3月25日，天津大學精密儀器與光電子工程學院、天津大學生命科學學院團隊同一天於《自然·通訊》（Nature Communications）發表文章。
1 基於拓撲半金屬材料實現超快光致能斯特效應的高效太赫茲發射
精儀學院
近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院蘆偉講師與北京大學孫棟副教授課題組合作，首次利用拓撲半金屬的超快光致能斯特效應實現了高效地太赫茲波發射，論文於2022年3月25日線上發表於《自然·通訊》（Nature Communications）。
超快光熱電效應普遍存在於拓撲半金屬材料中，利用該效應有望開發基於拓撲半金屬的新穎太赫茲源。然而，由於缺乏光生載流子的有效分離機制，超快光熱電的太赫茲發射效率較低，難以滿足應用需求。透過對拓撲半金屬Cd3As2施加一個弱磁場，引入能斯特熱電效應作為光生載流子的有效分離機制，實現了高效的超快光熱電的太赫茲發射，從而使Cd3As2奈米薄膜的太赫茲發射效率可與亞毫米厚度的傳統半導體太赫茲源相比。該工作實驗驗證了拓撲半金屬材料在太赫茲源和超快光熱電等領域的巨大應用潛力。相關成果以“Ultrafast photothermoelectric effect in Dirac semimetallic Cd3As2 revealed by terahertz emission”為題發表(Nature Communications2022, DOI: 10.1038/s41467-022-29168-w)。天津大學蘆偉講師為第一作者，北京大學孫棟副教授為通訊作者。
文章連結：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29168-w
2 胞質不相容研究新進展——實現人工操縱
生命科學學院
2022年3月25日，天津大學生命科學學院王澤方教授團隊
在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表題為“Crystal Structures of Wolbachia CidA and CidB Reveal Determinants of Bacteria-induced Cytoplasmic Incompatibility and Rescue”的研究論文，報道了透過設計沃爾巴克氏菌胞質不相容性因子，實現了人工操縱胞質不相容。這種本由細菌引發的胞質不相容性現象被用於控制蚊蟲種群的數量，從而達到防治蟲媒疾病的目的。此項研究成果是王澤方教授團隊近期繼揭示胞質不相容性的分子機制之後（詳見PNAS｜破解利用細菌導致蚊子“不孕不育”的分子機制），在抗蚊媒疾病研究領域取得的又一重要進展。
沃爾巴克氏菌(Wolbachia)可透過誘導兩性配子結合時的胞質不相容性現象（Cytoplasmic Incompatibility，CI）導致蚊蟲“不孕不育”，從而達到控制蚊蟲種群數量的目的，是一種高效綠色的生物防治方法。利用該技術可有效控制登革熱、寨卡等蚊媒疾病在世界範圍內的傳播，據新加坡國家環境局2021年7月公佈的資料顯示，投放感染Wolbachia的雄蚊的地區相較於未投放區域，蚊蟲數量銳減98%，當地登革熱發病率下降88% （https://www.nea.gov.sg）。胞質不相容性是由兩種相互關聯的蛋白導致的，分別被稱為胞質不相容性因子A (CI factor A, CifA)和胞質不相容性因子B (CifB)。在先前的研究中，該團隊發現CI因子之間的互作是Wolbachia產生CI現象的關鍵因素（Xiao et al., PNAS，2021）。該研究團隊據此提出新的設想：能否透過操縱CI因子的互作控制CI現象？這將為設計新型CI因子以更有效地控制蚊媒病毒傳播提供重要工具。
為了驗證以上設想，在這篇發表於《自然-通訊》的文章中，該團隊對來自兩種不同的Wolbachia菌株（wPip、wMel）的CI因子進行了全面的結構、生化和功能研究。由於其中CifB具有去泛素化酶活性（deubiquitylase），這些因子被命名為Cid（包括CidAwMel-CidBwMel，CidAwPip-CidBwPip）。該研究團隊首先利用晶體學和AlphaFold預測結合的方法解析了兩類不同CI因子的複合物結構（圖1a-b）。他們以結構分析為基礎，對野生型CidAwMel進行了人工改造，即將其負責和CidBwMel相互作用的氨基酸替換為來自另一菌株CidAwPip的對應區域，得到名為CidAwMel(ST)的人工嵌合蛋白。在隨後功能測試中，CidAwMel(ST)果然能與來自不同菌株的CidBwPip發生相互作用，且能夠拯救CidBwPip誘導的酵母生長缺陷（圖1c-d），與預期結果相符。他們還發現，如果將人工嵌合蛋白CidAwMel(ST)相互作用介面氨基酸分別進行回覆突變（得到CidAwMel(ST-1)~CidAwMel(ST-9)）， CidAwMel(ST-4)/ CidAwMel(ST-7)/ CidAwMel(ST-9)不能與CidBwPip互作，也不能拯救CidBwPip誘導的酵母生長缺陷（圖1d），表明這些區域對於CidAwMel(ST)-CidBwPip的結合起關鍵作用。最後，研究團隊成功解析了CidAwMel(ST)-CidBwPipND1-ND2的複合物結構，證實了人工設計CI因子互作介面氨基酸對結合特異性的貢獻（圖1e）。
以上研究透過人工設計CI因子並調控它們間的相互作用，首次實現了人工干預的胞質不相容，也對今後利用Wolbachia和CI防控蚊媒疾病和農業蟲害具有重要意義。
圖：人工設計的CI因子操縱CI的產生和拯救。
(a) CidAwPip(Tunis)-CidBwPip(Tunis)ND1-ND2複合物三維空間結構；(b) CidAwMel-CidBwMel ND1-ND2複合物Alphafold預測模型；(c) 人工嵌合蛋白CidAwMel（ST）能與來自不同菌株的CidBwPip產生相互作用，介面氨基酸進行回覆突變則使得突變蛋白不能與CidBwPip互作，其中區域4、7和9在結合中起重要作用；(d) 人工嵌合蛋白CidAwMel（ST）能夠拯救CidBwPip誘導的酵母生長缺陷；(e) CidAwMel(ST)-CidBwPip(Pel)ND1-ND2複合物三維空間結構。
天津大學生命科學學院博士研究生王鎬鋒、博士後肖雲傑、博士研究生陳俠為本論文的並列第一作者，天津大學生命科學學院王澤方教授為論文的共同通訊作者，天津大學為本論文的第一通訊單位。參與單位為上海科技大學、重慶醫科大學、耶魯大學、上海交通大學及南京大學。晶體衍射資料收集得到上海同步輻射光源和國家蛋白質（上海）設施的幫助。本項研究得到了科技部國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金以及天津市傑出青年科學基金等專案的支援。
文章連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29273-w
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圖文來源 / 天津大學精儀學院 天津大學生命科學學院
編輯 / 蔡埡鋌
底圖設計 / 王瀟晗 王駿達
稽核 / 王鑫 李晉馥 劉洋
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