至目前，根据国家药品监督管理局和美国食品药品监督管理局的公开数据获悉，尚未有镁相关的骨修复材料作为医疗器械而应用于临床。深圳先进院医工所副所长、转化中心执行主任赖毓霄研究员介绍：“‘含镁可降解高分子骨修复材料’提供了一种安全且高效的骨修复解决方案，临床试验证实它成功克服了传统骨修复材料的诸多局限，显著提升了骨修复的成功率，有效减轻了患者的痛苦与并发症，对促进患者康复及改善生活质量起到了关键作用。”“未来，研究团队将积极拓展‘含镁可降解高分子骨修复材料’的临床适应症，提高骨修复精度和效率，持续攻克复杂骨缺损和疑难骨病治疗难题，为创伤、骨肿瘤、骨坏死等骨科疾病的治疗、康复提供新技术、新策略。”欧洲科学院外籍院士、美国医学与生物工程院院士、转化中心主任、香港中文大学医学院秦岭教授表示。获批上市截图含镁可降解高分子骨修复材料含镁可降解高分子骨修复材料联合创新团队

2025-05-15

广州能源研究所在城市车网互动（V2G）项目规划与投资决策领域取得新进展

近日，中国科学院广州能源研究所黄玉萍正高级工程师团队在面向城市级车网互动 (V2G, Vehicle-to-Grid ) 项目规划与投资的决策分析研究中取得突破。当前，大规模V2G落地仍面临用户参与不确定、电池与基础设施受限、调度复杂、市场与监管机制不完善等多重挑战，加大了政府和投资者的决策难度。在此背景下，该研究团队提出构建了“价值网络＋系统动力学”模型（图1），首次在同一体系下整合投资方、电网、聚合商和车辆用户四大主体，揭示了城市 V2G 生态下价值创造、传递与反馈机制（图2）。通过动力学仿真，研究捕捉了市场需求波动、用户参与意愿、补贴政策和技术反馈等因素的时序耦合，增强了模型对现实场景的适应性。图1 城市V2G项目价值创造动力学因果关系图图2 城市V2G 项目价值创造的系统流图该研究解析了投资—收益—风险全链路，量化了政府及社会资本、配电网、聚合商与用户在 V2G 系统中的多向价值流动，可为政策制定者和投资者提供了可操作的决策支持工具（图3）。图3 城市V2G项目的投资决策优化流程研究结果揭示了城市V2G生态系统中的关键价值创造机制。通过对三个不同城市背景的案例研究，针对性的补贴调整（如从0.3提升到0.6元/千瓦时，或从0.4降至0.25元/千瓦时）和基础设施投资（增加高达1.69倍），可实现投资回报率(ROI)提升24.5%、11.13%和23.87%（图4）。(A) City A (B) City B (C) City C图4 不同城市场景中策略优化前后的项目价值产出通过敏感性与情景模拟，该模型可量化辅助服务电价和配网侧需求大幅波动对项目价值的影响，助力风险管控。灵敏度分析表明，辅助服务价格波动对项目价值的影响是技术因素的2.4倍，需求减少60%可能导致不同城市的价值损失达46.57%-52.05%（图5）。图5 敏感性分析结果此外，针对辅助服务电价下跌或配网需求骤减情景，该模型可定量计算外部环境变化对项目价值的影响，以帮助决策者提前预警并指导快速应对，降低市场风险。(A) 辅助服务电价波动 (B) 项目价值变化图6 辅助服务电价波动与项目价值变化该研究构建的模型为政策制定者和投资者提供了可操作的决策支持工具。对政策制定者而言，该模型可量化各种补贴和监管措施的综合效果，支持平衡电网管理和电动汽车产业发展的策略。例如，在V2G采用率低的地区，有助于预测积极补贴的边际效益，指导阶梯式激励措施设计，提高用户参与度。而对于投资者来说，模型的动态反馈可评估基础设施投资回收期和风险范围。基于数据驱动的预测，投资者可以优化充电桩部署，并根据当地电动汽车采用率和电网需求波动调整聚合商激励措施。该成果获得国家自然科学基金、中国工程院重点项目、广东省基础与应用基础研究基金及广东省能源局项目等资助。相关研究成果已形成学术论文Investment Decision Analysis Approach for Urban V2G Projects Based on Value Network，发表于国际期刊Sustainable Cities and Society。博士研究生廖苏亮为第一作者，黄玉萍正高级工程师为通讯作者。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2210670725003166

2025-05-13

华南植物园木莲属‘绛裳’通过新品种审查

4月27日，国家林业和草原局植物新品种保护办公室组织专家对华南植物园申请的木莲属新品种‘绛裳’进行了现场审查。审查专家为中国科学院昆明植物研究所龚洵研究员和海南大学王亚玲研究员。华南植物园园艺中心宁祖林副主任等热情接待了专家组一行。▲木莲属新品种‘绛裳’专家组在华南植物园木兰园对新品种及其对照品种的特征性状进行了详细的实地审查，同时听取了新品种培育人对培育过程和DUS测试的详细汇报，并认真细致比较了新品种与对照品种的形态特征，肯定了新品种的特异性、一致性和稳定性，一致同意‘绛裳’通过新品种审查。▲专家组实地审查新品种‘绛裳’▲专家组审查会议新品种‘绛裳’是华南植物园园艺中心陈新兰等在2009年利用杂交育种、嫁接等技术培育的杂交品种，于2017年首次开花。该品种为常绿乔木，树形优美；叶革质，叶面青翠光润，叶背灰绿色；花紫红色，清香怡人，盛开时鲜艳夺目，是一种优良的园林景观树种。该品种喜光照充足和温暖湿润的环境，适宜热带至亚热带地区做园林绿化，可供公园、校园等地孤植、对植或群植观赏，具有较好的推广应用前景。

2025-05-09

国家重点研发计划“城市生活垃圾定向调控制备车用燃料技术及装备”项目实施方案论证会在广州召开

5月9日，国家重点研发计划“循环经济关键技术与装备”重点专项“城市生活垃圾定向调控制备车用燃料技术及装备”项目实施方案论证会在广州召开。中国21世纪议程管理中心循环经济专项主管国佳旭副研究员，中国科学院可持续发展研究局大气海洋与生态环境处副处长赵涛，中国科学院广州能源所副所长袁浩然研究员，项目跟踪专家清华大学刘建国教授、同济大学戴晓虎教授、重庆大学韩永生教授，项目咨询专家常州大学雷廷宙研究员、华中科技大学乔瑜教授、华南农业大学谢君教授、广东工业大学王铁军教授、北京工业大学吴玉锋教授、沈阳化工大学王树荣教授，项目负责人杨海平教授以及课题负责人、项目骨干等40余人参加会议。会议采用线上线下结合的形式举行，广州能源所科技处副处长黄振主持会议。5月9日，国家重点研发计划“循环经济关键技术与装备”重点专项“城市生活垃圾定向调控制备车用燃料技术及装备”项目实施方案论证会在广州召开。中国21世纪议程管理中心循环经济专项主管国佳旭副研究员，中国科学院可持续发展研究局大气海洋与生态环境处副处长赵涛，中国科学院广州能源所副所长袁浩然研究员，项目跟踪专家清华大学刘建国教授、同济大学戴晓虎教授、重庆大学韩永生教授，项目咨询专家常州大学雷廷宙研究员、华中科技大学乔瑜教授、华南农业大学谢君教授、广东工业大学王铁军教授、北京工业大学吴玉锋教授、沈阳化工大学王树荣教授，项目负责人杨海平教授以及课题负责人、项目骨干等40余人参加会议。会议采用线上线下结合的形式举行，广州能源所科技处副处长黄振主持会议。会上，袁浩然代表中国科学院广州能源研究所对中国21世纪议程管理中心、中国科学院可持续发展研究局、项目跟踪及咨询专家组、项目参与单位的指导与支持表示衷心感谢。他强调，研究所与各项目参与单位深厚的前期积累与良好的合作基础是项目成功实施的关键，研究所一向高度重视国家重点研发计划项目，将全力支持项目负责人杨海平教授及项目执行团队，并严格落实项目主体责任，加强项目执行过程管理，确保项目顺利完成。国佳旭代表21世纪议程管理中心致辞。他详细介绍了“循环经济关键技术与装备”重点专项的总体情况，强调该项目对实现城市生活垃圾资源化利用具有重要战略意义，指出实施方案论证是厘清项目如何进行的关键，各专家需要切实指出项目实施的关键科学技术问题及攻关难点，确保各项研发任务的高质量推进。赵涛对项目启动表示了热烈祝贺，肯定了广州能源所在有机固废循环利用领域的技术优势与长期积淀。他表示中国科学院可持续发展研究局作为推荐单位将持续为项目实施提供全方位的保障，同时要求项目团队严格按照接下来各位专家的意见和建议进一步完善实施方案，加强团结协作，确保产出实质性的科技成果。项目负责人杨海平以及各课题负责人分别从项目概况、任务分解与接口、实施计划与预期成果、组织管理与风险分析等多方面进行了详细汇报。专家组经质询与讨论后一致认为，项目目标明确，研究内容全面，实施方案合理，技术路线可行，任务安排合理，保障措施完善，一致同意项目实施方案通过论证。同时专家组也建议进一步明确在垃圾分类背景下本项目的处理对象，强化项目示范工程实施的技术与政策风险管控。“城市生活垃圾定向调控制备车用燃料技术及装备”项目由中国科学院广州能源研究所牵头，联合华中科技大学、浙江大学、同济大学、华南农业大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学、清华大学、福州大学、圣元环保股份有限公司共10家单位协同开展。与会人员合影

2025-05-12

深圳先进院 | 可解释机器学习新方法提升肺结节良恶性诊断精度（EJNMMI）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室、医工所影像中心孙涛副研究员团队，联合中国医学科学院肿瘤医院深圳医院、河南省人民医院，围绕动态 [¹⁸F]FDG PET/CT 成像，提出了一种融合血流与代谢动态特征的可解释机器学习方法，显著提高了对肺部结节良恶性的分类准确性。相关成果以题为 “Leveraging machine learning with dynamic 18F-FDG PET/CT: integrating metabolic and flow features for lung cancer differential diagnosis” 发表在医学影像与核医学领域权威期刊European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室、医工所影像中心孙涛副研究员团队，联合中国医学科学院肿瘤医院深圳医院、河南省人民医院，围绕动态 [¹⁸F]FDG PET/CT 成像，提出了一种融合血流与代谢动态特征的可解释机器学习方法，显著提高了对肺部结节良恶性的分类准确性。相关成果以题为 “Leveraging machine learning with dynamic 18F-FDG PET/CT: integrating metabolic and flow features for lung cancer differential diagnosis” 发表在医学影像与核医学领域权威期刊European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging。研究亮点在肺结节影像诊断中，提升良恶性鉴别的准确性始终是医学影像与核医学的重要研究方向。传统的CT结构影像的参数与PET的SUVmax参数在肺癌诊断中存在一定局限，且依赖于复杂的动力学建模。该研究创新性地将病灶的时间-活度曲线（TAC）分解为血流（Cb）、游离态（Cf）和代谢态（Cm）三部分，分别提取关键动态特征，如峰值、斜率、AUC等，构建可解释的分类特征集合。研究基于Bagging集成学习方法，结合LASSO特征筛选和SHAP值可解释性分析，构建了肺结节良恶性预测模型。在187例训练集上，模型AUC达到0.89，在42例独立验证集上AUC也达到0.86，均显著优于SUVmax（0.79）和Ki（0.76）（图2）。预测分数在良恶性人群中差异显著（p < 0.001），Cohen's效应量高达1.71。该模型在短轴的GE DMI PET/CT设备和长轴的联影uEXPLORER PET/CT设备上均表现稳定，展示出良好的泛化能力。此外，模型推理时间仅10秒以内，特征提取约8秒/例，完全可集成于临床流程，具备落地潜力。最后，模型输出不仅限于预测结果，更通过可解释分析展示了每个动态特征在单个病人中的诊断贡献（图3），让医生“看得懂、用得上”。应用前景该研究为动态PET在肺癌良恶性鉴别中的应用提供了新型可解释性手段，尤其适用于静态显像模糊、肿瘤标志物阴性、或高假阳性风险的复杂病例。未来计划进一步缩短扫描时间、与CT特征融合、开展多中心验证等推动临床转化。本研究由中国科学院深圳先进技术研究院孙涛副研究员、中国医学科学院肿瘤医院深圳医院核医学科梁颖主任，联合河南省人民医院王梅云副院长团队共同完成。深圳先进院南科大联培学生姚志恒、肿瘤医院王禹博医师为共同第一作者。本研究受到中国科学院、科技部、深圳市和广东省的项目支持。图1：文章上线截图图2：可解释机器学习模型（TAC features）在本地（a）及外部验证数据(b)中均优于常规定量方法，显著提升了分类诊断性能图3：个体动态影像特征的重要性排序分析，辅助临床理解

2025-05-08

深圳先进院合作构建“微生物特种兵”，可同时降解5种污染物（Nature）

高盐废水作为工业废水中的一种特定类型，主要来自化工厂及石油和天然气的采集加工等，包含悬浮物、有机物、重金属、有害化学物质和营养盐等污染物，对环境和生态系统造成了巨大的影响。因此，去除高盐废水中的有机污染物对生态环境可持续发展至关重要。高盐废水作为工业废水中的一种特定类型，主要来自化工厂及石油和天然气的采集加工等，包含悬浮物、有机物、重金属、有害化学物质和营养盐等污染物，对环境和生态系统造成了巨大的影响。因此，去除高盐废水中的有机污染物对生态环境可持续发展至关重要。5月7日，中国科学院深圳先进技术研究院客座研究员戴俊彪与上海交通大学教授唐鸿志团队合作在学术期刊《自然》上发表最新研究，团队成功构建了可同时降解五种有机污染物的新型工程菌株，并通过实际工业废水样本验证，展示了该菌株对高盐废水中复合污染物的高效降解能力，为破解传统微生物处理技术存在的“盐抑制效应”提供了中国方案。深圳先进院为该研究第一单位。可高效降解污染物的“微生物特种兵”自然界的微生物虽然能分解高盐废水中的部分污染物，但它们就像“偏科生”——每个菌种通常只擅长处理一两种特定污染物。当面对高盐废水中油污、重金属、放射性物质等组成的“混合垃圾”时，这些天然微生物就显得“力不从心”。此外，因微生物降解所涉及的基因种类和数目较多，常规基因工程技术对菌株设计和改造的速度和深度非常有限。近年来，合成生物学技术飞速发展为降解菌株的构建提供了可能。科学家们能够通过合成生物技术给微生物设计“智能工具箱”——不仅能给细菌安装多种污染物分解能力，还能让这些功能像“乐高积木”一样精准搭配。基于此，研究团队通过底盘菌株筛选与耐盐机制解析，精准锁定了具有最快繁殖速率、高盐耐受和易基因编辑等特性的理想底盘细胞——耐盐菌株“需钠弧菌（Vmax）”，并基于弧菌类细菌能吸收整合外源DNA的自然转化能力，通过调控基因精准构建可调控的具有高效自然转化能力的菌株VCOD-2。研究人员通过测试发现，这一菌株可高效整合外源DNA片段到细菌基因组，相较于自然界中微生物，转化效率可提升数倍。进一步研究中，研究团队将来自不同物种的降解基因模块进行适配优化，创新开发了迭代自然转化法，利用同源替换策略，将5个功能基因簇迭代整合到细菌基因组中，在单一菌株中构建了覆盖单环到多环化合物的五条人工代谢通路，得到的“微生物特种兵”VCOD-15，可实现五种典型芳香类有机污染物——联苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯的同时降解，涵盖了从单环到多环化合物的广泛底物范围。“VCOD-15菌株的开发不仅给高盐废水污染的修复提供了新的解决方案，而且建立了在抗逆底盘菌株基因组上整合多条污染物降解基因簇，并实现功能适配、应用测试的全流程研究范式。期待这种研究范式可以为更多底盘菌株的改造所借鉴，并推广至更多污染物共存场地的生物降解与修复，为我国环境生物技术发展以及生态环境保护做出贡献。”中国科学院院士、中国科学院大学资源与环境学院院长江桂斌评价道。提供精准“去污”生物方案研究团队通过实际工业废水样本系统验证了“微生物特种兵”工程菌株VCOD-15从实验室到实际污染场地的全场景降解效果：例如，在污染物降解能力方面，这种“微生物特种兵”展现出多靶点同步处理优势——在48小时内对5种目标污染物的去除率均超60%，其中对联苯实现完全降解（100%），甲苯、二苯并呋喃等复杂污染物降解率近90%，较天然菌株提升2至3倍效能。面对极端工业环境挑战，VCOD-15在盐度高达102.5克每升的氯碱废水中仍保持活性，成功克服了传统菌株“遇盐即失活”的瓶颈；在活性污泥反应器中，12小时内可完全去除高浓度污染物；多平行生物反应器测试显示，48小时内工业废水中污染物残留量均低于检测范围的2%，且菌株在复杂微生物群落中占比稳定（40%以上），体现其强大的环境竞争力。“这些验证数据表明，团队开发的基于需钠弧菌的复合污染物工程菌构建平台，实现了从代谢通路的挖掘、设计和合成，到单一、复合污染物降解菌株的构建、测试，以及在实际工业废水样本处理应用的全流程，有望为石化、氯碱等高盐废水处理、海上石油泄漏、微塑料污染等全球性挑战提供全新生物解决方案。”论文共同通讯作者唐鸿志表示。“研究团队为构建多功能工程菌株打造了通用技术平台，不仅实现了同一菌株内多代谢通路的高效整合，还支持菌种功能的持续升级，其应用范畴可突破污染物降解领域，向天然产物生物合成、高值化合物细胞工厂构建等合成生物学前沿领域延伸，展现出‘一技术平台驱动多产业革新’的潜力。”论文共同通讯作者戴俊彪表示。未来，该成果的核心技术可延伸应用于海上溢油污染治理、工业场地修复、微塑料生物降解等多个生态环保场景，不仅为破解复合污染治理难题提供了智能生物工具，更推动环保产业从末端治理向生物智造升级，助力“无废城市”建设与双碳目标实现。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员苏聪博士、上海交通大学致远荣誉计划博士生崔浩天和副研究员王伟伟博士为本文共同第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院/中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）戴俊彪研究员和上海交通大学唐鸿志教授为本文的通讯作者。文章上线截图迭代自然转化法（INTIMATE）示意图

2025-05-08

深圳先进院在系统配置参数自动快速调优研究方面取得突破

近日，中国科学院深圳先进技术研究院数字所异构智能计算中心在系统配置参数自动快速调优研究方面取得重要进展，相关成果以“Swift: Fast Performance Tuning with GAN-Generated Configurations”为题被计算机系统领域顶级会议的CCF A类会议USENIX ATC'25 （The 2025 USENIX Annual Technical Conference）接收。该会议致力于展示和讨论计算机系统领域中的新思想和最新研究成果。深圳先进院异构智能计算中心陈超助理研究员为论文第一作者，深圳先进院异构智能计算中心喻之斌研究员为通讯作者。近日，中国科学院深圳先进技术研究院数字所异构智能计算中心在系统配置参数自动快速调优研究方面取得重要进展，相关成果以“Swift: Fast Performance Tuning with GAN-Generated Configurations”为题被计算机系统领域顶级会议的CCF A类会议USENIX ATC'25 （The 2025 USENIX Annual Technical Conference）接收。该会议致力于展示和讨论计算机系统领域中的新思想和最新研究成果。深圳先进院异构智能计算中心陈超助理研究员为论文第一作者，深圳先进院异构智能计算中心喻之斌研究员为通讯作者。本文提出Swift方法，这是一种新颖的、基于贝叶斯优化（BO）的大数据系统参数配置快速自动调优方法。其核心思想是利用一种生成式人工智能方法，即生成对抗网络（GAN），根据已评估的性能最佳的配置来生成高质量的配置。将这些配置与随机生成的配置相混合，具有使搜索空间向最优配置倾斜的效果，从而实现更快的收敛速度，并减少优化时间。实验结果表明，与由CherryPick调优的 Flink 程序相比，Swift 将其吞吐量提升了最高达1.59倍，并将延迟最多降低了1.68倍。最重要的是，Swift仅用5.8小时就完成了优化，而CherryPick至少需要12.5小时。对于Spark程序，Swift将由CherryPick调优后的程序执行时间最多缩短了2.2倍。我们还在一家互联网巨头的生产集群中，使用Flink程序对Swift进行了评估。此前该程序是通过手动调整配置参数进行优化的，一位专业的性能工程师花了四天时间才完成优化。结果显示，Swift 在仅6.8小时内就将这个经过手动优化的程序的吞吐量提升了2.3倍，并将其延迟降低了2.8倍。USENIX Annual Technical Conference（USENIX ATC）创办于1992年，是计算机系统结构和并行/分布式计算领域的顶级国际会议，为中国计算机学会推荐A类国际会议。2025年USENIX年度技术会议（ATC'25,The 2025 USENIX Annual Technical Conference）将于将于2025年7月7日至7月9日在美国波士顿与OSDI共同召开。本次会议共有634篇论文投稿，100篇被接收，中稿率为15.8%。Swift快速自动调优方法流程图

2025-04-30

深圳先进院 | 跨尺度理论体系揭示微生物基因流动的核心定量规律（MSB，eLife & Communications Biology）

水平基因转移作为微生物进化与生态适应的核心驱动力，深刻影响着基因组结构、功能多样性及群落动态，深入解析这一过程的调控机制，将为合成生物学和微生物组工程提供突破性的研究工具与理论框架。水平基因转移作为微生物进化与生态适应的核心驱动力，深刻影响着基因组结构、功能多样性及群落动态，深入解析这一过程的调控机制，将为合成生物学和微生物组工程提供突破性的研究工具与理论框架。然而，该领域仍面临重大挑战：微生物间通过质粒、转座子和噬菌体等载体形成的基因流动网络不仅结构复杂，更在生态演替过程中呈现动态变化特征。这种复杂性使得精确调控基因流动成为当前研究的难点，其根本原因在于我们对这一复杂过程的基本定量规律缺乏理性认知。针对这一科学瓶颈，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所王腾研究员发表系列研究，构建了跨尺度研究体系：通过整合定量实验、计算模型和组学大数据，从个体细胞、单一群落、集合群落三个复杂度层次，时空两个维度，系统探索了水平基因转移的定量规律。这一多尺度研究框架为理解微生物基因流动提供了全新的理论基础和方法学支撑。5月1日，王腾研究员课题组在Molecular Systems Biology上发表了题为"Spatial entropy drives the maintenance and dissemination of transferable plasmids"的研究论文。该工作首次将物理学中“熵”的概念引入微生物生态学，揭示了空间结构驱动基因水平转移的普适机制。质粒作为可转移遗传元件，是抗生素耐药基因（ARGs）传播的主要载体，其扩散机制的研究对遏制耐药性爆发至关重要。经典理论基于均匀混合环境假设，提出质粒维持需高转移率阈值，但自然微生物群落普遍存在空间异质性（如生物膜、微塑料聚集），现有模型难以解释复杂环境中质粒的稳定性。传统理论预测与实际观测的差距（如自然质粒转移率常低于理论阈值）表明，空间结构对基因流动的影响尚未被充分解析，亟需建立整合空间异质性的理论框架。本研究通过构建集合群落动力学模型，结合实验验证与基因组大数据分析，揭示空间熵（量化空间异质性的指标）对质粒传播的核心作用。理论模拟表明，空间熵越低（即空间异质性越高），质粒的扩散速度和全局维持能力越强。低熵环境通过增加局部细胞密度波动，提升了质粒的有效转移率，从而突破了经典理论预测的质粒维持阈值，使得低转移效率的质粒也能长期存在。在大肠杆菌的合成微生物群落中，人为调控空间熵（通过调整细胞密度分布）证实了低熵环境显著提高质粒传递效率。进一步分析34,688个原核基因组大数据发现，携带生物膜形成相关基因（BFGs，低熵环境标志）的原核生物基因组中，质粒、抗生素抗性基因（ARGs）、转座酶和毒素/抗毒素系统基因更丰富，验证了低熵环境促进可移动遗传元件（MGEs）的进化优势。本研究首次将物理学“熵”概念引入微生物生态学，揭示了空间结构驱动基因水平转移的普适机制，挑战了均匀环境假设下的经典理论，为耐药性传播预测提供了新思路，推动生态学与进化理论的整合。实际应用中，提出通过调控环境熵（如破坏生物膜、减少微塑料污染）抑制ARGs扩散的策略，为公共卫生管理及微生物组工程提供了关键理论工具，为抗生素抗性管理提供新靶点（如干预生物膜形成）。此外，跨学科整合模型构建-实验-大数据的方法，为解析复杂生态系统中的进化动力学树立了范例。3月3日，王腾课题组在eLife上发表了题为“Emergence of alternative stable states in microbial communities undergoing horizontal gene transfer”的研究论文。该工作基于多尺度微生物生态学模型，系统揭示了复杂微生物生态系统中多稳态的涌现机制。微生物群落在相同环境中常呈现不同的稳定状态，但其多稳态的起源机制尚不明确。以往研究聚焦于物种互作和资源竞争，而水平基因转移（HGT）作为微生物进化的重要驱动力，其作用长期被忽视。HGT通过可移动遗传元件（MGEs）改变宿主生长速率和种间相互作用，可能重塑群落稳定性，然而HGT如何影响多稳态的形成仍缺乏系统性研究。理解这一机制对揭示微生物群落动态及调控具有重要意义。本研究构建数学模型，结合数值模拟分析HGT对微生物群落稳定性的影响。结果显示，HGT通过促进物种间基因交流，显著增加两物种及多物种群落的稳态数量，尤其在生长速率相近且竞争激烈的物种中更为显著；MGEs的表型效应（如增强生长或改变竞争强度）决定HGT对多稳态的促进或抑制作用，正向表型效应扩大稳态区域，而负向效应削弱；在抗生素选择压力下，HGT使耐药基因扩散，创造新稳态；集合群落模拟表明局部多稳态通过空间异质性提升区域多样性。研究还探讨了稀释率、质粒互作等参数的影响，验证了模型的稳健性。本研究首次系统揭示了HGT驱动微生物群落多稳态的机制，填补了生态与进化理论的空白。结果为预测群落状态转变（如肠道菌群失调）、设计微生物工程策略（如通过抑制HGT稳定有益群落）提供了理论依据。同时，阐明了局部多稳态对区域多样性的贡献，为生态保护和生物修复提供了新思路。这一框架将促进跨尺度微生物动态研究，助力精准调控复杂微生物系统。此前不久，王腾团队在Communications Biology上发表了题为“The evolutionary landscape of prokaryotic chromosome/plasmid balance”的研究论文。该工作解析了原核生物染色体/质粒平衡的多层次选择机制，为质粒的演化动力提出了全新的理论框架。质粒作为原核生物中广泛存在的可移动遗传元件，在微生物进化、抗生素抗性传播及病原毒力扩散中扮演核心角色。依据传统达尔文进化理论，质粒的存续依赖于宿主表型选择（如宿主生长负担的降低），但近年研究发现，非表型选择（如质粒自身复制效率、水平转移能力）同样显著影响其稳定性。例如，人类肠道中广泛存在的pBI143质粒虽无明确功能基因且面临强选择压力，挑战了传统表型选择范式。然而，现有研究多聚焦单一选择压力，对两种力量如何共同塑造染色体/质粒平衡缺乏系统性定量模型，尤其缺乏对代谢资源分配、宿主基因组规模等内在因素的动态解析。这一理论空白限制了对质粒多样性的进化解释，也阻碍了临床耐药基因传播的精准干预。本研究构建了一个代谢通量模型，模拟染色体与质粒基因在细胞内资源竞争中的动态平衡。通过粗粒化随机网络和通量平衡分析，模型量化了表型选择（宿主生长负担）与非表型选择（质粒自我维持能力）的强度，揭示二者随质粒/染色体大小变化的权衡关系。模型预测了质粒进化中的“最优平衡点”，并通过分析NCBI数据库中15,713个含质粒的原核基因组数据验证：染色体增大推动质粒规模上限提升，而小质粒因非表型选择压力易被淘汰，与理论预测的进化景观一致。该研究提出“多层次选择”理论框架，首次将表型与非表型选择的动态拮抗关系定量化，为质粒多样性起源提供了普适性解释。理论层面，模型揭示了原核生物基因组可塑性的进化边界，即染色体规模通过代谢网络复杂度调控质粒存续阈值，这为理解古菌-细菌质粒分布差异提供了新视角。实践层面，研究对临床控制耐药基因传播（如优化质粒干预策略）和合成生物学（如设计稳定工程质粒）具有应用价值。此外，研究强调代谢网络复杂度对质粒动态的影响，为评估病原菌风险提供了新思路。中国科学院深圳先进技术研究院的博士后薛文智（MSB共同一作，Communications Biology一作）和研究助理洪居恳（MSB共同一作，eLife一作）为系列论文的第一作者。这些研究获得了科技部合成生物学重点研发计划，国家自然科学基金面上项目，青年项目，深圳合成生物学创新研究院科研计划等多个项目的支持。文章上线截图文章链接：https://doi.org/10.1038/s44320-025-00110-8图1 本工作的核心研究思路文章上线截图文章链接：https://doi.org/10.7554/eLife.99593.3图2 水平基因转移促进群落多稳态的涌现文章上线截图文章链接：https://www.nature.com/articles/s42003-024-07167-5图3 染色体与质粒基因在细胞内资源竞争与动态平衡理论

2025-05-08

华南植物园发现长期氮添加下氮饱和热带森林植物功能性状趋于稳定

随着全球氮沉降持续加剧，其对氮限制区域生态系统的影响已有广泛研究和报道；然而，长期氮输入如何塑造氮饱和森林中不同生活型植物的生态策略仍不清楚。中国科学院华南植物园鼎湖山站研究团队依托广东鼎湖山长期氮添加实验平台（0、50、100、150 kg N ha⁻¹ yr⁻¹），系统分析了18年氮添加后氮饱和季风常绿阔叶中乔木、灌木、草本共8种植物的15项叶片和22项细根功能性状响应。研究发现，长期氮添加对乔木、灌木和草本叶片（图1）和细根功能性状（图2）均无显著影响。叶片经济谱比根经济谱更能有效区分植物生活型；然而，长期氮添加没有改变植物的养分获取策略（图3）。长期氮添加下植物叶片和细根性状的表型可塑性均保持稳定，然而高氮添加导致草本叶片性状的整合性上升和细根性状的整合性下降。该研究揭示了长期氮添加下氮饱和森林中植物功能性状可能趋于稳定，为基于植物功能性状的模型预测长期氮沉降对生态系统功能的影响提供了重要的数据支撑，同时也完善了氮限制生态系统中“性状-环境”耦合关联的传统认知。相关研究以“Plant morphological and physiological traits are stable in a nitrogen-saturated tropical forest after 18-year nitrogen additions”为题于近期发表在国际学术期刊Plant and Soil（《植物和土壤》）。中国科学院华南植物园博士后余光灿为论文第一作者，郑棉海研究员为通讯作者。该研究获广东省杰出青年基金等项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-025-07484-6图1.长期氮添加对乔木、灌木和草本植物叶片功能性状的影响图2.长期氮添加对乔木、灌木和草本植物细根功能性状的影响图3.氮添加处理下15个叶片（a）和22个细根性状（c）的主成分分析。（b）和（d）分别是叶片和细根功能性状的贡献值

2025-05-09