科研进展--中国科学院广州分院

Nature Cell Biology｜从“浓度”到“时间”——深圳先进院重新理解细胞通讯的信息维度

细胞如何用同一种信号分子传递出截然不同的指令？这是信号转导领域一个长期未解的根本问题。长期以来，人们默认信息主要编码在分子的“浓度”之中——浓度的高低决定下游响应的强弱。然而，越来越多的证据显示，这一经典图景并不完整：在许多通路中，真正承载信息的，是信号分子活动随时间变化的“动态模式”。读懂这层被长期忽视的“时间维度”，正成为理解细胞决策的关键一环。6月30日，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/合成生物学研究所金帆团队联合中国科学院成都文献情报中心杨帅团队，在国际学术期刊《自然·细胞生物学》（Nature Cell Biology）发表题为"Why the temporal dimension matters in cellular signalling（为什么时间维度对细胞信号至关重要）"的评述文章。文章整合了团队此前关于“信道容量测量”与“第二信使网络解码”的两项研究，构建出一个可定量、可预测、可检验的统一框架，为细胞信号研究从“现象描述”迈向“定量预测”提供了新的视角，并据此论证了“时间编码”（temporal encoding）相较经典“浓度编码”的信息论优势。时间，被长期忽视的信息维度线索源自多种看似无关的信号系统。转录因子NF-κB既可在细胞核内外振荡进出，也可持续停留核内，分子完全相同，却激活不同的下游基因；p53在DNA损伤后，以反复脉冲导向修复，或以单次持续脉冲导向凋亡；酵母Crz1以随机脉冲入核，其频率（而非幅度）反映胞外钙浓度。此外，脉冲式ERK区分增殖与分化，HES1振荡维持神经前体，GnRH频率分别驱动LH与FSH，枯草杆菌σB以频率调制脉冲被激活……跨越细菌、真菌与动物细胞，一个普遍规律正在浮现：信号分子常常把信息编码在时间动态之中。这一“时间码”与经典的“浓度码”并行，并在很多情形下占据主导（图1）。从“现象”到“定量”：两项关键进展时间编码携带信息这一点虽已被认识多年，真正的转折在于它能否被精确地测量与预测。文章以两项进展为支点，说明这一领域正逐步建立坚实的定量物理基础。其一，团队首次测量了一条时间信号通路实际能携带多少信息。借助光遗传学与单细胞荧光读出，研究者在铜绿假单胞菌中隔离出cAMP通路，对信号实现精确的“写入”与“读出”，测得其信息容量约40比特/小时——而单个启动子读取静态浓度仅能分辨约1–2比特。换言之，时间动态把同一分子的信息通量提升了一个数量级以上。其二，团队进一步阐明了频率编码的信息如何被解码为差异化的基因表达。不同启动子各自充当一个“频率滤波器”，因此调节振荡频率，便可在上调一个基因表达的同时抑制另一个；据此引入频率调制，可使可分辨的多基因表达状态扩展约4倍，远超仅靠浓度调控所能企及的范围。这也解释了时间策略为何在演化中被反复采用：振幅调制下改变浓度会使所有靶基因同向移动、表达高度相关，而频率调制则让不同启动子各自响应不同频段，从而解耦表达（图2）。三个待解的核心问题在梳理已有进展之外，文章进一步提炼出三个关键问题，勾勒出该领域下一阶段的研究地图。一、启动子如何“读频”？面对同一个振荡信号，不同基因的响应各不相同，说明启动子本身就扮演着“分子频率滤波器”的角色——有的偏好缓慢持续的信号，有的只对特定频段敏感。要在单个基因座层面把染色质状态、转录因子结合动力学与滤波特性真正对应起来，仍需将单分子追踪与活细胞实时新生RNA成像相结合，这是一道重要的实验前沿。二、短暂、不规则的信号如何解码？现有研究多聚焦于周期性的稳态刺激，而自然界的信号往往短促、无规律。当细胞来不及经历足够多的振荡周期、无法可靠估计频率时，可能需要依赖信号变化率（导数）或自适应阈值等全然不同的策略——这一方向目前几近空白。三、时间编码在多细胞组织中如何运作？在组织中，细胞从不孤立发信，旁分泌通讯、机械耦合与共享的胞外微环境，使任一细胞经历的时间模式都被邻近细胞调制。时间编码与空间编码如何交互、空间平均能否在时间复用之外提供额外的噪声抑制，仍是发育与组织生物学的核心开放问题。“时间”可作一种工程化资源这些原理一旦厘清，便为合成生物学开辟了新的工程化路径。传统上独立调控n个目标基因需配置n对正交的转录因子–启动子，代谢负担随回路复杂度急剧攀升；而“时间复用”（temporal multiplexing）只需一个共享回路，通过改变脉冲频率或占空比，在连续的时间窗内编码不同指令，各目标基因依其启动子的频率响应“按需读取”。竞争同一前体的代谢通路还可被设计为反相或错峰运行，以避免资源争夺——这正是通信领域“时分复用”在生物学层面的映射。其治疗学意义同样值得关注：许多疾病的根源并非分子组分的得失，而是信号动态本身的紊乱（如p53脉冲改变关联肿瘤的差异化损伤响应、NF-κB振荡失调推动炎症慢性化）。据此，或可发展“调律式”治疗——通过药理学手段微调振荡频率或占空比以恢复生理性动态，而非笼统地抑制或激活整条通路。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/合成生物学研究所研究员金帆为本文通讯作者，中国科学院成都文献情报中心副研究员杨帅为第一作者。本工作获得国家重点研发计划、中国科学院先导专项、中国科学院文献情报领域优秀人才项目以及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。原文链接文章上线截图图1 跨物种信号传导的时间编码图2 时间编码的定量框架

2026-07-06

深圳先进院揭示TRPC4/TRPC5是超声神经调控关键分子

无创超声神经调控作为一种非侵入性神经调控技术，近年已在疼痛、运动障碍及精神疾病干预中展现出应用潜力，然而其作用于神经元的分子靶点和信号通路长期未获明确解析。6月30日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士团队等联合浙江大学李相尧教授团队，在Nature Communications在线发表题为"TRPC4/TRPC5 are critical for neuronal modulation by transcranial focused ultrasound in retrosplenial cortex in male mice"的研究论文。该工作系统阐明了TRPC4和TRPC5离子通道在小鼠压后皮层介导tFUS诱导的镇痛效应中的核心作用，为超声神经调控的临床转化提供了关键分子靶点。该研究首次将tFUS的分子机制锚定于TRPC4/TRPC5异源复合体，揭示了其通过介导钙内流、促进Egr1表达并抑制神经元持续放电来实现镇痛效应的新型工作模式。这一突破为非侵入性超声镇痛技术的参数优化和靶向药物联用策略提供了直接的理论依据。该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030—重大项目、中国科学院先导专项等多个国家级项目的支持。论文共同第一作者为浙江大学吴成、尤杰和盛涛博士，共同通讯作者为医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、邱维宝研究员和浙江大学李相尧教授。随着人口老龄化和慢性疼痛患者数量的持续增长，非侵入性、无药物依赖的镇痛手段需求日益迫切。该研究不仅为理解超声如何“对话”神经元提供了分子层面的答案，更为未来基于超声的慢性疼痛临床治疗开辟了全新的路径。Trpc4 是 tFUS（经颅聚焦超声）激活细胞中的一个关键基因

2026-07-06

Neuron | 深圳先进院揭示大脑血管衰老早期的重要机制

7月1日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所副研究员方程、马寅仲联合吉林大学第一医院、哈尔滨医科大学附属第四医院、南方医科大学南方医院、北京大学深圳医院等单位在《神经元》发表最新研究。研究团队发现，大脑衰老早期与大脑和血液之间的“防线”——血脑屏障的逐渐失守有关，揭示了推动血脑屏障渗漏和大脑认知功能下降的关键信号分子Mfsd2a以及相关调控机制，为探索大脑衰老研究和延缓认知功能下降带来新思路。深圳先进院为该研究第一单位。随着年龄增长，很多人会感到记忆力下降、反应变慢，甚至更容易受到脑小血管病、认知障碍等疾病困扰。长期以来，科学界在追问一个重要问题：大脑衰老究竟是从哪里开始的？7月1日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所副研究员方程、马寅仲联合吉林大学第一医院、哈尔滨医科大学附属第四医院、南方医科大学南方医院、北京大学深圳医院等单位在《神经元》发表最新研究。研究团队发现，大脑衰老早期与大脑和血液之间的“防线”——血脑屏障的逐渐失守有关，揭示了推动血脑屏障渗漏和大脑认知功能下降的关键信号分子Mfsd2a以及相关调控机制，为探索大脑衰老研究和延缓认知功能下降带来新思路。深圳先进院为该研究第一单位。在中年阶段，大脑“防线”已悄然松动在大脑与血液之间，有一道精密的“防线”——血脑屏障。它像一套严格的安检系统，控制哪些物质可以进入大脑，哪些潜在有害物质必须被挡在外面。然而，在衰老过程中，这道屏障会逐渐变得不再严密。血液中的蛋白、炎症因子和其他有害分子一旦进入脑组织，可能引发神经炎症、脑血管损伤和认知功能下降。过去，人们普遍认为，血脑屏障破坏主要是因为内皮细胞之间的紧密连接受损，相当于“墙缝变大了”。然而，研究团队在不同年龄阶段小鼠中系统观察血脑屏障通透性变化后发现，血脑屏障渗漏并非只发生在小鼠的极老年阶段，而是在中年阶段就已经出现，并且随着年龄增长逐渐加重。更值得注意的是，这种早期渗漏首先在海马体等与学习记忆密切相关的脑区出现。 “这提示我们，衰老大脑的屏障功能下降可能比想象中更早发生。”论文共同第一作者方程介绍，如果能够识别这一早期变化，就有可能为延缓脑衰老和认知功能下降找到更早的干预窗口。为了进一步弄清血脑屏障早期渗漏的原因，研究团队重点比较了两条可能的通路：一条是细胞间通路，也就是传统意义上的紧密连接破坏；另一条是跨细胞通路，即物质通过内皮细胞内部的囊泡运输穿过血管壁。他们发现，在衰老早期，血脑屏障虽然已经出现渗漏，但内皮细胞之间的紧密连接结构总体仍然保持完整。真正较早发生变化的是脑血管内皮细胞内的“货运通道”——小窝蛋白相关转胞吞显著增强，也被称之为转胞吞。 “第一种紧密连接破坏的细胞通路主要出现在小鼠的更高龄阶段，而早期血脑屏障渗漏主要由内皮小窝样转胞吞增强驱动。”论文共同第一作者马寅仲表示，这意味着，衰老早期的血脑屏障并不是简单地“墙裂了”，而更像是血管内皮细胞内部原本受控的“货运通道”被异常打开，使血液中的大分子物质更容易穿过血管壁进入脑组织。血脑屏障“安检”失灵的关键因子那么，是什么让这些异常的运输通道被打开？研究团队发现，脑血管内皮细胞中的 Mfsd2a是维持低水平转胞吞的重要分子。它不仅参与DHA等脂质进入脑内，还能够抑制非特异性囊泡运输。在衰老过程中，Mfsd2a逐渐下降，而小窝蛋白 Caveolin-1（Cav-1）相关囊泡运输增强。为了验证这一机制，当研究人员通过腺相关病毒在老年小鼠脑血管内皮细胞中恢复Mfsd2a表达，或降低Cav-1表达后，异常转胞吞减少，血脑屏障渗漏得到明显缓解。“这说明，Mfsd2a下降并不只是血管衰老的一个伴随现象，而是推动血脑屏障早期渗漏的重要原因。”马寅仲解释。那么，为什么Mfsd2a会在衰老过程中下降？通过筛选多种可能影响血脑屏障功能的分泌因子，研究人员发现，一种名为TGF-β1的细胞因子能够显著抑制脑血管内皮细胞中Mfsd2a的表达，它在发育、修复、炎症和衰老过程中发挥重要作用。研究发现，随着年龄增长，脑内和血液循环中的TGF-β1水平均升高。机制研究显示，TGF-β1通过激活脑血管内皮细胞中的 Tgfbr2–Smad2/3/4信号通路，直接抑制Mfsd2a的转录，从而促进小窝样囊泡形成和非特异性物质跨细胞转运。研究结果表明，在年轻小鼠中升高脑内或循环TGF-β1水平，发现年轻小鼠也会出现类似衰老血脑屏障的变化，包括Mfsd2a下降、脑血管内皮转胞吞增强以及血脑屏障渗漏增加。相反，在老年小鼠中，特异性敲除脑血管内皮细胞的Tgfbr2，或使用TGF-β受体抑制剂进行短期干预，则可以恢复Mfsd2a表达，减少异常转胞吞，改善血脑屏障完整性，甚至改善部分神经行为表现。为延缓脑衰老提供新思路该研究提出，衰老相关血脑屏障破坏并不是单纯的结构老化，而是由全身性衰老信号、脑血管内皮功能改变和神经血管单元微环境重塑共同推动的过程。其中，过度升高的TGF-β1通过抑制Mfsd2a，使原本受到严格限制的脑血管内皮转胞吞通路异常增强，进一步推动衰老早期血脑屏障渗漏。 “这一发现为理解衰老相关认知功能下降、脑小血管病和血管性认知障碍提供了新的机制解释。”马寅仲指出，该研究将系统性衰老信号、神经血管完整性和认知功能下降联系起来，对脑小血管病和血管性认知障碍等以血脑屏障渗漏为重要病理特征的疾病具有直接启示意义。未来，研究人员将进一步围绕TGF-β1信号调控、Mfsd2a功能恢复以及脑血管内皮转胞吞抑制等方向开展研究，以探索保护衰老脑血管功能、延缓认知功能下降的新策略。论文链接研究揭示，衰老过程中脑血管内皮细胞“运输通道”异常打开，导致血脑屏障渗漏，推动脑血管功能衰退。研究团队供图

2026-07-03

南海海洋所 | 研究揭示孟加拉湾次表层海洋热浪偶极型特征及驱动机制

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋动力热力过程及其环境效应研究团队在孟加拉湾次表层海洋热浪年际特征及驱动机制研究方面取得新进展。相关研究成果以 “Dipole variability of subsurface marine heatwaves in the Bay of Bengal”为题，发表在Climate Dynamics上。该论文的第一作者为副研究员张莹，通讯作者为研究员杜岩，合作者包括自然资源部第三研究所研究员邱云和副研究员林新宇。海洋热浪是发生在海洋中的异常增暖事件，海洋热浪持续时间可达数月，覆盖范围可至数千平方公里，影响深度可达数百至数千米。海洋热浪会影响大气环流及降水分布，从而引发洪涝、干旱和野火等极端天气事件；还会导致海洋生物死亡、渔业减产和物种迁移，进而破坏海洋生态系统多样性和稳定性。以往研究主要关注发生在海洋表层的海洋热浪，而海洋次表层的海洋热浪由于缺乏长期观测，其形成机制仍然知之甚少。研究团队基于高分辨率全球海洋再分析数据 GLORYS12V1，探究了1993年至2024年期间孟加拉湾跃层附近次表层海洋热浪的年际变化特征及形成机制。研究发现，孟加拉湾次表层海洋热浪在100米深度达到最强，且其空间分布与表层热浪显著不同。在年际尺度上，次表层海洋热浪对厄尔尼诺–南方涛动（ENSO）和印度洋偶极子（IOD）的响应呈现显著的东西偶极型分布，其中东部海域受影响范围更广，而西部海域相对较小。进一步研究表明，在正IOD事件的发展和成熟阶段，孟加拉湾西部的反气旋中尺度涡旋使局地温跃层加深，有利于该区域次表层海洋热浪的生成，这与孟加拉湾上空异常反气旋风场和海洋环流异常有关。与此同时，赤道东风异常驱动上升式开尔文波，其向东传播至孟加拉湾东部，使温跃层变浅、次表层降温，从而大范围抑制了该海域次表层海洋热浪的形成。不同的是，ENSO在发展阶段对孟加拉湾次表层海洋热浪的直接影响有限，可能通过触发IOD产生间接强迫。ENSO的直接影响在成熟阶段显现，并在衰减阶段达到峰值。该研究揭示了次表层海洋热浪对ENSO和IOD不一致的空间响应机制，为理解热带印度洋海洋极端事件及其气候响应提供了新的科学认识。图1 孟加拉湾次表层海洋热浪总天数对DMI和NINO3.4指数的超前滞后响应该研究获得国家自然科学基金、广东省重大人才工程项目和福建省海洋物理与地质过程重点实验室开放基金的联合资助。论文信息：Zhang, Y., Du, Y., Lin, X., & Qiu, Y. (2026). Dipole variability of subsurface marine heatwaves in the Bay of Bengal. Climate Dynamics, 64: 262.原文链接：https://doi.org/10.1007/s00382-026-08218-9

2026-06-25

南海海洋所 | 研究构建近海复杂水体中颗粒有机碳的自适应光学反演新算法

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋智能探测与大数据技术应用研究团队在近岸复杂水体中颗粒有机碳（POC）的光学反演研究取得新进展。相关研究成果以“An adaptive hybrid algorithm for retrieving particulate organic carbon in complex coastal waters”为题，发表在地球科学一区TOP期刊International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation上。颗粒有机碳（POC）是海洋有机碳库中最活跃的组分,也是认识近海区域碳循环过程的关键参数。然而，受陆源输入、沿岸上升流等多重过程影响，近海水体颗粒物来源复杂、组成多变，现有POC光学反演算法大多建立于开阔大洋观测数据，在复杂的近海环境中适用性仍有待提高，进而限制了POC垂向精细剖面的准确刻画。研究团队基于广东及海南岛东部夏季近海的观测数据集（图1），研究分析了近海不同水体类型中POC与光学参数间关系存在的差异性，将水体分类、光学敏感特征筛选和分类型模型优化相结合，构建了颗粒有机碳的自适应光学反演算法（AHA-POC）（图2）。独立验证结果表明，该算法决定系数R²达0.79，均方根误差RMSE为0.071 mg/L，平均绝对百分比误差MAPE为32.38% ，表现出良好的稳定性。与已报道的代表性算法（包括单变量经验模型、单一阈值分类和全局机器学习模型）进行对比，结果表明，AHA-POC算法在近海复杂水体环境，尤其在高浑浊、高吸收等水体类型的反演精度提升最为明显；表明先分型再反演的自适应方法能够有效降低不同水体类型间生物-光学关系差异带来的误差累积。进一步结合高分辨率原位光学剖面观测数据，实现了1 m垂向分辨率POC连续剖面重构（图3），精细刻画了珠江冲淡水影响下POC垂向结构特征，揭示了传统离散采样难以识别的精细尺度变化。该研究为近海碳库连续精细化研究提供了新的光学估算方法和重要数据支撑。图1 研究区域与采样站位分布图图2 近海颗粒有机碳的自适应光学反演算法（AHA-POC）框架图图3 珠江口POC高分辨率垂向断面分布该研究成果的第一作者为博士研究生周涛，通讯作者为研究员周雯，合作者包括中国科学院南海海洋研究所研究员李彩、研究员许占堂、广州大学教授杨现坤以及南方科技大学硕士研究生谢伟浪。该研究获得国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和广州市南沙区科技计划项目等联合资助。论文信息：Zhou Tao, Zhou Wen*, Xie Weilang, Li Cai, Xu Zhantang, & Yang Xiankun (2026). An adaptive hybrid algorithm for retrieving particulate organic carbon in complex coastal waters. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 151, 105413.原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jag.2026.105413.

2026-06-25

南海海洋所 | 研究揭示夏季风驱动下索马里沿岸涡动能量延迟增长机制

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室海洋动力热力过程及其环境效应研究团队在阿拉伯海索马里沿岸涡旋能量演变机制研究方面取得重要进展。研究发现，索马里沿岸大涡旋区域的涡动动能并不会随着夏季风达到峰值而同步增强，而是表现出约55天的显著滞后响应。这种延迟并非由风场直接控制，而是由海洋内部能量转换过程主导。相关成果以“Delayed response of eddy kinetic energy build-up off Somali coast during summer monsoon”为题发表在国际气候学期刊Climate Dynamics上。论文第一作者为博士研究生林俊澍，副研究员王闵杨和研究员杜岩为共同通讯作者。上海交通大学博士后戴零星、日本海洋研究开发机构Hideharu Sasaki参与了本研究。阿拉伯海位于印度洋西北部，是全球季风活动最强烈的海域之一。每年夏季，强盛的西南季风驱动索马里洋流向北发展，并在索马里沿岸形成北印度洋最强的反气旋涡--Great Whirl。该涡旋不仅是区域海洋环流的重要组成部分，还对海洋热量输运、生物地球化学过程以及海气相互作用产生重要影响。以往研究主要关注大涡旋的形成机制及其年际变化特征，但对于涡动能量如何积累、维持以及响应季风强迫的具体过程仍缺乏系统认识。研究团队结合卫星高度计观测资料和1/10°高分辨率海洋模式（OFES2）模拟数据，对索马里沿岸区域夏季风爆发后的能量收支过程进行了系统分析后发现，尽管西南季风在季风爆发后约两个月达到峰值，但区域涡动动能峰值却滞后约55天出现（图1）。进一步的能量诊断表明，这种显著延迟主要来源于海洋内部的能量转换过程，而非直接风能输入。图1 夏季风爆发后季风指数和涡动能的时空分布在季风初期，风应力做功为海洋提供持续的机械能输入，促进索马里洋流迅速增强。随着洋流发展，其平均流与涡旋之间的相互作用逐渐加强，正压不稳定能量转换持续增强，并最终成为涡动能增长的主要来源。即使在季风强度开始减弱之后，平均流仍能持续向涡旋输送能量（图2），从而维持大涡旋区域较高水平的涡动能，并导致EKE峰值明显滞后于季风峰值。图2 夏季风爆发后涡动能收支项的变化进一步分解分析发现，正压能量转换主要受索马里洋流拉伸效应控制，反映出平均流非线性过程在能量传递中的关键作用。与此同时，由沿岸上升流及涡旋活动共同作用形成的斜压不稳定过程也持续向涡旋提供能量补充。研究还发现，大涡旋和南部环流系统形成的冷水舌结构能够增强位能向动能的转换，为区域中尺度活动提供额外能量来源。该研究获得国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、广东省自然科学基金等项目联合资助。论文信息：Lin, J., Wang, M.*, Dai, L., Hideharu, S., Du, Y.*. Delayed response of eddy kinetic energy build-up off Somali coast during summer monsoon. Climate Dynamics, 64, 278 (2026).原文链接：https://doi.org/10.1007/s00382-026-08196-y

2026-06-25

深圳先进院 | 定量合成生物学全国重点实验室开发基因编辑工具STIB：基于CRISPR转座酶实现肠道拟杆菌高效精准编辑

2026年6月29日，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/合成生物学研究所戴磊团队联合原深圳先进院赵维团队在Cell Systems上发表题为"Targeted genomic editing of human gut Bacteroides species based on CRISPR-associated transposases"的研究成果。团队基于CRISPR相关转座酶开发了新型基因编辑系统STIB，在人体肠道拟杆菌中实现了高效、精准、不依赖同源重组的基因组编辑。拟杆菌（Bacteroides）是人类肠道微生物组的基石菌种，广泛参与宿主免疫调节、营养代谢以及微生物间的相互作用，与人体健康密切相关。然而，拟杆菌仍然缺乏高效的大片段遗传操作工具，依赖同源重组的基因编辑方法在拟杆菌中效率低且操作繁琐，制约了针对肠道微生物的功能研究和产业应用。2026年6月29日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所戴磊团队联合原深圳先进院赵维（现上海交通大学）团队在Cell Systems上发表题为"Targeted genomic editing of human gut Bacteroides species based on CRISPR-associated transposases"的研究成果。团队基于CRISPR相关转座酶开发了新型基因编辑系统STIB，在人体肠道拟杆菌中实现了高效、精准、不依赖同源重组的基因组编辑。01 STIB系统的工作原理与优势新型基因编辑系统STIB的全称为ShCAST-based Transient Insertion system for Bacteroides。STIB系统基于CRISPR相关转座酶Type V-K CAST系统（ShCAST），与依赖细胞内源同源重组修复能力的传统CRISPR-Cas系统不同，STIB利用RNA引导的转座酶复合物，直接将外源DNA片段“写入”靶位点。这种机制使其在同源重组效率低的菌株中也有较大的应用潜力。为提升系统性能，研究团队进行了多项优化：（1）将切刻型归巢内切核酸酶nAniI与转座酶TnsB融合（HELIX结构），使质粒共整合率从99.5%大幅降至8.1%；（2）将TnsC与Cas12k融合表达，将编辑特异性提升至97%以上；（3）采用非复制型瞬时编辑载体，无需诱导表达和质粒消除，仅需4天即可完成一轮基因插入。两轮连续编辑仅需一周，约为传统方法所需时间的三分之一。在多形拟杆菌（B. thetaiotaomicron）的10个不同基因组位点中，STIB系统的编辑效率介于29%至91%之间。该方法在卵形拟杆菌（B. ovatus）、萨利尔斯拟杆菌（B. salyersiae）、普通拟杆菌（B. vulgatus）等多种拟杆菌中也同样有效。团队还利用16S rDNA通用靶点，实现了跨拟杆菌物种的通用编辑。大片段插入能力是STIB系统的另一优势：2.5 kb、5.5 kb和8.4 kb的外源基因片段均实现了超过85%的编辑效率。团队进一步将8.4 kb的菊粉利用基因簇导入多形拟杆菌基因组，改造后的菌株能够在菊粉培养基中显著生长，在种群中获得生长优势。02 在复杂菌群中实现针对特定物种的基因编辑原位微生物组工程（in situ microbiome engineering）指无需经过传统的“分离培养→体外改造”流程，直接在原始复杂菌群环境中对目标微生物进行遗传改造。这一策略绕过了肠道微生物难以体外培养、工程菌回输后定植困难等核心瓶颈，同时为在原生环境中解析微生物功能并实施工程改造开辟了新途径。不过，菌群体系高度复杂，在其中对特定物种实现精准编辑，仍是原位微生物组工程的一项核心挑战。为验证STIB在复杂环境中的编辑能力，研究团队构建了一个由40种人源肠道菌组成的合成微生物群落。在这种复杂体系中，STIB依然实现了高度特异性的基因编辑，并选择性富集了靶标物种：多形拟杆菌的占比从0.3%升至98%，卵形拟杆菌从0.9%升至86%，普通拟杆菌从0.3%升至69%。宏基因组测序确认，所有插入事件均发生在预期靶位点，插入位置精确集中在PAM下游56至63 bp的窗口内。综上所述，STIB系统不依赖同源重组，兼容大片段插入，操作流程简便高效，作为适用于多种拟杆菌的通用型基因组插入工具，它为非模式肠道微生物的功能研究与改造提供了关键的合成生物学技术。该技术在复杂肠道微生物群落中展现出的精准编辑能力，为原位微生物组工程这一前沿研究领域提供了重要的概念性验证，未来有望发展为微生物组因果机制解析与理性设计的通用使能平台，加速下一代活体生物治疗药物的开发。深圳先进院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所戴磊研究员和原深圳先进院赵维研究员（现上海交通大学）为本文共同通讯作者。深圳先进院博士生胡玉灿、已出站博士后李清梅为论文共同第一作者。复旦大学生命科学学院/中国科学院上海营养与健康研究所赵国屏院士为本研究提供了重要指导；深圳先进院李莹莹、曾钰、郑灵刚、沈俊涛和山东大学高翔教授对本研究的提供了重要支持。深圳先进院为第一完成单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、微生物改造技术全国重点实验室开放课题基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。原文链接文章上线截图图1. 拟杆菌新型基因编辑工具STIB的构建与优化图2. STIB系统的全面表征图3. 功能验证与代谢工程应用图4. 复杂肠道菌群中的物种与位点特异性编辑

2026-07-01

深圳先进院 | 定量合成生物学全国重点实验室创制新型非天然荧光开启核苷赋能核酸标记与信息存储

6月25日，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/合成生物学研究所副研究员梅辉团队与成都医学院副教授明新团队、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/华中农业大学教授黄小罗团队合作，在国际学术期刊Nucleic Acids Research发表题为"A turn-on fluorescent nucleoside enabling sequence-insensitive DNA labeling"的重要研究成果。团队成功开发出首个兼具“开启式”荧光响应、序列不敏感性和酶促反应兼容性的新型荧光核苷工具——TzdU，为核酸动态研究、荧光检测及信息存储等技术开辟了全新路径。在合成生物学与核酸信息存储等前沿方向中，实现低背景、高信噪比的DNA标记与实时监测，一直是分子工具开发的核心目标。荧光核苷类似物（FBA）的快速发展正在为这一目标提供新的化学空间与功能可能性，也有望为人工合成生命体系中遗传物质的可视化与信息编码带来新的机遇。荧光核苷类似物作为研究核酸结构与动力学、实现核酸动态监测的核心分子工具，却长期受困于一项难题——绝大多数FBAs在掺入DNA后都会遭受严重的荧光淬灭，尤其当相邻碱基为鸟嘌呤（G）时，光诱导电子转移会导致其荧光大幅下降甚至严重淬灭乃至完全“沉默”。这一序列依赖性问题严重阻碍了在复杂生物体系中进行精准、无损、序列普适的核酸标记与示踪。真正“开启型（turn-on）”的荧光核苷极为罕见：已知FBAs大多要么本底荧光较强（背景高），要么掺入后越变越暗，难以实现“原本不发光、掺入后变亮”的理想特性，极大限制了在人工遗传系统中实现低背景、高信噪比分子报告与信息编码的可能性。6月25日，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/合成生物学研究所副研究员梅辉团队与成都医学院副教授明新团队、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/华中农业大学教授黄小罗团队合作，在国际学术期刊Nucleic Acids Research发表题为"A turn-on fluorescent nucleoside enabling sequence-insensitive DNA labeling"的重要研究成果。团队成功开发出首个兼具“开启式”荧光响应、序列不敏感性和酶促反应兼容性的新型荧光核苷工具——TzdU，为核酸动态研究、荧光检测及信息存储等技术开辟了全新路径。在该研究中，团队基于前期对噻唑基尿嘧啶核苷类似物的研究，设计并合成了新型噻唑基-dU类似物TzdU。该化合物在水溶液中几乎不发光（Φ = 0.005），但掺入DNA后荧光开启：在单链DNA中增强约10倍，双链DNA中增强高达50倍。同时，TzdU的开启亮度几乎不受相邻碱基种类的影响，即使两侧均为G、通常易引发淬灭的碱基环境中，仍能保持稳定发光（Φem = 0.05–0.08），这在已知的开启型荧光核苷中极为罕见。团队通过系统的溶剂效应、pH滴定、氘代水同位素效应及粘度实验，并结合密度泛函理论计算，深入阐明了TzdU的荧光开启机制：发光增强源于掺入DNA后规避了水溶剂淬灭和激发态质子转移两条主要的非辐射失活途径；而抵抗G淬灭的能力，则归因于噻吩修饰将HOMO能级提升至鸟嘌呤氧化电位之上，有效阻断光诱导电子转移。这一双机制协同作用为下一代开启型荧光核苷的理性设计提供了清晰的理论框架。值得一提的是，TzdU的三磷酸形式可被多种DNA聚合酶高效识别和掺入，可实现对PCR和引物延伸反应的实时、免标记监测。研究团队介绍，TzdU是首个兼具高环境响应、序列不敏感和酶促兼容性的内在型荧光开启型核苷，填补了该领域的空白。值得关注的是，TzdU独特的梯度荧光响应特性使其在DNA数据存储与分子信息加密领域展现出应用潜力。团队利用荧光强度随TzdU掺入数量呈线性增加的特性，成功实现了基于荧光强度的“2025”数字图案和面部图像的分子级显示，首次实现了基于梯度荧光响应的DNA分子级图案显示。在信息加密方面，团队构建了一套双层DNA加密系统：将经典诗词等信息通过算法加密生成数字密钥，利用TzdU的梯度荧光响应，将密钥编码为特定荧光强度信号存储于DNA中；而密文则通过DNA序列编码并克隆至质粒稳定传代。解密时需同时获取荧光密钥和序列密文，由此实现了“荧光+序列”的双因子认证机制。面向合成生命创制对遗传物质功能化、可编程的重大需求，该非天然核酸研究成功开发了首个兼具环境响应、序列不敏感和酶促兼容性的荧光核苷工具TzdU，并在此基础上初步探索了DNA荧光显示与分子加密两大创新应用。这不仅为合成生物学与核酸信息存储等方向提供了全新的分子工具，更开创了将荧光核苷从传统“观察工具”升级为“信息载体”的新范式，有望推动合成生物学与信息技术的深度融合，为DNA数据存储、分子加密等前沿领域提供重要的技术支撑。作为XNA研究的重要突破，该成果进一步拓展了新型非天然核酸分子在人工合成遗传系统中的应用边界，为设计“可编程、可报告、可存储”的下一代合成生命分子系统提供了新思路。本研究由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/合成生物学研究所副研究员梅辉、成都医学院副教授明新及中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/华中农业大学教授黄小罗共同通讯完成。南京大学博士生李劲思（原中国科学院深圳先进技术研究院研究助理）、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所助理研究员代子文为论文共同第一作者。许佳欣博士、研究助理何雷亦对本研究作出了重要贡献。本工作得到了科技部重点研发计划、深圳市科技计划及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。文章链接文章上线截图图1. TzdU在DNA中的荧光特性图2. TzdU用于可视化DNA数据加密及信息存储示意图

2026-07-01

Research | 深圳先进院提出面向肺癌的两阶段 TNM可问责的报告自动生成技术

近日，中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室胡战利研究员等，联合广东省人民医院姜磊主任团队、哈尔滨工程大学姚晓辉教授团队，在全身 PET/CT 报告自动生成领域取得重要进展。近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室胡战利研究员等，联合广东省人民医院姜磊主任团队、哈尔滨工程大学姚晓辉教授团队，在全身 PET/CT 报告自动生成领域取得重要进展。研究团队提出了面向肺癌的两阶段、TNM可问责的报告自动生成技术。在生成流畅报告草稿的同时，将原发肿瘤、淋巴结及远处转移等分期关键结论关联到显式、可检视的疾病分类标签与文本证据之上，使医生能够快速核验其中的高风险陈述，从而减轻医生PET/CT 判读负担，为可信 AI 报告系统的临床落地提供了可行路径。相关成果以"TNM-accountable Whole-body 3D FDG PET/CT report drafting in lung cancer cohorts via structured impressions and organ-wise exemplar synthesis"为题，发表在知名期刊Research（IF=12.9）上。全身 PET/CT 可同时提供病灶的代谢与解剖信息，是肺癌诊断与分期的核心手段。TNM 分期直接决定治疗策略与预后：肺癌患者的 5 年生存率从 I 期的 70% 以上降至 IV 期的不足 10%。然而，PET/CT 报告的撰写负担沉重，医生需逐层判读覆盖全身的三维容积图像，将每一处异常摄取与对应解剖结构精确匹配，并形成包含病灶大小、SUVmax 等定量指标的专业报告。针对上述问题，研究团队提出两阶段 RIDE 框架（图 1）。该方法的核心思想是：将“准确且可核验的内容”与“完整叙述的生成”相解耦。第一阶段由双通道三维编码器分别从 PET 与 CT 学习融合的代谢-解剖表征，快速生成面向 TNM 的结构化印象，以清单形式显式列出原发灶的肺叶定位、形态、摄取分级、SUVmax 与大小分级，以及淋巴结与转移的分期关键证据。第二阶段以该结构化印象作为指导，自去标识化的范例库中按器官分层检索相似报告片段，约束大语言模型仅依据结构化印象与检索证据合成完整报告（图2）。其中，分期关键陈述设为硬约束；对证据不充分之处，则采用留有余地的审慎表述，避免缺乏依据的臆测性描述。为了系统验证泛化能力，研究团队构建了多中心数据集，涵盖三家医院共 1583 名疑似或确诊肺癌患者，每例均包含完整的全身 PET/CT 影像与对应报告。研究结果显示，在包含外部数据的多中心测试集上，RIDE 取得最优的整体报告生成性能，常规语言指标全面领先，BLEU-4 提升约 17%。同时，研究团队提出临床报告能力矩阵，从代谢检出、病灶定位和恶性分类三个维度量化临床准确性。未来，研究团队将开展前瞻性多读者研究，评估真实工作流中的整合、交互与安全性，并探索将该框架推广至其他病种。深圳先进院胡战利研究员、广东省人民医院姜磊主任和哈尔滨工程大学姚晓辉教授为论文共同通讯作者。深圳先进院客座硕士生王航、谢行雨副研究员和广东省人民医院刘恩涛副主任医师为论文共同第一作者。该研究工作得到了医学成像科学与技术系统全国重点实验室、国家自然科学基金（数学天元重点专项）、国家重点研发计划（重大科学仪器设备研发重点专项）等项目的资助。图1：数据集与两阶段RIDE框架。图2：一个具有代表性的PET/CT病例的可追溯性审议式综合分析。

2026-06-30

深圳先进院航天在轨试验成果上新！

6月29日，中国科学院微小卫星创新研究院抓总研制的轻舟试验飞船（白象号）正式发布第二批在轨试验成果，其中包括了中国科学院深圳先进技术研究院数字所王怡珊团队联合深圳理工大学研制的基于自主研发神经电生理芯片的肌电检测设备。该设备可用于航天员肌肉状态实时评估以及人机交互，为我国航天员健康保障和未来空间人机交互技术发展提供了关键技术支撑。随着我国载人航天任务持续推进，航天员长期处于微重力环境下，肌肉负荷显著减少，容易引发肌纤维收缩频率下降和蛋白质分解代谢加速，进而导致肌肉萎缩等健康问题。如何实时、精准地评估航天员肌肉状态，是空间生命科学与航天医学领域的重要课题。当前，国际空间站主要采用肌力测试、超声成像等方式，中国空间站则通过操作力与光学测量对肌萎缩进行评估，但现有方法普遍存在成本高、实时连续性不足、无法直接反映肌肉状态等问题，亟需一种更加直接、便捷、低成本的检测技术。针对上述难题，团队提出基于神经电生理检测的肌电监测方案，通过实时采集和分析肌电信号，实现对肌肉状态的动态评估。团队基于前期自主研发的神经电生理检测芯片，开发出肌电检测设备，并完成航天化适应性改造。团队围绕设备在复杂航天环境中的应用需求，开展了振动测试、热循环测试以及载荷—飞船接口匹配等多项地面实验，验证了芯片及设备的稳定性和可靠性。今年3月30日，基于自主研发芯片的设备搭载白象号轻舟飞船正式发射。随后，团队开展了半个月的在轨试验，通过地面遥控激活，在轨完成模拟数据采集、存储与传输任务。地面接收到的数据经解析后显示一切正常，设备返回的数据与预期收到的数据完全一致，表明自主研发的神经电生理检测芯片及设备在微重力环境下运行稳定可靠，实验取得圆满成功。此次在轨实验成果发布表明，团队自主研发的神经电生理检测芯片技术已达到适应航天工况的水平，实现了国产神经电生理芯片的首次在轨验证，为未来航天员肌肉状态评估、人机交互以及脑机融合应用奠定了重要基础。研究成果不仅有助于推动我国神经电生理检测芯片国产化与产业化发展，也将进一步促进空间生命保障技术升级，并反哺地面医疗健康、人机交互、智能可穿戴等领域的发展。相关研究得到国家自然科学基金广东省联合基金、深圳市医学研究专项资金等项目资助。研究团队研制的神经电生理检测芯片，以及航天适应性改造后的肌电检测设备设备在轨状态

2026-06-30