科研进展--中国科学院广州分院

南海所科研人员在南海北部发现桡足类新物种

中国科学院南海海洋研究所发现并描述了桡足类怪水蚤目新物种——拟巨大怪水蚤Monstrilla pseudograndis（图1），相关成果于3月18日在经典分类学杂志ZooKeys上正式发表，这是首个由我国科研工作者发现的怪水蚤属Monstrilla新物种。文章作者为南海海洋生物标本馆周志乾，连喜平和谭烨辉。图1 拟巨大怪水蚤新种Monstrilla pseudograndis sp. nov.，雌性正模。A. 整体背面观；B. 整体侧面观；C. 整体腹面观。A–C共用同一比例尺。怪水蚤目物种因其复杂而又有趣的生活史而备受解剖学家和动物学家的关注。其幼体寄生于多毛类、软体动物等海洋底栖无脊椎动物，成体转变为浮游生活进行繁殖，期间不再摄食。研究团队于2023年6月在广西北部湾近岸海域（21°22'53"N,108°19'38"E）15米水深处采集到拟巨大怪水蚤雌性标本。拟巨大怪水蚤雌性头胸部表面光滑；额区中部凹陷，第一触角基部两侧具短感觉毛和小刚毛；头胸部腹面具4对对称排列的乳头状疤痕。第1-4胸足外肢刺较短。第5胸足双叶型，外叶细长具3羽状刚毛，内叶较短具2羽状刚毛且内缘基部具指状突起。尾叉各具6根发达尾刚毛（图2）。通过显微解剖和形态比较与近似种区分开来（表1）。图2拟巨大怪水蚤新种Monstrilla pseudograndis sp. nov.，雌性正模。A. 头胸部腹面观（箭头示乳头状疤痕）；B. 头胸部前部腹面观（s1 = 感觉毛；s2 = 刚毛）；C. 生殖后体节及尾叉腹面观；D–G. 第1–4胸足。D–G共用同一比例尺。表1 雌性近似种与拟巨大怪水蚤新种Monstrilla pseudograndis sp. nov.的主要特征对比该研究得到中国科学院生物分类学科学家岗位、国家动物标本资源库、粤西热带海洋生态环境广东省野外科学观测研究站以及中国科学院战略生物资源能力建设项目支持。中国科学院南海海洋研究所南海海洋生物标本馆硕士研究生周志乾为第一作者，高级工程师连喜平担任通讯作者。相关论文信息：Zhou,Zhiqian,Lian Xiping*,Tan Yehui. 2025. A new species of Monstrilla(Copepoda,Monstrilloida)in coastal waters of northern South China Sea. ZooKeys 1232: 237-248.文章链接：https://doi.org/10.3897/zookeys.1232.144830

2025-03-19

南极真菌来源抗呼吸道合胞病毒笼状螺环酰胺的发现及机制研究获新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）刘永宏团队在南极来源抗呼吸道合胞病毒次级代谢产物的发现领域取得新进展。相关成果“Spirochrains A−D,Four Caged [5,6,5] Spirocyclic Amides from an Antarctic Fungus Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702 with Anti-RSV Activities”以封面文章发表于Organic Letters《有机化学通讯》。中国科学院南海海洋研究所博士生丛梦静、助理研究员李艳芹，南方医科大学博士生李银燕为共同第一作者，LMB研究员王俊锋、刘永宏，南方医科大学教授杨洁为共同通讯作者。呼吸道合胞病毒（RSV）是全球幼儿和高危人群急性下呼吸道感染最常见的诱因之一。据估计，呼吸道合胞病毒每年导致超过3300万例5岁以下儿童感染。但利巴韦林等治疗药物由于其毒性和有限疗效，临床应用受到限制。团队前期从南极真菌A. ochraceopetaliformis SCSIO 05702中发现一系列结构新颖的次级代谢产物，包括抑制H1N1,H3N2流感病毒活性混源萜Ochraceopones A−E（J. Nat. Prod.,2016,79,59）,抗炎活性蛇麻烷型倍半萜Ochracenes A−I（J. Nat. Prod.,2017,80,1725）和戊酮噻吩Ochrathinols A 和 B（Phytochemisty, 2023,208,113593）。此外联合中国科学院南海海洋研究所研究员闫岩团队阐明了混源萜Ochraceopone A生物合成机制（Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63,e202403365）。其中直线型混源萜Ochraceopone及蛇麻烷型倍半萜Ochracene被Natural Product Reports评选为热点化合物Hot off the Press。研究团队进一步优化发酵A. ochraceopetaliformis SCSIO 05702发现了4个结构新颖的氮杂螺环酰胺Spirochrains A−D，通过波谱学分析与量子化学计算确定了Spirochrains立体结构。当3位羟基未甲基化时，分子中酮酰胺结构会导致自发互变。基因组学及生物信息学分析定位了负责螺环酰胺生物合成基因簇，并对其生物合成途径进行了推测。抗病毒研究表明，Spirochrains A−D对RSV病毒具有不同程度的抑制作用，通过检测RSV病毒入侵宿主细胞不同时期的基因转录和蛋白表达，揭示Spirochrain B靶向结合RSV-G蛋白来阻止病毒吸附宿主细胞。构效关系分析表明螺环酰胺分子中环己烷邻二醇构型以及3位羟基在抗RSV感染中发挥重要作用。图1. 南极真菌A. ochraceopetaliformis代谢产物类型多样性与合成途径解析图2. Spirochrain B抗RSV病毒感染研究该研究挖掘南极真菌次级代谢潜能，为抗RSV感染治疗提供了新的先导分子。上述研究工作得到了国家重点研发计划、广东省区域联合基金重点项目、国家自然科学基金、广东省特支计划本土创新团队项目等资助。论文信息：Mengjing Cong#,Yinyan Li#,Yanqin Li#,Xiangliu Chen,Xiaoyan Pang,Yan Yan,Xinpeng Tian,Yonghong Liu*,Jie Yang*,Junfeng Wang*.Spirochrains A–D,Four Caged [5,6,5] Spirocyclic Amides from an Antarctic Fungus Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702 with Anti-RSV Activities,2025,27,2295-2299.文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.4c04371

2025-03-17

亚热带所 | CCKBR调控山羊小肠淀粉消化的胰腺外分泌功能机制研究取得突破进展

2024年我国牛存栏量为10204万头，全国羊存栏量为32074万只。反刍动物消化系统在结构上与单胃动物不同，对营养物质的消化存在差异。营养物质在瘤胃内被微生物降解，产生的挥发性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白与未降解的饲料流入小肠，由肠道内消化酶消化成小分子物质被小肠上皮直接吸收利用。反刍动物小肠过瘤胃营养物质可为机体提供17%-30%能量，这一过程主要依赖于胰腺消化酶的分泌。不同于单胃动物小肠淀粉降解率高达98%以上，反刍动物小肠淀粉消化率相对较低，约有40%~60%的过瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊粪便淀粉残留高。理论上反刍动物小肠内淀粉类营养物质化学性消化利用效率远高于瘤胃，但淀粉小肠内的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反刍动物胰腺外分泌功能分子调控机制，挖掘小肠淀粉降解受限的调控靶点有助于反刍动物日粮精准设计，为提高饲料利用效率、减少饲料资源浪费、降低环境污染提供理论依据。2024年我国牛存栏量为10204万头，全国羊存栏量为32074万只。反刍动物消化系统在结构上与单胃动物不同，对营养物质的消化存在差异。营养物质在瘤胃内被微生物降解，产生的挥发性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白与未降解的饲料流入小肠，由肠道内消化酶消化成小分子物质被小肠上皮直接吸收利用。反刍动物小肠过瘤胃营养物质可为机体提供17%-30%能量，这一过程主要依赖于胰腺消化酶的分泌。不同于单胃动物小肠淀粉降解率高达98%以上，反刍动物小肠淀粉消化率相对较低，约有40%~60%的过瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊粪便淀粉残留高。理论上反刍动物小肠内淀粉类营养物质化学性消化利用效率远高于瘤胃，但淀粉小肠内的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反刍动物胰腺外分泌功能分子调控机制，挖掘小肠淀粉降解受限的调控靶点有助于反刍动物日粮精准设计，为提高饲料利用效率、减少饲料资源浪费、降低环境污染提供理论依据。中国科学院亚热带农业生态研究所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心谭支良研究员团队在反刍动物小肠淀粉消化受限的胰腺外分泌调控机制研究研究领域取得重要进展。相关成果以Low expression of CCKBR in the acinar cells is associated with insufficient starch hydrolysis in ruminants为题发表于Communications Biology（中国科学院1区top）。该研究首先明确反刍动物存在小肠淀粉降解率低的现象；之后以山羊为试验动物，成功构建首个山羊胰腺单细胞图谱；并利用细胞试验证明山羊胆囊收缩素受体（CCKBR）低表达限制胰腺消化酶胞吐过程，为深入理解反刍动物胰腺外分泌功能不足以及提高反刍动物肠道饲料利用提供了新靶点。主要研究结果包括：1）作者首先通过比较反刍动物全消化道淀粉残留情况，明确十二指肠是过瘤胃淀粉的主要消化部位（图1A-B）；通过比较生长和育肥阶段反刍动物（羊和牛）与单胃动物（猪）的粪便淀粉残留情况，明确反刍动物存在淀粉消化受限的现象（图1C-D）。2）作者以山羊为试验动物，首次绘制生成了新生山羊（非反刍模式）和断奶山羊（反刍模式）胰腺单细胞图谱，共鉴定到了包括胰腺外分泌腺泡细胞、导管细胞和内分泌胰岛细胞β，δ，ELC等在内的11种细胞类型（图2），并鉴定到了两种腺泡细胞亚型，即高胰酶分泌特征的成熟型腺泡细胞亚型AC-s和低胰酶分泌特征的未成熟腺泡细胞亚型AC-i。胰酶（胰淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶）、胞吐关键基因（IRF2，RAB27A，VAMP2，VAMP8，COPZ2，STX2，STX3）在成年山羊AC-s亚型表达增强。单细胞转录组和蛋白质组联合分析进一步表明反刍模式下的成年山羊的胰腺外分泌功能增强。值得注意的是，淀粉酶的活性在两种消化模式下并未检测到差异，说明胰腺α-淀粉酶活性较低可能是反刍动物淀粉水解的限制因素之一。3）胰腺单细胞细胞互作的结果显示，与新生山羊相比，成年山羊预测到的腺泡与内分泌细胞之间相互作用的数量减少；在成年山羊AC-ELC互作中发现了特有的配受体对JAG1-NOTCH1，此外，研究人员还发现JAG1和NOTCH1在AC-s中表达增强，与此同时胰岛激素INS、PPY、GCG和SST表达降低，与之一致的是，成年山羊血清INS的含量显著低于新生山羊。这些结果表明成年山羊AC-s中活化的NOTCH通路可能通过阻止腺泡细胞向内分泌细胞β细胞转化来维持“较强的胰腺外分泌功能”（图3）。转录噪声的结果显示成年山羊内分泌细胞转录噪声表达增加伴随着非典型激素表达增强；且成年山羊腺泡细胞转录噪声表达降低伴随着胰酶表达增强。结果暗示反刍动物消化模式转变，可能通过转录噪声调节“典型”酶和“非典型”激素的表达，产生增强外分泌功能、抑制内分泌功能的生理基础。4）单细胞转录组结果显示反刍模式下成年山羊的腺泡细胞膜上关键调控受体CCKBR表达显著降低。推测成年山羊腺泡细胞膜上CCKBR的低表达，加上十二指肠中Ⅰ型细胞的低分布，可能共同导致肠胰反射反应缓慢，并诱导食物进入小肠和消化酶释放的异步过程，最终限制淀粉消化（图4）。5）之后作者开展胰腺细胞实验，通过CCK（10 pmol/L）处理高CCKBR丰度新生山羊和低CCKBR丰度断奶山羊腺泡细胞，测定腺泡细胞转录组特征、钙离子振荡反应和胞吐反应。结果显示钙离子信号通路和胞吐信号通路在低CCKBR丰度成年山羊均要弱于高CCKBR丰度新生山羊（图5），证明了成年山羊腺泡细胞CCKBR低表达抑制淀粉酶分泌。此研究得到了中国科学院战略先导项目、湖南省自然科学基金和湖南省创新型省份项目等项目的支持，亚热带生态所博士生程艳为本论文第一作者，贺志雄研究员和谭支良研究员及耶路撒冷希伯来大学(The Hebrew University of Jerusalem) 的Oren Parnas教授为论文共同通讯作者。论文链接图 1 反刍动物淀粉消化不足图 2 新生和成年山羊胰腺单细胞图谱图 3 新生和成年山羊胰腺细胞互作网络图 4 CCKBR是成年山羊小肠淀粉消化受限的潜在靶点图 5 成年山羊腺泡细胞CCKBR低表达抑制淀粉酶分泌机制

2025-03-19

深圳先进院｜解析多巴胺微环路共调控睡眠和记忆巩固过程（eLife）

3月12日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院刘畅团队在eLife杂志上发表题为：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究论文。3月12日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院刘畅团队在eLife杂志上发表题为：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究论文。记忆巩固与睡眠高度相关，且这种关联在无脊椎动物和脊椎动物中都存在。记忆巩固是一个依赖于时间、将新形成的不稳定的记忆向稳定记忆的过程。睡眠作为影响记忆的最重要的生理过程之一，已被证明对记忆的几个不同阶段产生影响。且有研究表明，在睡眠期间，特定的脑区和神经核团会出现对某种记忆的神经元发放特征重现的现象，被认为是主动的记忆巩固过程。然而，将这两个过程联系起来的神经机制在很大程度上仍不明确。尽管果蝇的大脑相对简单，但其行为的复杂性和基因操作的可行性使其成为剖析这类问题的理想模型。多巴胺能神经元在睡眠和记忆调控中均发挥重要作用。在果蝇中，刘畅研究员早期工作里鉴定了PAM多巴胺能神经元（DAN）投射到蘑菇体（MB）水平叶，特异性的参与奖赏性学习记忆（Liu et al., Nature,2012）。随后，多个团队的研究不仅将PAM神经元类型根据图谱特征进行了精细区分，更发现多个亚型在记忆以及它们在睡眠中的促醒功能。在果蝇脑内，一对背侧成对内侧（DPM）神经元投射到整个蘑菇体，被鉴定其在记忆巩固过程中的不可或缺性，以及其通过抑制性的作用发挥促睡的功能（Waddell，Cell，2000；Haynes et al., eLife,2015）。然而，DAN-DPM的功能连接及该微环路的活动状态在睡眠和记忆巩固中的作用尚不清楚。研究团队结合免疫组化、特异标记的顺行示踪遗传工具以及离体功能成像技术，揭示了PAM神经元与DPM神经元之间存在结构性连接，DPM神经元位于PAM神经元的下游，且二者之间的突触连接是抑制性突触连接的，进一步发现在DPM神经元中Dop1R1受体主导参与抑制功能（图1）。经过一系列的行为学检测，确定DPM神经元在LTM的记忆巩固过程中是必需的，并发现PAM神经元如在记忆巩固关键时间窗口短暂被激活，也可导致LTM受损。短暂的抑制DPM或者激活PAM均导致眠量减少且碎片化，觉醒阈值降低。这些结果表明这两类神经元都参与记忆巩固和睡眠的调控（图2）。研究团队为进一步鉴定参与睡眠和记忆巩固调控的PAM多巴胺能神经元的特异亚型，通过行为学检测，结合解剖学分析，发现PAM-α1神经元的短暂增强或减弱，睡眠时长减少且碎片化，LTM受损（图3）。接下来，结合果蝇全脑连接组学分析、离体功能钙成像、新型的捕捉定格神经元活动的工具CRTC，研究团队发现：PAM-α1神经元与DPM神经元之间形成抑制性的突触连接，且PAM-α1-DPM微环路在记忆形成时及记忆巩固关键时间窗口呈现出协同的神经活动变化（图4）。为确定这两种神经元是通过平行且独立的环路还是整合的环路实现对睡眠和长时记忆的调控，研究团队利用精致的遗传学方法，同时失活两类神经元，结果发现，在饥饿状态下，睡眠减少及碎片化的程度与单独失活其中一类神经元的程度相同，阐释了PAM-DPM微环路共调控睡眠和记忆的工作模型。最后，为了加固这一微环路通过协同作用导致睡眠干扰与记忆损伤的结论，研究团队采用了一种药理学方法，发现在喂食促眠的THIP（GABA激动剂）后，挽救了因短暂激活 PAM-α1所引起的睡眠紊乱，同时恢复了受损的长时记忆（图5）。在果蝇中，蘑菇体（MB）中高度反馈的神经环路在特异功能定位方面已经取得了显著进展。而在本研究中，研究团队揭示并鉴定了一个由两种类型的蘑菇体投射神经元所形成的抑制性微环路和一种特定的多巴胺能神经元亚型，通过影响睡眠的动态变化来介导长时记忆的稳定，为理解连接记忆巩固与睡眠的环路机制提供了新的见解。深圳先进院刘畅研究员为最后通讯作者，美国布兰迪斯大学Leslie C. Griffith教授以及汕头大学李凡教授为共同通讯作者，深圳先进院和南方医科大学深圳市妇幼保健院联培博士后颜琳为本文第一作者。该研究主要受到国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究项目等项目资助以及深港脑科学创新研究院的支持。文章上线截图图1. PAM多巴胺能神经元与DPM的结构和功能连接图2. 记忆巩固期抑制DPM神经元或者短暂激活PAM影响睡眠和记忆图3. 鉴定特异的多巴胺能神经元亚型PAM-α1图4. PAM-α1-DPM抑制性微环路及其动态协同变化图5. PAM-α1-DPM抑制性微环路桥接睡眠和记忆

2025-03-14

深圳先进院 | 生成式AI赋能脑机接口双模态信号采集新范式（IEEE TMI）

脑机接口（BCI）技术作为连接人脑与外部设备的重要桥梁，近年来在医疗、康复、智能家居等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统的BCI系统多依赖单一的EEG信号，其空间分辨率低且易受干扰，限制了其性能的进一步提升。为此，研究者们开始探索将EEG与fNIRS（功能性近红外光谱）相结合的双模态BCI系统，以期通过两种信号的互补优势，实现更高效、更准确的脑机交互。然而，同时记录EEG和fNIRS信号并非易事。由于两种传感器在头皮上的布局存在冲突，同时记录高质量的混合信号面临诸多挑战。脑机接口（BCI）技术作为连接人脑与外部设备的重要桥梁，近年来在医疗、康复、智能家居等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统的BCI系统多依赖单一的EEG信号，其空间分辨率低且易受干扰，限制了其性能的进一步提升。为此，研究者们开始探索将EEG与fNIRS（功能性近红外光谱）相结合的双模态BCI系统，以期通过两种信号的互补优势，实现更高效、更准确的脑机交互。然而，同时记录EEG和fNIRS信号并非易事。由于两种传感器在头皮上的布局存在冲突，同时记录高质量的混合信号面临诸多挑战。为突破这一瓶颈，中国科学院深圳先进技术研究院的王书强课题组提出了一种创新的解决方案——SCDM（Spatio-Temporal Controlled Diffusion Model），即时空控制扩散模型。该模型利用生成式AI技术，从EEG信号中生成fNIRS信号，从而实现双模态信号的采集。 2025年3月4日团队相关工作在IEEE Transactions on Medical Imaging发表了题为SCDM: Unified Representation Learning for EEG-to-fNIRS Cross-Modal Generation in MI-BCIs的研究成果，首次实现了基于生成式人工智能的EEG到fNIRS跨模态生成。SCDM模型的核心在于其两个关键模块：空间跨模态生成（SCG）模块和多尺度时序表示（MTR）模块。SCG模块通过改进的二维注意力机制，学习EEG和fNIRS信号的空间表示，并实现从EEG到fNIRS的准确映射。MTR模块则通过因果扩张卷积和深度可分离卷积，捕捉多样化的时序特征，同时减少空间特征的干扰，从而提高表示的准确性。研究团队通过对比真实fNIRS信号和合成fNIRS信号的分类性能，发现合成信号在多项指标上与真实信号相当，甚至在某些情况下表现更优。这表明，SCDM模型生成的fNIRS信号不仅在质量上接近真实信号，而且在实际应用中具有潜在的替代价值。此外，研究还发现，合成fNIRS信号在空间分布和时间特征上与真实信号高度一致。通过对比fNIRS通道与EEG通道的相关性，发现合成信号保留了与EEG信号的空间对应关系，这为双模态信号的融合提供了有力支持。 SCDM模型不仅解决了同时记录EEG和fNIRS信号的难题，还为未来BCI系统的性能提升提供了新的可能性。数字所研究生李逸升为第一作者，王怡珊研究员为共同作者，王书强研究员为论文通讯作者，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等科技项目资助。SCDM模型图合成fNIRS信号与真实fNIRS信号的血流动力学响应曲线对比

2025-03-10

深圳先进院 | 开发碳基纳米材料增强植物光合作用，加速纳米技术在农业领域应用（Communications Materials）

近期，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔团队联合上海交通大学教授杨琛团队，在国际期刊Communications Materials上发表题为“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，团队成功研发了一种以农业废弃物生物质为原料合成的碳基纳米材料——碳量子点（CDs），并将其用于增强植物的光合作用。光合作用是植物、藻类和蓝细菌利用太阳能将二氧化碳和水转化为氧气和有机物的过程，为地球上几乎所有生命提供了食物和能量。然而，传统的植物光合作用效率较低，通常不到1%，且植物的光合系统只能利用太阳光中的40%可见光，其中对蓝光和红光的吸收效率较高，但对绿光的吸收效率较低。随着全球气候变化和粮食需求的增加，提高光合作用效率成为科学研究的重要方向。为提升光合作用的效率，研究人员长期以来都致力于探索创新解决方案。近期，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔团队联合上海交通大学教授杨琛团队，在国际期刊Communications Materials上发表题为“Closed-loop enhancement of plant photosynthesis via biomass-derived carbon dots in biohybrids”的最新研究成果，团队成功研发了一种以农业废弃物生物质为原料合成的碳基纳米材料——碳量子点（CDs），并将其用于增强植物的光合作用（图1）。研究团队开发的功能化纳米碳量子点材料（CDs），不仅具备将植物无法吸收的紫外光、吸收效率低的绿光转换为红光（光谱转换器）的能力，还能够将吸收的光子激发产生电子，为光合电子传递链提供额外的电子（光电转化剂）（图1）。团队将这种新型农业生物质碳量子点直接添加至蓝藻液体培养基中或喷施在植物上，实验结果表明，蓝藻的二氧化碳固定率提高了2.4倍（图2），甘油的产量增加了2.2倍，而拟南芥的植物生物量则提高了1.8倍（图3），这一结果充分展示了碳量子点在提高光合效率和植物生长方面的巨大潜力。进一步地，研究通过技术经济分析显示，这种基于农业废弃生物质合成的碳量子点材料不仅表现出了出色的光能吸收利用能力，还具备了低成本和高生物相容性的优势，显示在未来农业生产和光驱生物制造领域的应用前景。该研究开发的新技术不仅能够提高光合作用效率，还能在改善植物生长的同时为环境保护作出贡献，为农业领域的创新提供潜在的解决思路。基于该技术申请的发明专利已进入成果转化，并在中国科学院深圳先进技术研究院成立转化中心，共同推动该技术在农业中的应用示范。另外，高翔团队基于该研究成果，已与多个团队开展进一步研究合作，初步实验显示，该纳米材料对浮萍、花生、玉米和大豆等农作物的生长具有不同程度的促进作用，目前正在计划开展户外大田实验。中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔和上海交通大学教授杨琛为本文通讯作者，上海分子植物卓越创新中心博士生程文波、深圳先进院助理研究员王雪云和研究助理胡海涛、云南大学博士生杨宇、南方科技大学硕士生余雪盟为共同第一作者。云南大学教授刘军钟、南方科技大学教授陈熹翰、哈尔滨工业大学教授（深圳）路璐和新加坡国立大学林艺良教授为本研究提供了重要帮助。该项研究得到了合成生物学重点研发计划、国家自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会等多家单位的资助。通讯作者简介：高翔实验室主要研究方向为材料合成生物学，聚焦生物-材料杂合体的设计与合成技术，通过将半导材料整合至生物体(微生物、植物等)，利用光电特性优异的材料捕获光能并传递至细胞内，为生物体提供额外能量来源，从而增强其光能驱动的代谢与合成能力，开发杂合体在农业、能源和环境等应用。研究成果发表在Nature Sustainability、Nature Chemistry、Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Science等期刊上。招聘信息：课题组现招聘有合成生物学、微生物学、电化学、光电催化、半导体材料等相关背景的博士后2名，开展微生物细胞工厂的设计与优化、纳米材料与细胞杂合以及利用光电技术驱动生物反应等技术的研究，欢迎对合成生物学与材料交叉领域感兴趣的同学前来咨询并加入我们的研究团队（联系邮箱：gaoxiang@siat.ac.cn）。文章上线截图图1：碳量子点材料的闭环生产系统在增强自然光合作用及农业与生物制造中的应用示意图图2：碳量子点材料提高了蓝细菌的光合作用效率图3：碳量子点材料提高了拟南芥的光合作用效率

2025-03-10

华南植物园在枸杞新品种选育取得重要进展

近日，国家林业和草原局公告（2024年第16号）公布了2024年第二批授予植物新品种权目录，由中国科学院华南植物园王瑛研究员领衔的枸杞种质创新研发团队申请的三个枸杞良种‘中科皇杞1号’‘中科鼎杞1号’和‘百瑞源1号’均获得国家植物新品种保护权。其中，‘中科鼎杞1号’、‘百瑞源1号’由中国科学院华南植物园联合宁夏百瑞源枸杞股份有限公司共同申报。‘中科鼎杞1号’是以果实成熟期集中，适宜机械采收为育种目标，从‘中科绿川1号’和‘蒙杞1号’的杂交后代中优选获得，该良种有望提升枸杞采摘效率，降低采收成本。‘百瑞源1号’是以培育市场流行的时尚枸杞产品锁鲜枸杞为育种目标，从‘中科绿川1号’组培苗变种产生，该品种不仅丰富了枸杞产品种类，还能满足消费者对高品质、新鲜枸杞产品的需求。此外，中国科学院华南植物园独立申报的‘中科皇杞1号’是以培育鲜食枸杞为育种目标，从‘中科绿川1号’和‘宁杞4号’的杂交后代中优选获得，该良种果实金黄、色泽鲜亮、个头饱满，鲜食时口感清甜多汁、无涩味，果肉细腻，咀嚼起来毫无渣感，这种绝佳的口感让其在鲜食水果领域具备强大竞争力。为枸杞产业开辟了全新的鲜食赛道，有力推动我国枸杞产业向多元化、高质量方向迈进，引领 21 世纪新水果发展的新风尚。三个枸杞良种均是在团队前期获批的首个国审枸杞新品种‘中科绿川1号’（国S-SC-AV-022-2011）基础上的创新研发，标志着以‘中科绿川1号’为基础的枸杞新品种选育进入2.0时代。图1. ‘中科鼎杞1号’（右）及其亲本 ‘中科绿川1号’（左）【名称】中科鼎杞1号【品种权号】20240761【品种权人】中国科学院华南植物园、百瑞源枸杞股份有限公司【培育人】王瑛、李重、曾少华、郝向峰、杨天顺、张金宏、龚海光、杨丽丽【核心特色】大部分枝条呈现有限生长方式，果实成熟期相对集中，适合机械化集中采收。图2. ‘中科皇杞1号’与传统制干品种‘宁杞1号’【名称】中科皇杞1号【品种权号】20240764【品种权人】中国科学院华南植物园【培育人】曾少华、王瑛、杨天顺、李重、胡伟明【核心特色】果大、黄色，果实清香味甜、无涩味，适合鲜食图3. ‘百瑞源1号’（左，四心室）及其亲本‘中科绿川1号’（右，两心室）【名称】百瑞源1号【品种权号】20240763【品种权人】百瑞源枸杞股份有限公司、中国科学院华南植物园【培育人】王瑛、李重、曾少华、郝向峰、杨天顺、张金宏、龚海光、杨丽丽、潘丽珠、郝向琴、郝万亮、马涛、陆文静【核心特色】果大、四心室，果肉厚，适合锁鲜枸杞

2025-03-17

深圳先进院 | 独创“原位接枝聚合”技术破解蛋白药物长效与免疫原性难题（Angew. Chem. Int. Ed.）

高尿酸血症是由于机体嘌呤代谢紊乱，导致其代谢终产物尿酸在血中异常蓄积而形成的慢性代谢性疾病。近年来，由于生活方式，饮食结构等变化，患者数量迅猛增加，在部分发达国家发病率高达30%~40%，而在我国部分省市成年男性人群中，高尿酸血症与痛风的合计患病率也已经高达25%~35%。高尿酸血症与痛风不仅是高血压、心脑血管疾病、慢性肾脏病与糖尿病的独立风险因素，痛风更是给患者造成了巨大的疼痛，严重影响患者生活质量。高尿酸血症是由于机体嘌呤代谢紊乱，导致其代谢终产物尿酸在血中异常蓄积而形成的慢性代谢性疾病。近年来，由于生活方式，饮食结构等变化，患者数量迅猛增加，在部分发达国家发病率高达30%~40%，而在我国部分省市成年男性人群中，高尿酸血症与痛风的合计患病率也已经高达25%~35%。高尿酸血症与痛风不仅是高血压、心脑血管疾病、慢性肾脏病与糖尿病的独立风险因素，痛风更是给患者造成了巨大的疼痛，严重影响患者生活质量。近年来，尿酸氧化酶（UOx）重组制剂成为高尿酸血症与痛风等疾病治疗的新方法。UOx是尿酸分解代谢的关键起始酶，在许多生物体内都有表达。然而在人类进化过程中，由于UOx基因的突变失活，导致人体无法像其他物种那样通过尿酸分解途径将尿酸代谢为水溶性更高的尿囊素。因此，通过补充外源性UOx来治疗高尿酸血症的酶替代疗法（ERT）应运而生。尿酸酶天然形式半衰期短且免疫原性强，现有的聚乙二醇化尿酸酶药物制剂（PEG-UOx，如Pegloticase）虽延长了药物半衰期，但仍存在明显的“加速血液清除”（ABC）效应，高达92%的患者会产生抗药抗体，42%产生抗PEG抗体，导致疗效下降甚至诱发严重过敏反应，使得该制剂临床应用受到极大限制。COVID-19大流行期间广泛使用的PEG化mRNA疫苗进一步加剧了人群对PEG的预存抗体问题，这使得PEG修饰类药物的临床应用面临严峻挑战，亟需开发新的蛋白药物修饰技术。2025年3月5日，北京大学吕华团队、中国科学院深圳先进技术研究院罗小舟团队、国家纳米科学中心杨雨荷团队在Angewandte Chemie International Edition上发表合作文章“Nanourchin-like Uricase-Poly(L-proline) Conjugate with Retained Enzymatic Activity, Mitigated Immunogenicity, and Sustained Efficacy Upon Repeated Administrations”，提出一种全新的蛋白药物修饰方法，为解决蛋白药物长效化与高免疫原性难题提供重要突破手段。研究团队通过独创的“原位接枝聚合”技术，将刚性聚脯氨酸（PLP）以高密度原位修饰于尿酸酶表面，形成具有纳米级“海胆”结构的尿酸氧化酶-聚脯氨酸偶联物（UOx-PLP）。其核心突破包括：1）高密度屏蔽效应：每个UOx亚基接枝13.8条聚脯氨酸链，形成致密保护层，有效掩盖免疫原性表位。2）优异稳定性：在高温、冻融、冻干以及蛋白酶环境中，聚脯氨酸偶联物UOx-PLP的稳定性显著优于传统PEG化药物。3）低免疫原性，无加速清除效应：在连续给药后，抗UOx抗体水平仅为天然UOx的1/250，抗PLP抗体几乎不可检测。而且在三次给药后，PEG-UOx半衰期缩短至首次的40%，而UOx-PLP药代动力学参数保持稳定。更重要的是，交叉给药实验表明对已产生高滴度抗UOx和抗PEG抗体的实验动物，UOx-PLP仍能维持较好的药代动力学，为PEG治疗失败的患者提供额外选择。针对高尿酸血症与痛风这一严峻的临床现状，研究团队构建了拟人化高尿酸血症小鼠动物模型进行了五次连续尿酸酶给药实验。实验结果显示，UOx-PLP组小鼠的血尿酸水平在给药后显著降低，并且五次给药后疗效无明显衰减，血尿酸水平仍低于治疗阈值；此外，UOx-PLP在小鼠体内的药代动力学特征稳定，半衰期较长，能够持续发挥降低尿酸的作用。相比之下，PEG-UOx组药物在第三次后即出现明显的疗效下降，且疗效下降与其血液中抗药抗体增加在时间上高度一致。这一实验结果不仅证明了UOx-PLP在治疗高尿酸血症方面的优越性，还为该新型蛋白修饰方法的临床应用提供了有力的支持。研究人员表示，UOx-PLP的成功开发为未来高尿酸血症和痛风的治疗提供了新的方向和思路。UOx-PLP的简单制备工艺（一步法，5分钟完成）、优异稳定性、安全性、低免疫原性、高酶活性为其临床转化奠定坚实基础。此外，该研究还为其他治疗性蛋白，尤其是酶类药物的开发提供了重要的参考和借鉴，有望推动ERT的快速发展。未来，研究团队将进一步优化UOx-PLP的制备工艺和性能，加快其临床转化进程，期待为患者带来福音。北京大学吕华教授、中国科学院深圳先进技术研究院罗小舟研究员、国家纳米科学中心杨雨荷研究员为本文共同通讯作者。北京大学博士研究生赵锐驰、中国科学院深圳先进技术研究院张洋铭助理研究员为论文的共同第一作者。该项研究成果获得国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、北京市自然科学基金重点项目、深圳市科技重大专项、中国科学院深圳先进技术研究院以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。图1 文章上线截图图2 “原位接枝聚合”技术示意图图3 UOx-PLP治疗高尿酸血症的优越性

2025-03-10

深圳先进院 | 科研团队在循环肿瘤细胞高效分离及药敏测试技术取得新进展（The Innovation）

检测循环肿瘤细胞有重要临床意义，然而，天然生理生化靶标的检测策略受限于样品的高度异质性影响，常伴随严重假阴性漏检、假阳性干扰，严重限制了相关研究的深入开展。针对这一问题，研究团队突破该瓶颈，发展了覆盖异质循环肿瘤细胞的精准无损分离策略，并开展探索下游药敏测试方面的应用。检测循环肿瘤细胞有重要临床意义，然而，天然生理生化靶标的检测策略受限于样品的高度异质性影响，常伴随严重假阴性漏检、假阳性干扰，严重限制了相关研究的深入开展。针对这一问题，研究团队突破该瓶颈，发展了覆盖异质循环肿瘤细胞的精准无损分离策略，并开展探索下游药敏测试方面的应用。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所王怀雨研究员团队在循环肿瘤细胞高效分离及药敏测试技术取得了最新研究进展，相关成果以"A phenotype-independent'label-capture-release' process for isolating viable circulating tumor cells in real-time drug susceptibility testing"（基于“标记-捕获-释放”步骤的泛癌种循环肿瘤细胞分离及其药敏性测试技术）为题发表于高水平综合期刊The Innovation。深圳先进院助理研究员劳智奇、任晓雪为论文第一作者，李伟高级工程师、王怀雨研究员为通讯作者。CTC是脱离肿瘤病灶、进入并存活于循环系统的肿瘤细胞，其出现是肿瘤扩散、转移的早期标志性事件。因此，CTC检测具有发现肿瘤转移、预后评估等多重临床意义。现有CTC检测主要基于天然生理生化靶标，存在对异质CTC覆盖不够、检测结果干扰严重、下游应用受限等不足。本文从肿瘤细胞普遍存在异常糖代谢出发，探索利用代谢糖标记(Metabolic glyco-labeling)在细胞表面构建均质靶标(neo-marker)来高度覆盖异质CTC，并针对该靶标开发基于生物正交反应和可逆反应的捕获和释放策略，在≥10种不同癌症中实现精准、无损分离异质CTC，并拓展建立基于痕量CTC的下游实时药敏测试策略。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、深圳市科技创新委员会等项目经费的资助。

2025-03-06

深圳先进院 | 利用生物质糖实现聚酰胺12的绿色合成（Metabolic Engineering）

人工合成的聚酰胺作为一类重要的工业材料，在汽车制造、输油管道、电子电器、运动器材及医疗等行业具有广泛应用，全球市场规模超过1000亿元人民币。中国作为全球最大的聚酰胺材料消费市场，年需求量达数百万吨。然而，合成聚酰胺12的核心化学单体长期以来被少数几家公司垄断，给企业带来较大的供应风险。此外，聚酰胺12的合成依赖于石油提取，且生产过程对环境污染较大，因此，开发更加绿色、可持续的聚酰胺12合成技术显得尤为必要。人工合成的聚酰胺作为一类重要的工业材料，在汽车制造、输油管道、电子电器、运动器材及医疗等行业具有广泛应用，全球市场规模超过1000亿元人民币。中国作为全球最大的聚酰胺材料消费市场，年需求量达数百万吨。然而，合成聚酰胺12的核心化学单体长期以来被少数几家公司垄断，给企业带来较大的供应风险。此外，聚酰胺12的合成依赖于石油提取，且生产过程对环境污染较大，因此，开发更加绿色、可持续的聚酰胺12合成技术显得尤为必要。近日，由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成生物化学研究中心的Howard H. Chou课题组在Metabolic Engineering期刊上发表了题为“Biosynthesis of 12-aminododecanoic acid from biomass sugars”的重要研究成果。生物合成聚酰胺12的化学单体12-氨基十二烷酸（ADDA）面临两大技术瓶颈：其一，中间体十二烷酸（DDA）对底盘细胞具有毒性；其二，过氧化副产物十二烷二酸（DDDA）的积累会降低产率且增加生产成本。本研究基于合成生物学原理，阐明了这两个技术瓶颈的机制，并开发了高产菌株。该项研究不仅深化了对DDA、ADDA和DDDA生物合成机理的理解，还为多种聚酰胺的绿色生产提供了新思路。生物合成ADDA的研究目前主要使用植物油作为原料，面临原料价格高、与食品生产形成资源竞争以及伴生的温室气体排放与生物多样性破坏等多种挑战。此外，生物合成ADDA的过程中会积累大量的DDDA，其合成机制至今尚不明确（Schrewe et al.,2013；Ladkau et al.,2016；Ahsan et al.,2018）。尽管已有研究利用葡萄糖合成了471.5 mg/L的ADDA，但DDA的细胞毒性问题仍限制了产量和产率的提升（Ge et al.，2025）。虽然生物合成ADDA为聚酰胺12的可持续生产提供了新范式，但要实现绿色合成，仍需解决原料选择、DDDA积累以及DDA细胞毒性等问题。解决DDA的细胞毒性问题DDA添加和硫酯酶（UcfatB）表达实验表明，DDA对在生长中的细胞具有毒性，并提示过度的UcfatB表达会导致细胞进入不利于合成DDA的状态。研究推测，利用群体感应表达（QSE）系统可能有助于调节UcfatB表达，从而促进DDA的合成。在细胞密度较低时，QSE系统可以在细胞较敏感的早期生长阶段将UcfatB表达维持在较低水平，避免细胞毒性，同时实现DDA的积累。随着细胞密度的增加，在敏感阶段过后再提高UcfatB表达，可以最大化DDA的产量。与组成型表达系统相比，使用QSE系统在不诱导细胞毒性的情况下提高了DDA的产量。通过结合烷烃转运蛋白（AlkL）与QSE系统，进一步优化了该系统的动态性能，提高了表达强度和均匀性，并且降低了背景表达水平。解决DDDA积累的问题在将DDA转化为ADDA的过程中，中间体12-氧代十二烷酸可能被不可逆地氧化为DDDA。过往研究证明，在大肠杆菌中敲除具有醛还原或氧化活性的酶可以提高芳香醛的积累（Kunjapur et al.，2014；Butler et al.，2023）。本研究通过敲除16个醛脱氢酶和还原酶，成功减少了DDDA的积累。利用葡萄糖和纤维二糖合成ADDA基于对DDA细胞毒性和DDDA合成机制的深入理解，研究人员对大肠杆菌进行了改造，使其能够将葡萄糖和纤维二糖转化为ADDA，同时减少DDDA的积累以及DDA对细胞生长的负面影响。在以纤维二糖为主要碳源的条件下，菌株M997实现了509 mg/L的ADDA产量。菌株M1001在15升发酵罐中达到了1035 mg/L，从糖到ADDA的转化率为5%，且未检测出DDDA的积累。为了实现从葡萄糖和纤维二糖合成ADDA的一步法发酵工艺，本研究阐明了生物合成ADDA的瓶颈问题机制，发现生长中的细胞对DDA积累速率比最终DDA浓度更为敏感，解析了对DDDA积累的关键基因。研究通过改善QSE系统的性能，更严格地调控酶的转录，显著提高了DDA和ADDA的合成效率。最后，开发的一步法生产ADDA工艺实现了迄今为止从糖合成ADDA的最高产量和产率，为未来更可持续地生产ADDA、聚酰胺12及其它聚酰胺产品提供了新的思路。中国科学院深圳先进技术研究院硕士毕业生高海鑫及研究助理方强为文章共同第一作者，正高级工程师Howard H. Chou为文章的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、中国自然科学基金、深圳合成生物学创新研究院以及深圳合成生物研究重大科技基础设施的支持。论文上线截图图 1.优化了QSE系统来精细控制DDA的合成。(a)OD600和DDA产量由组成型启动子或基于QSE系统表达UcfatB。(b)基于QSE系统在不同诱导剂浓度下的表达强度。(c)对携带基于QSE系统并表达mCherry的细胞进行流式细胞术分析。图 2. 解析DDDA合成的机制。（a）依次敲除7个醛脱氢酶，以及(b) 单独敲除9个醛氧化酶或还原酶对DDDA积累的影响。图 3. 高效从糖合成ADDA的菌株。(a) M631在表达与OsmY融合的β-葡萄糖苷酶（M997）并以纤维二糖为主要碳源。(b) M1001的发酵结果。

2025-03-05