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《科学》杂志——2月19日当周收录指南

黄琨

科学

【1】没有水域不受影响

生态保护

我们越来越认识到人类对地球生物多样性的影响,特别是在陆地和海洋系统中,但是人类对淡水的情况了解相对较少。Su等人在全球范围内研究了淡水系统,重点关注鱼类生物多样性的几个关键指标。他们发现,有一半的河流系统都受到人类活动的严重影响,只有那些覆盖范围广大的热带流域,变化程度较低。碎片化和入侵物种的出现,导致了不同河流的趋同化,许多河流现在生活了相似的物种,拥有更少的专有物种。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/835

【2】表面化学联合策略

表面化学

尖端显微术的发展已经带来了埃尺度空间分辨率的观测能力,但是还没有一种技术能够观测表面物种结构和化学异质性的唯一表征。Xu等人利用Ag(110)表面上并五苯衍生物的模型系统表明,扫描隧道显微镜、原子力显微镜和尖端增强拉曼散射的结合,可以提供不同化学物种及其与金属表面单键相互作用充分相关的电子、结构和化学信息。这种多技术方法在多相催化和表面化学的基础研究中具有广泛的应用前景。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/818

【3】用新方法走路

软机器人

气动软体机器人通常需要各种电子控制的、笨重的部件,如泵和阀门来实现腿部运动。Drotman等人使用流体电路而非电子电路来控制步行软体机器人的移动,简化了设计。特别的地方是,软环振荡器会通过产生类似于自然界中生物中枢模式发生器神经回路的有节奏运动,来控制运动。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/793.3

【4】扭曲的热性能

热电

热电装置可以将废热转化为电能,是提高能源效率的一种方法。Jiang等人利用熵工程方法合成了一种具有良好热电性能的单相高熵合金。通过增加合金中元素数量产生的无序,提高了稳定性,可以防止其分解成多个相。无序和扭曲的晶格在保持电性能的同时抑制了热传输,从而提高了材料的热转换效率。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/830

【5】以沙贝病毒为靶点

冠状病毒

随着COVID-19大流行的持续,我们必须面对未来人类社会出现新的致病性冠状病毒的可能性。有鉴于此,Rappazzo等人从2003年严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)的幸存者中分离出抗体,利用酵母文库,为这些抗体增加多样性,然后筛选出可以与SARS-CoV-2结合的抗体。其中一个亲和力成熟的子代强烈中和了来自蝙蝠的SARS-CoV-2、SARS-CoV和2种SARS相关病毒。此外,该抗体与一组沙贝病毒的受体结合域结合,表明其具有更广泛的活性,并在小鼠模型中对SARS-CoV和SARS-CoV-2具有保护作用。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/823

【6】对SARS-CoV-2抗体逃逸的定位

冠状病毒

一些抗体正被使用或被开发成治疗COVID-19的疗法。随着新的严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)变异体出现,预测它们是否仍对抗体治疗敏感成了很重要的事。Starr等人使用了一个酵母文库,该文库涵盖了SARS-CoV-2受体结合域不会强烈破坏与宿主受体(ACE2)结合的所有突变,并绘制了这些突变对3种主要抗SARS-CoV-2抗体结合的影响。这一图谱确定了逃避抗体结合的突变,包括在Regeneron抗体混合物中逃避2种抗体的单个突变。目前已经有许多逃避单一抗体的突变在人群中传播。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/850

【7】制造能量生产物质

有丝分裂核糖体

在真核细胞的动力车间——线粒体内,电子传递链的特殊跨膜蛋白合成是由专门的有丝分裂核糖体完成的。而有丝分裂核糖体结合蛋白质合成和膜插入的机制还不清楚。Itoh等人在新生链合成过程中测定了人有丝分裂核糖体与其膜插入酶结合时的结构。这些结构揭示了多肽出口通道内的一系列协同构象变化。门控机制提供了一个基础的分子视角,观察膜蛋白如何在人类线粒体合成。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/846

【8】逆转磁场

古环境

地球磁场逆转对地球气候有影响吗?Cooper等人从新西兰沼泽的kauri树的年轮上,获得了关于41000年前Laschamps地磁逆转事件时的精确放射性碳记录。它揭示了当时大气中碳-14含量的大幅增加,并在极性转换前、磁场强度减弱的时期达到顶峰。作者模拟了这一事件的后果,并得出结论,地球磁场最低时,大气臭氧浓度发生了实质性变化,进而推动了全球气候和环境同步变化。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/811

【9】学习不需要配体

神经科学

除了在刺激食欲方面起作用外,激素ghrelin及其受体GHS-R1a也与认知有关。Ribeiro等人发现,不依赖ghrelin的GHS-R1a信号,会在小鼠学习行为中起作用。向小鼠施加GHS-R1a的反向激动剂,会损害空间和上下文记忆的形成。因此,使用ghrelin受体阻滞剂治疗代谢紊乱、肢端肥大症、癌症和酒精中毒,也可能有认知方面的副作用。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/793.9

【10】组织再生的起源

干细胞

组织的更新是由干细胞池维持的,但有些组织中的干细胞对损伤非常敏感。当干细胞被消融时,干细胞池和组织是如何再生的?Shivdasani等人发现了证据,已分化细胞可以去分化,重新变成干细胞,使组织从损伤中恢复。了解这些过程很重要,因为癌症在很大程度上被认为起源于干细胞。分化细胞可以获得干细胞特征的发现引发了关于癌症是如何发生的问题。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/784

【11】植物和微生物的新途径

行星科学

植物和微生物在进化过程中相互作用,形成了多样性,帮助植物在陆地上定居。Delaux和Schornack回顾了科学家从一系列植物和藻类基因组中获得的见解对通过古老基因模块的进化以及谱系特异性特化的出现持续使用的揭示。藓类、苔类和角苔对现有的途径进行了分层创新,以建立新的微生物相互作用。这些创新可能会转移到农作物上,以期建立一个更可持续的农业。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eaba6605

【12】新基因的配方

进化

大多数基因谱包含了进化过程中出现的新基因,但并不能清楚追溯其起源。Cosby等人研究了谱系特异性脊椎动物基因家族的起源(参见第2篇文章)。转座因子(transposable elements,TE)与宿主基因外显子的融合一旦进入宿主基因组,就可以产生新的功能基因。通过对karbiner——这个过程中产生的蝙蝠基因——的检测,可以看出TE基因的一部分是如何保留在这个基因中,并作为转录调节因子使得转录的蛋白质能够在整个基因组中结合的。因此,在宿主基因组内相互作用的TE提供了产生新的功能域组合的原材料,这些功能域可以在层次细胞网络中选择和合并。

原文:

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eabc6405

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/779

【13】细菌细胞基因表达

细菌基因组学

细菌的单细胞基因组学相对于真核生物的单细胞基因组学已经落后,因为它们的细胞壁坚韧,信使RNA含量低,并且缺乏许多转录后修饰。为了应对这一挑战,Kuchina等人开发了微生物分裂池连接转录组学(microSPLiT)——一种针对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的单细胞测序方法。测序显示大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的热休克反应存在差异。枯草芽孢杆菌的转录模式试验发现,在实验室培养基中生长的一小部分细胞会表达肌肌醇分解代谢途径,细胞可以在非实验室环境中使用,从而突出了微球如何识别罕见的细胞状态。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eaba5257

【14】产生抗药性的多重道路

抗生素耐药性

由突变引起的抗生素耐药性在病原菌中很常见,然而其过程尚不清楚,只知道大多数已被认定为产生耐药性的突变都是通过改变细胞内靶点或使细胞内抗菌化合物失效的酶来实现的。Lopatkin等人对不同温度下的耐药性进化进行了筛选,发现影响微生物代谢的突变可导致抗生素耐药性(见第2篇文章)。这些突变以中心碳和能量代谢为靶点,揭示了核心代谢基因中新的抗性突变,扩展了病原微生物进化抗性的已知途径。

原文:

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eaba0862

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/783

【15】定向折纸装订

DNA折纸

引导设备自组装,不仅需要将纳米组件放置在表面的正确位置,还需要指明特定的方向。Gopinath等人设计了一种不对称的DNA折纸——一种“小月亮”形状,与二氧化硅上的光刻图案位点结合在目标方向角的3°以内。作者能够在光腔的共振模式中定位和定向分子偶极子。3000多个DNA折纸被安排在一个单一的制造步骤中,在12个不同的方向,以创造一个简单的旋光仪。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eabd6179

【16】造一个桶

蛋白质设计

计算设计创造了生产定制结构和功能蛋白质的可能性。随着日益复杂的细胞质蛋白和近来螺旋膜蛋白设计的出现,可用的蛋白质框架已经扩大。Vorobieva等人描述了八链跨膜β-桶蛋白(TMB)的成功计算设计。他们使用迭代的方法,展示了负设计以防止脱靶结构和获得对TMB折叠序列决定因素深入了解的重要性。23种设计满足了TMB结构的生化筛选,2种结构通过核磁共振波谱或x射线晶体学进行了实验验证,为单分子测序等应用定制孔设计迈出了一步。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eabc8182

【17】如何抑制传播

冠状病毒

2020年,许多国家通过非药物干预措施的联合应用遏制了严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)的传播。目前科学界已积累了足够的传播数据,可以确定单独干预措施的有效性。Brauner等人收集和整理了41个国家的数据,确定了在大流行早期最有效遏制额病毒传播的非药物干预措施。将集会人数限制在10人以下、关闭高风险企业、关闭学校,这些措施都比留在家里的命令更有效,后者在减缓传播方面作用不大。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eabd9338

【18】神经毒素的运动靶点

蛋白质工程

能在特定序列上切割蛋白质靶点的蛋白酶,控制着许多生物功能。重组蛋白酶以切割人工选择的新序列,将使新的治疗和生物技术应用成为可能。Blum等人报告了一种实验室进化方法,可以快速进化出切割新蛋白质序列并失去切割非目标序列能力的蛋白酶(参见第2篇文章)。他们利用这种方法进化出肉毒杆菌神经毒素可以选择性切割新靶点,包括切割与这些蛋白酶天然切割靶点无关的蛋白质。这项工作创造了一种有效的方法,生产特殊定制的蛋白酶。

原文:

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/803

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/782

【19】类器官再造人胆管

组织修复

胆管将胆汁从肝脏和胆囊输送到小肠,以帮助消化。胆管细胞是排列在胆管上的上皮细胞,会改变通过胆管的胆汁。涉及胆管细胞的慢性肝病,是导致肝衰竭和肝移植需求的很大一部分原因。由于肝脏供体供不应求,Sampaziotis等人利用类器官技术开发了一种利用人体组织的细胞疗法(见第2篇文章)。他们将胆管细胞类器官移植到接受离体常温灌注的人供肝内。肝脏可维持运作100小时,且移植的类器官显示出了功能性,并可修复胆管。

原文:

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/839

https://science.sciencemag.org/content/371/6531/786

【20】控制大脑和血管中的淀粉样蛋白

阿尔茨海默病

载脂蛋白E基因(APOE)的基因变异ε4与阿尔茨海默病(AD)的发病风险增加有关。在AD中,淀粉样β蛋白沉积物出现在脑实质(淀粉样斑块)和脑血管系统(脑淀粉样血管病,CAA)中。以人APOE为靶点的免疫治疗可减少小鼠脑内淀粉样β蛋白沉积。Xiong等人使用同时存在淀粉样斑块和CAA的小鼠模型,评估了人APOE抗体HAE4的作用。治疗减少了实质性淀粉样β蛋白斑块和CAA,没有出现血管并发症,而针对淀粉样β蛋白的抗体加重了CAA相关的微小出血。研究显示HAE4在保护脑血管的同时,对AD的淀粉样蛋白清除有一定的治疗作用。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/793.20

【21】T细胞的团队合作

先天免疫

先天免疫细胞在淋巴结中的位置和相互作用有助于诱导T细胞应答,但具体的作用细胞尚不清楚。Leal等人利用先进的成像技术来描述Toll样受体激动剂诱导炎症过程中固有免疫细胞和适应性免疫细胞的空间排列,表明淋巴结驻留的树突状细胞(DC)和炎症单核细胞协同诱导T细胞反应。这些DC迁移到T细胞区并向T细胞提供抗原。循环单核细胞通过高内皮微静脉进入淋巴结,并在T细胞区空间极化,从而诱导不同的炎症微环境和效应T细胞亚群。因此,淋巴结T细胞区的DCs和单核细胞共同诱导T细胞反应。

原文:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/793.21


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