目 錄
1. 「鏡」益求精——超分辨顯微成像突破至單納米精度
2. 人喜歡吃糖不只因為甜
3. 人類大腦語言通路至少起源於2500萬年前
4. 「吃」金屬發電的機器人
5. 微納米顆粒通過靜電力自組裝為五彩晶體
6. 北極不久將在夏季無冰
7. 孕激素受體進化未必有利
8. 聆聽新冠病毒棘突蛋白演奏的樂章
撰文 | 韓若冰、小葉、繼省、葉譯楚、顧舒晨、太閤爾、Tendo
1 「鏡」益求精——超分辨顯微成像突破至單納米精度
人們常說，見微知著。在生物學研究中，顯微鏡可以幫助科學家看到生物系統內的微觀結構或過程，從而更好地理解生物學現象。然而，傳統光學顯微鏡存在約250 nm的解析度極限（又稱衍射極限），無法捕捉更精細的差異。為此科學家開發了一系列工具，例如利用單分子螢光信號隨機成像得到多張圖像，再疊加重構。這一系列技術被稱為超解析度顯微成像，可以達到20-30 nm精度，能夠觀察和追蹤活細胞內單個分子的行為，相關科學家因此獲頒2014年的諾貝爾化學獎[1]。然而，現有技術尚無法精準觀測分子間相互作用，後者的空間尺度一般僅有幾個納米。
傳統螢光成像（左）和超解析度成像圖像（右）對比 | 來源：哈佛大學莊小威實驗室網站
近日，《科學進展》雜誌報道了澳大利亞新南威爾斯大學Katharina Gaus小組的最新成果[2, 3]。該研究組開發了反饋型單分子定位顯微成像技術（feedback SMLM），將解析度進一步突破至單納米精度。該系統的核心原理是通過增加反饋環路系統，重新校正顯微鏡成像的誤差，相當於在原有超分辨顯微鏡基礎上又置入了一個顯微鏡。利用這一新系統，他們發現激活型T細胞中的T細胞受體蛋白和CD45蛋白在空間上有4-7 nm的距離，並非如現有模型所認為的那般靠在一起。
可以預見，超分辨顯微成像精度的突破，將為生物學研究打開新的大門，甚至可能改寫現有的科學理論。
[1] 席鵬,孫育傑.超解析度螢光顯微技術——解析2014年諾貝爾化學獎[J].科技導報,2015,33(4):17-21.
[2] https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/self-aligning-microscope-smashes-limits-super-resolution-microscopy
[3] https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaay8271
2 人喜歡吃糖不只因為甜
人口腔內的甜味感受器可以被一系列物質激活產生甜味的感覺：各種糖類、人工甜味劑、甜胺基酸、甜蛋白質[1]。人工甜味劑是一類低熱量或無熱量、幾乎不會被人體轉化的有機化合物，可以讓糖尿病患者等不宜大量攝入糖類的人群同樣享受甜食。然而甜味劑對控制人群糖類攝入的作用似乎微乎其微，原因之一在於人們似乎更喜歡真正的糖的味道。
近日發表在《自然》雜誌上的一篇研究表明，人們不喜歡甜味劑也許並不是由於它的味道不行，而是腸道會通過一定的途徑控制我們對甜味來源的選擇，這個途徑被稱為「腦-腸軸（gut-brain axis）」[2]。
研究人員在野生型小鼠籠內放入糖瓶和甜味劑瓶，小鼠們最開始的進食並沒有偏向性，但在48小時後，所有小鼠幾乎都產生了對糖的偏好，只從糖瓶內取食。而當控制甜味感受器的Trmp5基因被敲除之後，小鼠在無法嘗到「甜頭」的情況下仍然會選擇糖而不是甜味劑，這說明一定有另外的機理在起決定性作用。
葡萄糖轉運蛋白SGLT1在腸上皮細胞中表達，它與腸內葡萄糖的吸收有關。當研究人員給予小鼠SGLT1抑制劑時，小鼠對糖的偏好顯著減弱，這說明SGLT1也許正是腸道發出糖偏好信號的關鍵。
[1] Lee, A. A., and Owyang, C. (2017). Sugars, sweet taste receptors, and brain responses. Nutrients 9.
[2] Tan, H.-E., Sisti, A. C., Jin, H., Vignovich, M., Villavicencio, M., Tsang, K. S., Goffer, Y., and Zuker, C. S. (2020). The gut–brain axis mediates sugar preference. Nature.
3 人類大腦語言通路至少起源於2500萬年前
過去科學家們認為，人類大腦的語言神經通路起源於500萬年前人類和猿猴的一個共同祖先。然而最近一項發表於《自然神經科學》雜誌的研究[1]發現，語言通路的起源至少需要再往前推2000萬年。
英國紐卡斯爾大學醫學系的Chris Petkov教授說，這一研究結果的意義相當於找到了一個祖先的新化石，也許還有更古老的起源尚未被發現[2]。
不同於骨骼，大腦不會變成化石。但科學家可以通過比較猿猴等靈長類動物與人類的大腦成像，來推斷共同祖先的大腦可能是什麼樣的。
在這項研究中，科學家通過分析人類、猿類和猴子的聽覺區域及大腦通路，發現在非人類靈長類動物的聽覺系統中，隱藏著一條與人腦語言通路類似的通路。這部分通路將聽覺皮層與額葉區域相互連接，對處理語音和語言信息很重要。儘管講話和語言是人類獨有的能力，但在其他靈長類動物中所發現的聽覺途徑聯繫表明，人類語言通路是從非人類靈長類動物的聽覺系統中進化而來。
此外，這些研究還發現了人類獨有的一個特點——左腦的語言通路比右腦更強。這種不同可能與進化原型不同有關，右腦的通路可能涉及了大腦的非聽覺部分。
[1] Fabien Balezeau, et al. Primate auditory prototype in the evolution of the arcuate fasciculus. Nature Neuroscience, 2020; DOI: 10.1038/s41593-020-0623-9
[2]https://www.ncl.ac.uk/press/articles/latest/2020/04/originsoflanguage25millionyearsold/
4 「吃」金屬發電的機器人
設計微型機器人的一個難題是，晶片技術發展把能源技術遠遠拋在了身後，結果就是，微機器人的處理器十分先進，但微小的身體卻只能存儲極為有限的能量。而通過類似於太陽能電池這樣的方法從外界獲取能量速度太慢，換句話說，微機器人的「能量密度」和「功率密度」都可謂捉襟見肘。
近日，美國賓夕法尼亞大學工程學院的研究人員們開發了一種強大的新型「吃貨」機器人，學名叫做「金屬-空氣清道夫」（metal-air scanvenger，簡稱MAS），能夠通過電化學腐蝕周圍的金屬獲得能量。這種靠「吃」金屬發電的機器人，採集能量的方式比傳統上快了十倍，而獲得的能量更是比鋰電池多了13倍。
金屬-空氣清道夫。| 來源：[1]
這種機器人的控制和機械單元沒什麼特別之處，但亮點在其電池的設計（見下圖）。不同於傳統的紐扣電池、乾電池或者鋰電池這種正負極材料都在機器人體內的設計，「吃貨」機器人的能量來自於身後拖著的一片水凝膠。這片薄薄的像果凍一樣的水凝膠下表面接觸金屬，上表面通過特殊的金屬電極接觸空氣，從而形成一個簡易但有效的金屬-空氣電池。通俗地說，這片水凝膠的作用就是加速金屬的腐蝕，並將這一過程中釋放的電能收集傳遞給機器人。因此，隨著機器人拖著水凝膠走過，其身後會留下一片大約100微米厚的金屬鏽蝕。此外，為了保證水凝膠不會變干而無法導電，這個小機器人還有一個像燈芯一樣的裝置不斷的給水凝膠補水。
「吃」金屬供能的金屬小車設計示意圖。黑色的薄片上是一層催化金屬網，中間是水凝膠層，最下面是被「吃」的金屬。| 來源：[2]
這種吃金屬供能技術有望給機器人的設計帶來一場革命：或許有一天，我們可以像喂食寵物一樣給機器人喂吃金屬餅乾，讓它們吃飽了有力氣幹活。
[1] https://medium.com/penn-engineering/penn-engineerings-new-scavenger-technology-allows-robots-to-eat-metal-for-energy-bd12f3b83893
[2] Wang et al. Powering Electronics by Scavenging Energy from External Metals, ACS Energy Letters, 2020, 5, 3, 758-765
5 微納米顆粒通過靜電力自組裝為五彩晶體
無論是亮晶晶的食鹽顆粒，還是泛著五彩光澤的貓眼石，實際上都是微小的結構單元規則排列而形成的晶體。近日，來自紐約大學的團隊在《自然》雜誌上發表最新研究成果[1, 2]，展示他們利用靜電吸附作用，讓帶電的微納米顆粒自組裝為結晶。
利用本文的靜電自組裝方法獲得的毫米尺度的微納米顆粒晶體。| 來源：[1]
自組裝是自然界中的一種常見現象。其中一種表現形式，是微納米顆粒通過某種方式識別彼此，互相連接，從而自發組裝為特定的結構。其他生活中自組裝的例子還包括肥皂泡、蛋白質、細胞膜、細菌、鳥群、無人機等。實現微納米材料的自組裝，對功能材料的可控、大批量製備尤其具有重要意義。
之前文獻中已經報道了許多讓微納米顆粒自組裝的方法。例如，一種方法是將顆粒表面包裹DNA鏈，並利用不同顆粒上DNA鏈互補的特性，實現它們彼此的特異性連接（比如讓A類顆粒只與B類連接，而不發生AA、BB結合）。但這種方法門檻比較高，且需要消耗大量的DNA，因而比較昂貴，不利於大批量製備。
而本文所提出的基於異種電荷互相吸引的方法，與互補的DNA有異曲同工之妙：帶異種電荷的微納米顆粒，就如同溶液中的正負離子一樣，在合適的條件下，會自發組裝為晶體結構的塊狀材料。此外，如果顆粒之間的間距與可見光波長接近，還會發生光的干涉，獲得五彩斑斕的晶體。
什麼是合適的條件？這正是這項工作的一個難點：如何實現帶異種電荷的顆粒整齊有序排列為晶格結構，而不形成混亂無序的團簇？為此，本文採用了一種稱為「高分子調節的庫倫自組裝」方法，通過在帶有電荷的顆粒表面枝接高分子，以調節它們彼此之間的吸引排斥力，讓作用力恰到好處。
這項工作是受到自然界啟發而生，卻又青出於藍，得到了一些自然界晶體所沒有的優勢。例如，可以通過選用大小和形狀不同的微納米顆粒，獲得許許多多結構、性質不同的晶體結構。這也是膠體化學這一學科獨特的魅力所在。
[1] Hueckel et al. Ionic solids from common colloids, Nature, 2020, 580, 487–490
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/nyu-rue041620.php
6 北極不久將在夏季無冰
全球21個研究機構合作的一項新研究[1, 2]預計，北極海冰首次在夏季完全消失將出現在2050年之前，這會對北極生態系統造成災難性後果。夏季海冰消失的頻率和持續時間取決於氣候保護措施的有效性。
目前北極全年都被海冰覆蓋，夏天的覆蓋面積減少，冬天再次增加。但是由於全球變暖，在過去的幾十年中，北冰洋海冰覆蓋的總面積迅速減少。海冰蓋是北極熊和海豹的狩獵場和棲息地，並可通過反射陽光使北極保持較低溫度。
研究者表示，在走向冰蓋消失的過程中，北極海冰面積每年的變化大大增加，使得當地居民的生活和依賴冰的物種的生存越來越艱難。
這項發表在《地球物理研究快報》雜誌的研究分析了由40種不同氣候模型得到的最新結果。研究人員評估發現，在二氧化碳排放量高而氣候保護措施少的情況下，夏季北極海冰覆蓋的演變結果是會迅速消失。令人驚訝的是，他們還發現在某些CO2排放迅速減少的模型中，冰蓋也會消失。
研究顯示，未來多長時間內北極會失去海冰覆蓋，很大程度上取決於未來的二氧化碳排放量。如果排放迅速減少，那麼無冰年份只會偶爾發生；而隨著排放增加，北冰洋在大多數年份將出現無冰情況。研究者稱，這告訴我們，人類仍然可以根據未來的二氧化碳排放水平來影響夏季北冰洋無冰的頻率。
[1] https://mcgill.ca/newsroom/channels/news/north-pole-will-be-ice-free-summer-321739
[2] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019GL086749
7 孕激素受體進化未必有利
孕激素是由卵巢黃體分泌的一種天然激素, 它通過與孕激素受體結合調控下游的靶基因，以此調節女性受孕的各個方面，包括受精卵何時著床，生殖周期，以及足月妊娠的維持和終止等。孕激素受體存在於大多數脊椎動物中，並在哺乳類動物中具有較高同源性。過去的研究發現，人類孕激素受體基因經歷了快速進化，一些科學家認為，這可能是進化過程中的一種正向選擇，通過改善基因功能以更適應懷孕的過程。但美國布法羅大學的研究者近日在《PLOS遺傳學》雜誌上發表的研究[1]則得出了不同的結論，並為了解孕激素受體基因的進化提供了新的視角。
研究人員分析了115種哺乳動物的DNA，包括各種靈長類哺乳動物，如：現代人類、尼安德特人、猴子、狐猴和駱駝；以及非靈長類哺乳動物，如：大象、大熊貓、豹子、河馬、土豚、海馬和海象等。通過對比研究，他們發現雖然孕激素受體基因在人類中迅速進化，但並沒有證據支持進化後的受體對人類更有利，反而在進化的過程中還積累了許多有害突變。
此外，通過分析孕激素受體的祖先形式，研究者發現人類的該受體進化後在功能上也發生了變化，這表明人類進化後孕激素的調控作用很可能與其他哺乳動物不同。因此，當我們試圖將動物模型中孕激素的生物功能研究應用於人類時需要非常的謹慎。
[1] http://www.buffalo.edu/news/releases/2020/04/028.html
8 聆聽新冠病毒棘突蛋白演奏的樂章
新冠病毒棘突蛋白的音樂旋律，請點擊播放 | 音頻來源：[1]
大家聽到的音樂片段並非出自某位音樂家的靈感，而是來源於人盡皆知的新型冠狀病毒棘突蛋白。那麼，蛋白質是怎麼變成音樂旋律的呢？
這要得益於MIT的工程學教授Markus Buehler及其團隊的蛋白質聲音化技術。他們利用蛋白質胺基酸的正常模態振動，計算出20種天然胺基酸各自的音頻表征，即將振動頻率轉化為人耳能夠聽到的聲音，20種胺基酸對應的音符就構成了「胺基酸音階」。隨後再通過每個音持續的時長和音量來表示與每一個胺基酸相關的蛋白質二級結構信息，並使用數字形狀採樣和處理算法，引入音樂節奏。最後，研究人員用同樣的方法將蛋白分子的正常模態頻率也整合為聲音信號[2]。
新型冠狀病毒結構，表面藍色和綠色突出部分代表棘突蛋白。|圖片來源：Fusion Animation
如此一來，棘突蛋白的胺基酸序列、二級結構和三維摺疊都有了聲音特徵。研究人員精心挑選了日本箏演奏主要音符，並配以鐘聲和長笛，製作出的音樂節奏舒緩，旋律優美。Buehler評價道：「病毒以如此悅耳的方式欺騙我們的耳朵，就像它欺騙細胞一樣[3]。」
Buehler希望這種新形式可以幫助科學家在蛋白質分子上找到抗體或者藥物可能的結合位點，只需通過搜索與結合位點對應的特定音樂序列。同時，將這段音樂與資料庫中大量其他蛋白的聲音形式進行比較，也許能找到可與棘突蛋白結合的蛋白，從而找到預防病毒感染細胞的方法[4]。
[1] 此處為節選，完整音樂：https://soundcloud.com/user-275864738/viral-counterpoint-of-the-coronavirus-spike-protein-2019-ncov
[2] Markus J. Buehler. Nanomechanical sonification of the 2019-nCoV coronavirus spike protein through a materiomusical approach [ e-prints posted on arXiv 30.03.2020]. arXiv:2003.14258 [physics.pop-ph]
[3] http://news.mit.edu/2020/qa-markus-buehler-setting-coronavirus-and-ai-inspired-proteins-to-music-0402
[4] https://www.sciencemag.org/news/2020/04/scientists-have-turned-structure-coronavirus-music#