科研进展--中国科学院广州分院

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室和热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室王卫强研究员团队在赤道印度洋潜流多时空尺度变异机制研究方面取得系列新突破。相关研究成果分别以“Re-emergence of Indian Ocean Equatorial Undercurrent under Early Positive Indian Ocean Dipole”和“IOD-driven Quasi-biennial Variability Influence on Indian Ocean Equatorial Undercurrent”为题，发表于国际知名期刊Communications Earth & Environment和Journal of Climate上。LTO副研究员黄科为论文第一作者兼通讯作者，研究员王卫强为共同通讯作者，合作作者包括美国科罗拉多大学博尔德分校教授Weiqing Han、华东师范大学教授吴莹等人。在热带海洋温跃层中，隐藏着一支强劲的"水下高速通道"——赤道潜流（Equatorial Undercurrent,EUC）。作为全球海洋环流系统的关键组成部分，EUC如同海洋中的"大动脉"，源源不断地输送着物质和能量，深刻影响着区域乃至全球海洋环流、气候和生态系统的动态平衡。然而，与全年稳定存在、维持热量平衡的太平洋和大西洋EUC不同，印度洋EUC表现出独特的“消失-再现”间歇性的动态平衡特征：仅在每年早春和早秋出现，而在夏季和冬季则几乎完全消失——这一现象被誉为印度洋最重要的观测发现之一。长期以来，学界普遍将印度季风视为导致EUC间歇性消失的主要驱动力，但最新研究揭示其背后的调控机制远比传统认知更为复杂。研究团队基于潜标阵列的长期连续观测，发现近几十年来印度洋EUC在夏季出现了显著的“再现“趋势，并进一步揭示了其背后的"双重调控"机制。研究表明，印度洋EUC夏季再现受到印度洋偶极子（IOD）多样性和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）遥强迫的共同调控。当夏季成熟的正IOD事件爆发时，海气耦合过程显著增强，形成有利于EUC发展的耦合动力环境，让原本应在夏季消失的EUC重新出现在赤道温跃层。更为意外的是，夏季EUC的再现还与前一年冬季的拉尼娜事件密切相关。拉尼娜如同EUC的幕后激发因子，通过激发赤道海盆波动，沿“海盆传播—边界反射—再传播”的动力路径，将能量储存并传递至次年夏季，进一步促成了EUC的夏季回归。这一发现突破了传统“季风控制消失”的认识框架，提出了“冬季ENSO—夏季IOD”双重交织作用的新驱动机制。在全球持续变暖的背景下，热带印度洋气候模态频率和强度的显著变化使得印度洋EUC夏季再现事件趋于频繁，这将进一步重塑印度洋物质和能量输送特征，对邻近区域气候系统和生态环境产生更为深远的影响。图1：(a) 赤道潜流是热带海洋环流系统中一支“水下高速通道”，影响热带物质能量输运；(b) 赤道印度洋潜流夏季重现背后的“双重调控魔术”示意图长期以来，学界已注意到印度洋EUC存在显著的年际变化，且与IOD事件密切相关。然而，受ENSO等复杂动力背景的干扰，难以清晰区分局地和遥强迫对EUC年际变异的调控机制，限制了其预测能力。研究团队基于长时间观测数据、再分析资料和海洋动力模式，结合多种统计分析方法，精细识别出EUC具有的独特准两年变率特征。在准两年时间尺度上，EUC呈现出规律性的“相位转换”，表现为盆地环流一致振荡（EUC模态）与东西反向“跷跷板”模态（EUC转换模态）的交替出现。这一周期性特征与IOD固有的准两年“充放电振荡”框架高度吻合，其驱动机制主要源于风场与温跃层的耦合过程，通过激发赤道低频波动，促使潜流发生复杂的相位演变与动力调整。这一系列成果凸显了我室观测系统在揭示印度洋环流变异机理中的关键作用，不仅深化了对印度洋EUC在全球潜流多样性中独特作用的认识，也为提升热带环流系统模拟能力提供了新思路，并为物理海洋、生物海洋与地球化学等多学科交叉研究奠定了重要理论基础。本研究获得国家自然科学基金重点项目和面上项目，以及基金委共享航次的联合资助与数据支持。图2：印度洋偶极子的固有振荡通过风场–温跃层的耦合作用，驱动赤道潜流发生复杂的位相演变及准两年波动响应的机制示意图相关论文信息：1. Huang,Ke*,W. Han,T. Zu,Y. Wu,K. Xu,W. Wang. (2025b). Re-emergence of Indian Ocean Equatorial Undercurrent under Early Positive Indian Ocean Dipole. Communications Earth & Environment,6,698. https://doi.org/10.1038/s43247-025-02704-42. Huang,Ke*,D. Wang,Y. Zhu,W. Zhou,J. Yao,B. Peng. (2025c). IOD-driven Quasi-biennial Variability Influence on Indian Ocean Equatorial Undercurrent. Journal of Climate. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-25-0015.1原文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-025-02704-4 https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/aop/JCLI-D-25-0015.1/JCLI-D-25-0015.1.xml

2025-10-09

华南植物园研究发现增温对微生物残体的负面影响在底层土壤消失

增温下土壤有机碳，特别是稳定碳库的变化将深刻影响陆地碳-气候反馈的强度和方向。微生物残体碳通常被认为是土壤稳定碳库的重要成分，其对增温的响应在热带和亚热带森林地区研究较少。研究人员依托鼎湖山站于2012年建立的生态系统水平被动增温实验平台，进行了为期8年的连续采样，分析了南亚热带森林土壤微生物残体对生态系统水平增温的响应模式及驱动机制。结果表明，随着增温幅度的增加，南亚热带森林土壤微生物残体下降。与未增温（+0℃）处理相比，+2.1℃的增温使表层（0-10 cm）土壤微生物残体下降约23%（主要是由于真菌残体碳的损失），其约占表层土壤总有机碳损失的48%。然而，底层土壤（20-40 cm）微生物残体碳对增温的响应不敏感。进一步分析表明，增温下表层土壤微生物残体碳的损失主要与增温刺激的植物与微生物氮竞争导致的土壤氮含量降低有关，而底层土壤微生物残体对增温的响应不敏感则与底层土壤更强的矿物保护作用以及更稳定的微生物群落有关（图1）。相关研究对于准确理解热带和亚热带森林土壤有机碳动态的温度响应具有重要意义：1）微生物残体通常被认为在矿物保护作用下对增温不敏感，然而，我们发现南亚热带森林土壤中的微生物残体对增温的响应强于预期，但这种敏感性随土壤深度而降低。这一现象应在地球系统模型中得到充分考虑。2）增温引起的植物-土壤相互作用变化对微生物残体的积累十分重要，仅土壤变暖实验由于难以监测植物-土壤相互作用变化对微生物残体积累的影响而可能会低估微生物残体的温度敏感性。相关研究成果以《Ecosystem-level warming reduces microbial necromass in the topsoil but not in deeper soil of a subtropical forest》发表于土壤学领域国际经典学术期刊Geoderma上（IF5-years=7.3）。中国科学院华南植物园鼎湖山站博士后刘旭军为论文的第一作者，刘菊秀研究员为论文的通讯作者。该研究是对先前基于该实验平台发现增温引起的植物-土壤养分竞争抑制了土壤矿物结合态有机碳积累（https://doi.org/10.1016/j.oneear.2025.101465）的进一步机制性验证。研究得到了国家自然科学基金、广东省科技计划、中国博士后科学基金和广州市科技计划项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117336图1. 增温对南亚热带森林土壤微生物残体碳的影响

2025-10-12

华南植物园发现长期增温能促进南亚热带森林土壤有机碳的积累

热带和亚热带森林被认为是全球最具固碳潜力的生态系统之一，其土壤碳储量约占全球陆地土壤有机碳的三分之一以上。然而，该地区未来可能面临更加频繁的高温事件，未来增温下这些生态系统能否持续积累土壤有机碳仍存在较大不确定性。一直以来，由于缺乏长期生态系统水平的增温实验，使得增温引起的植物-土壤相互作用变化如何驱动土壤有机碳的温度响应尚不明确，严重阻碍了对未来碳-气候反馈的准确预测和基于森林的气候缓解方案的科学制定。针对这一问题，中国科学院华南植物园鼎湖山站刘菊秀研究员团队于2012年在鼎湖山站建立了野外生态系统水平被动增温实验平台（+0°C、+1.0°C、+2.1°C），开展了长期观测研究。研究发现，土壤不同有机碳组分对增温的响应受增温时间的影响。土壤有机碳对增温的响应呈“两个阶段”（图1、2和3）：在第一阶段（1–4年），增温导致土壤有机碳净损失，主要由于增温刺激的植物-微生物养分竞争导致土壤表层矿物结合态有机碳显著减少；在第二阶段（6–9年），由于持续的植物碳输入和微生物碳代谢的热调整使得植物来源的颗粒有机碳显著增加，从而导致土壤有机碳的净积累。这些结果表明，在适度增温下，一些湿润的热带和亚热带森林土壤可能继续积累有机碳，挑战了以往仅基于土壤增温实验而得出的结论：即普遍预测未来变暖会使热带和亚热带森林成为碳源。该研究加深了人们对增温下植物-土壤相互作用如何驱动亚热带森林土壤有机碳长期动态变化的理解。该研究是对先前基于该实验平台观察到南亚热带森林生态系统碳储量在增温6年后增加现象（https://doi.org/10.1111/gcb.17072）的进一步深入的机制探究。相关研究成果以”Long-term moderate warming shifts soil carbon cycling but maintains carbon sinks in a subtropical forest”为题，发表在Cell旗下环境科学与生态学领域国际期刊One Earth（IF5-years=19.2）上。中国科学院华南植物园鼎湖山站博士后刘旭军为论文的第一作者，刘菊秀研究员和美国密歇根大学Peter B. Reich院士为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、广东省重点项目、广东省科技计划和中国博士后科学基金的支持。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2025.101465图1. 增温对南亚热带森林土壤有机碳及其组分的影响图2. 生物与非生物因子对土壤有机碳及其组分的影响图3. 增温下植物-土壤相互作用对南亚热带森林土壤有机碳组分的调控机制

2025-10-12

深圳先进院 | 新一代无硼有机硅剪切硬化胶的开发（Nature Communications）

近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所何睿团队及合作者们成功开发出一种具有力学响应性的有机硅凝胶。这种凝胶在高速冲击力的作用下，材料内部的弹性模量显著提升而迅速变硬，是一种具有能量缓冲作用的防护材料。相关成果在国际权威期刊Nature Communications上发表题为“Supramolecular networks with high shear stiffening enabled by metal ion-mediated hydrogen bonding enhancement strategy”的研究论文。近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所何睿团队及合作者们成功开发出一种具有力学响应性的有机硅凝胶。这种凝胶在高速冲击力的作用下，材料内部的弹性模量显著提升而迅速变硬，是一种具有能量缓冲作用的防护材料。相关成果在国际权威期刊Nature Communications上发表题为“Supramolecular networks with high shear stiffening enabled by metal ion-mediated hydrogen bonding enhancement strategy”的研究论文。传统的剪切硬化胶（SSG）通常为聚硼硅氧烷体系（PBS），它是通过硼酸（BA）在高温下交联聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备而成。硼酸不仅对钢铁和混凝土具有腐蚀性，而且在高温下腐蚀速率加剧，更有多项动物实验证明长期接触硼酸可能导致中毒反应。这些安全隐患严重限制了SSG在诸多领域的应用，因此开发新一代无硼SSG迫在眉睫。针对上述问题，何睿团队开发出新型聚钛硅氧烷体系（PTS），首次提出基于金属离子介导的氢键增强策略调控超分子网络中的氢键强度，来替代传统PBS体系中的B-O动态键。与PTS中的Si-OH相比，体系中Ti3⁺-OH的O原子电荷密度更高，而Ti4⁺-OH的H原子电荷密度更低，因此作为氢键供体和受体能产生更强的氢键相互作用（图1）。当承受高频剪切应力时，氢键形成的动态可逆网络难以断裂，无序的高分子链无法松弛和解缠，高分子链运动受限在宏观尺度上呈现出高刚性状态。本工作开发的新型PTS SSG克服了传统PBS体系的腐蚀性和毒性问题，同时提出的金属离子介导的氢键增强策略为其他超分子功能材料构建提供了新路径。研究团队实现“新一代无硼有机硅剪切硬化胶”的开发，工作亮点如下：优异的剪切变硬性能：PTS SSG 在 0.1-100 Hz 频率范围内表现出高达 2800 倍的剪切变硬性能，具有优异的冲击防护能力。优异的生物相容性:与传统的PBS SSG相比，PTS SSG 具有极低的细胞毒性 (Grade 1)，使其成为安全可靠的智能凝胶材料。应用潜力广泛:PTS SSG 可用于制备抗冲击材料、应力传感器等，展现出其在智能材料领域的广阔应用前景。金属离子介导策略:通过引入变价金属离子，调节氢键供体和受体的静电势，从而显著增强氢键强度，大幅提升刺激响应性能。此外，该研究工作提出的金属离子介导的氢键增强策略也为其他具有动态可逆网络的智能凝胶材料开发提供了新的设计思路。中国科学院深圳先进技术研究院材料人工智能研究中心何睿副研究员为论文唯一通讯作者，陈卓博士及陈恒博士为论文共同第一作者。研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目支持。文章上线截图，原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64000-1图1 PTS SSG 结构设计和剪切硬化机理示意图图2 PTS SSG 性能优化实验数据图3 位阻效应对剪切硬化性能影响探究图4 金属离子介导的氢键增强机理研究图5 PTS SSG的细胞毒性评估及应用展示

2025-10-11

华南植物园树蕨基因组多样性破译“活化石”植物亿万年演化之谜

桫椤科树蕨是蕨类植物中典型的古老孑遗类群，因起源古老和独特的树形而备受关注。其宏观形态自侏罗纪以来高度保守，被誉为恐龙时代“活化石”。尽管形态演化缓慢，该类群却表现出丰富的物种多样性及较强的环境适应能力，成功应对亿万年数次环境剧变，引发了进化生物学中长期未解的谜题：为何这些类群能在保持稳定外形的同时，具备如此强大的生存韧性？中国科学院华南植物园植物进化与保护研究团队构建了不同生态型（典型乔木状树形及无显著树干的非树形）桫椤科植物高质量基因组图谱，整合比较基因组学与转录组学, 深度解析了其基因组演化机制。结果发现，在整体分子进化速率相对缓慢的背景下，整个树蕨谱系仅在约1.54亿年前共享一次全基因组复制（WGD）事件。该事件赋予了树蕨双重适应优势，不仅赋予了祖先树蕨对侏罗纪晚期环境剧变的适应能力，也为后期物种多样化提供了遗传基础。典型树形物种优先保留与细胞壁合成和木质化相关的基因以强化支撑结构，而非树形物种则更多保留代谢与防御相关基因以增强生存韧性。研究还发现，转座子元件的持续爆发驱动了基因组结构动态变化，包括显著的基因组大小变异和染色体重排，成为局部快速演化的核心驱动力。此外，乔木状的表型创新并非简单依赖于WGD滞留基因剂量，而更依赖于复杂的转录调控，该机制可能通过协同木质素合成与光感知过程，进一步促进树蕨在被子植物主导的林下环境中的适应。该研究将传统认知的活化石植物“演化停滞”重新定义为一种基因组的动态平衡。宏观进化迟缓背景下的基因组可塑性与局部创新，正是树蕨成功跨越亿万年地质变迁的演化密钥。该成果不仅为桫椤科珍稀“活化石”蕨类植物的保护研究提供了重要的基因组资源，同时为理解古老孑遗植物的长期存续与演化提供了全新理论框架。相关研究成果以 “Resolving the stasis-dynamism paradox: Genome evolution in tree ferns” 为题发表在进化生物学权威期刊Molecular Biology and Evolution（《分子生物与进化》）。中国科学院华南植物园在读博士研究生魏作影为论文第一作者，根特大学Yves Van de Peer教授、中国科学院华南植物园康明研究员及王静研究员为通讯作者。中国科学院华南植物园冯超副研究员等国内外科研人员参与了该研究。该研究工作得到了广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金、广东基础与应用基础研究旗舰项目等的资助。文章链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msaf247图1. 桫椤科植物的WGD事件及后续基因保留图2. 桫椤科植物基因组多样性

2025-10-10

深圳先进院 | 理性设计噬菌体鸡尾酒的标准化制剂，开展精准、高效的下一代噬菌体疗法（eBioMedicine）

9月18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、合成生物学研究所合成微生物组学研究中心马迎飞团队，联合南方科技大学医院重症医学科潘勇军团队、深圳大学总医院呼吸科柏长青团队以及深圳市人民医院重症医学科刘雪燕团队，在《柳叶刀》旗下转化医学领域重要期刊eBioMedicine（医学1区，IF=10.8）上发表了一项题为“Efficacy of Precisely Tailored Phage Cocktails Targeting Carbapenem-Resistant Acinetobacter baumannii Reveals Evolutionary Trade-offs: a proof-of-concept study”的研究论文。9月18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、合成生物学研究所合成微生物组学研究中心马迎飞团队，联合南方科技大学医院重症医学科潘勇军团队、深圳大学总医院呼吸科柏长青团队以及深圳市人民医院重症医学科刘雪燕团队，在《柳叶刀》旗下转化医学领域重要期刊eBioMedicine（医学1区，IF=10.8）上发表了一项题为“Efficacy of Precisely Tailored Phage Cocktails Targeting Carbapenem-Resistant Acinetobacter baumannii Reveals Evolutionary Trade-offs: a proof-of-concept study”的研究论文。传统噬菌体疗法面临两大关键挑战：其一，致病菌株具有高度多样性，需采用个性化策略——即从患者体内分离并鉴定耐药菌株，进而筛选相匹配的敏感噬菌体以制备个体化制剂；其二，治疗过程中细菌易发生快速变异，产生噬菌体抗性，导致初始治疗方案失效，需重新筛选有效噬菌体。整个过程耗时较长，难以满足临床高效诊疗的迫切需求。针对上述问题，研究团队发现临床中最流行的鲍曼不动杆菌菌株属于荚膜类型2（KL2）。基于这一流行特征，他们利用迭代噬菌体适应性筛选策略（iterative Phage Adaptive Selection,iPAS），成功构建了一种固定配方噬菌体鸡尾酒制剂——ABCK2，可有效应对KL2型菌株及其可能产生的抗性。实验结果显示，89.1%的KL2型菌株对ABCK2敏感，而其余10.9%产生抗性的菌株则表现出细胞毒性显著减弱和抗生素敏感性增强的进化权衡现象。在后续临床应用中，研究团队使用ABCK2成功清除了两例患者肺部感染的KL2型鲍曼不动杆菌，展现出良好的治疗效果。该研究不仅验证了基于流行菌株分型精准设计固定配方噬菌体鸡尾酒的可行性与有效性，也为理解噬菌体-宿主共进化关系提供了关键证据。成功的临床案例突显了ABCK2在治疗多重耐药菌感染中的应用潜力，为推进下一代噬菌体疗法的临床转化奠定了重要基础。一、耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌的全球威胁与噬菌体治疗新契机在中国，耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌（carbapenem-resistant Acinetobacter baumannii，CRAB）的检出率高达60%-70%，其感染所致的临床后果极为严重。研究显示，CRAB血流感染病死率超过60%。由于CRAB具有高致死率与快速传播的特点，它已被世界卫生组织（WHO）列为“最紧迫威胁”级别的耐药病原体，对全球公共卫生构成严峻挑战。在此背景下，能够特异性感染并裂解细菌的噬菌体疗法，近年来被视为对抗耐药菌的新希望。二、KL2型CRAB在广东及全国的流行研究团队从深圳、广州及中山等地的多家医院共采集138株临床分离CRAB，其中荚膜2型（KL2）菌株占比最高，为33.3%。同时，结合两项全国流行病学研究的896株菌株基因组分析发现，KL2型在全国范围内的占比仍高达17.7%（图1）。这提示KL2型CRAB不仅在广东高发，且已在全国范围内广泛流行。三、噬菌体鸡尾酒ABCK2的研发突破尽管噬菌体能够裂解细菌，但细菌同样会进化出对噬菌体的耐药性。例如，KL2型CRAB菌株NAB01B在暴露于噬菌体组合ABCK1后，仅8小时内便出现抗性。为应对这一问题，团队采用迭代适应性筛选（iterative Phage Adaptive Selection,iPAS）策略，使用耐药菌株分离并筛选出杀伤力更强的噬菌体，构建了新的噬菌体鸡尾酒组合ABCK2。在体外实验中，ABCK2能在25小时内完全抑制NAB01B的生长，且未检测到噬菌体抗性（图2）。四、噬菌体抗性株特征分析与ABCK2的广谱抑制性在ABCK2研发过程中所分离的实验室抗性株表现出高度一致的特性：对部分抗生素重新敏感以及毒力减弱等（图3）。这些变异主要集中在细菌荚膜合成基因座（KL）与脂寡糖合成基因座（OCL）（图4），表明获得噬菌体抗性会伴随显著的“适应性代价”。在46株临床KL2型CRAB中，有89.1%对ABCK2高度敏感；其余菌株虽不敏感，但伴随毒力减弱（图5），进一步凸显了ABCK2在临床应用中的潜在价值。五、快速分型与两例成功救治案例研究团队发现，检测特征基因pgt1与gtr3可快速鉴定KL2型CRAB。患者通过此快速分型确诊后，经南方科技大学医院伦理委员会审批及家属知情同意签字，立即接受ABCK2雾化吸入（图6）。患者接受ABCK2治疗后24小时后痰培养阴性，随访4个月无复发，疗效显著。六、前景展望：精准噬菌体策略的临床化与规模化ABCK2的研发与应用，验证了基于流行株型精准定制噬菌体鸡尾酒策略的可行性，并为噬菌体与细菌的共同进化研究提供了实证。从临床救治到大样本体外抑菌实验，ABCK2对KL2型CRAB均表现出广谱且持久的抑制效果，且抗性株毒力明显减弱。未来，ABCK2有望作为一种固定配方的临床储备制剂，结合快速分子检测，实现“快速诊断—精准用药”的闭环治疗模式。该模式既可提升耐药感染治愈率，又为噬菌体疗法的规范化、规模化奠定基础，为应对全球抗生素耐药危机具有重要意义。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、合成生物学研究所合成微生物组学研究中心马迎飞研究员、谭新副研究员和南方科技大学医院潘勇军主任医师为文章的通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院与澳门科技大学联合培养博士生刘自强和中国科学院深圳先进技术研究院谭新副研究员为文章的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、深圳市医学研究专项资金、深圳市科技计划以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。文章上线截图原文链接：https://www.thelancet.com/journals/ebiom/article/PIIS2352-3964(25)00386-X/fulltext图1：广东地区、全国范围内鲍曼不动杆菌荚膜谱系图2：噬菌体迭代适应性筛选策略图3：噬菌体抗性株对抗生素再敏感、毒力下降图4：噬菌体抗性株的基因突变位点图5：KL2型临床CRAB分离株对ABCK2的敏感性及抗性菌生物膜形成能力、对免疫系统抵抗力下降图6：KL2型CRAB的快速鉴定及临床应用

2025-09-22

深圳先进院 | 从海水“捕碳造物”——中国科研团队打通人工海洋碳循环新路径（Nature Catalysis）

北京时间2025年10月6日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与电子科技大学夏川课题组合作，在国际高水平学术期刊Nature Catalysis上发表了题为Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers的研究成果。团队率先提出并验证人工海洋碳循环系统：面向天然海水场景高效捕集CO2，电催化制备可进入生物制造的平台中间体，再经工程化微生物升级转化为高价值分子与材料。研究以可降解材料单体为示范，凸显“捕碳造物”的平台能力与可扩展性，为我国“蓝色经济”、双碳目标与绿色低碳技术创新提供新路径。北京时间2025年10月6日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与电子科技大学夏川课题组合作，在国际高水平学术期刊Nature Catalysis上发表了题为Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers的研究成果。团队率先提出并验证人工海洋碳循环系统：面向天然海水场景高效捕集CO2，电催化制备可进入生物制造的平台中间体，再经工程化微生物升级转化为高价值分子与材料。研究以可降解材料单体为示范，凸显“捕碳造物”的平台能力与可扩展性，为我国“蓝色经济”、双碳目标与绿色低碳技术创新提供新路径。文章上线截图文章链接：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4海洋作为地球最大的碳汇，每年吸收逾四分之一人为排放的二氧化碳，是维系全球气候稳定和碳循环的重要天然缓冲器。然而，随着大气中二氧化碳浓度的持续上升，不仅加剧了气候变化，并且海洋因大量吸收二氧化碳而出现酸化现象，威胁海洋生态安全。如何把已入海的碳资源化并减缓酸化，是海洋治理与绿色制造的共同命题。此次研究团队自主研发电解装置，可在真实海水环境下连续稳定运行超过500小时，以较低的能耗高效捕获海水中的二氧化碳；所捕获碳源经电催化转化为高纯甲酸，再由工程化海洋微生物升级为琥珀酸等平台分子。以琥珀酸为例，团队完成了材料端示范（如可降解塑料PBS制备），用以验证从“海水捕碳—平台中间体—生物升级—终端应用”的端到端可行性；所获替代型生物化学品在性质上与石化同类一致，体现可持续的海洋碳资源利用路径。该研究验证了“以海治碳”的技术可行性，也为我国推进海洋碳汇资源化提供了范例。面向应用，随着技术优化与规模化推进，有望在近海实现“边捕碳、边产料”的一体化布局，带动绿色分子与材料产业发展，促进蓝色经济高质量增长。该工作紧扣“双碳”与“蓝色经济”方向，为气候治理、生态保护与绿色产业提供新方案，彰显了中国科研团队在全球绿色低碳科技创新中的担当与贡献。图1 拟建的人工海洋碳捕集与循环利用系统研究团队提出“人工海洋碳循环系统”的总体思路。该系统包括两个关键环节：首先，通过新型的电解装置直接从海水中捕集二氧化碳，有效避免了电极钝化和盐类沉积等问题，实现长期稳定运行；其次，将捕获的二氧化碳通过电化学与生物催化过程，转化为可替代化石工业来源的生物化学品。该路径贯通了从“海水捕碳”到“绿色分子与材料”的全链条，以可降解塑料单体为示范，凸显其在碳循环、资源利用和环境治理中的战略意义（图1）。图2 利用固态电解质电解槽从海水中捕集二氧化碳研究团队开发了一种用于海水碳捕集的装置，并在结构设计与运行稳定性方面取得了突破。该装置能够以天然海水为原料实现连续二氧化碳捕集，在实际条件下稳定运行超过500小时，显著提升了系统的可靠性。实验结果显示，该装置的碳捕获效率超过70%，并可同步副产氢气；其捕获每吨二氧化碳的成本仅为229.9美元，展现出潜在的经济竞争力。该成果不仅验证了直接利用天然海水实现持续“捕碳”的可行性，也为将海洋碳汇转化为绿色分子与材料、推动海洋经济发展提供了新的可能性（图2）。图3 Bi-BEN 的结构表征研究团队通过两步法成功合成了Bi-BEN（铋基金属有机框架衍生）催化剂。首先经溶剂热反应制备铋基金属有机框架材料，随后在电化学原位重构过程中形成由有机配体修饰的Bi纳米颗粒。通过单晶衍射、X射线吸收光谱等多种表征手段系统验证了其结构特征，确认了该催化剂材料在实际工况条件下的真实结构（图3）。图4 Bi-BEN与Bi纳米颗粒的二氧化碳电还原性能及机理研究研究团队系统对比了Bi-BEN与未修饰Bi纳米颗粒催化剂在二氧化碳电还原反应（CO2RR）中的性能差异。结果表明，Bi-BEN催化剂具有较高的催化活性和甲酸选择性，在720 mA cm-2的甲酸偏电流密度下仅需-1.37 V（相对于可逆氢电极）的过电位，并且稳定性得到明显提升。进一步结合原位光谱与理论计算分析发现，Bi-BEN 的优越性能源于有机配体对关键反应中间体HCOO*的稳定作用，从而协同提升了催化剂的活性、选择性和稳定性（图4）。图5 甲酸的电化学生产及其向琥珀酸的微生物转化为验证依托海洋资源发展海洋经济、利用海水制造绿色材料的可行性，研究团队构建了电催化和生物催化的耦合过程，并以生物塑料为示例完成从捕碳到终端制品的贯通示范。首先，利用Bi-BEN催化剂并通过放大固态电解反应器获得高浓度的纯甲酸溶液，并在连续运行20天内保持稳定产出。随后，工程化的海洋细菌Vibrio natriegens（需纳弧菌）能够以甲酸为唯一碳源实现高效生长，并将其进一步转化为琥珀酸和乳酸。该“电催化+合成生物学”的耦合策略首次实现了海水碳捕集与生物塑料原料生产的衔接，形成面向多产物的通用平台，为跨学科融合提供了新范式（图5）。图6 利用由二氧化碳合成的甲酸进行琥珀酸的生物发酵为验证以二氧化碳合成的甲酸作为唯一碳源生产琥珀酸的工业可行性，研究人员系统展示了完整的生产过程：通过碳同位素（13C）标记实验明确证实琥珀酸碳源来自甲酸；在1L与5L发酵罐完成从摇瓶到中试级的放大验证。过程中产生的乳酸产物亦具备材料与化学品价值，提示路线具备并联多产物潜力。结果表明，该系统具备实际放大与产业化可行性，标志着向“边捕碳、边产料”一体化模式迈出关键一步（图6）。图7 电催化+生物催化的集成系统图8 电催化+生物催化捕获海水中的碳用于合成多种塑料产品的示意图该研究由中国科学院深圳先进技术研究院和电子科技大学等单位合作完成，电子科技大学博士生李成博为第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院博士生郭明明为共同第一作者；夏川教授为最后通讯作者，高翔副研究员为共同通讯作者。项目负责人夏川教授和高翔副研究员表示：“我们希望通过这项技术，把海洋丰富的碳资源转化为绿色高价值产品，实现碳减排、资源利用和产业升级的多重目标。这也是我国落实碳达峰碳中和战略、建设海洋强国的重要科技支撑。”该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省杰出青年基金、广东省基础与应用基础研究基金和深圳市自然科学基金等项目的支持。通讯作者简介：高翔，博士生导师，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，中国科学院人才引进计划和广东省杰出青年入选者。实验室聚焦生物-非生物杂合体人工光合技术，融合生物催化和光/电化学催化的优势，创建超越自然功能的人工光合细胞工厂，开辟光/电能驱动CO₂合成产物的新路径，为解决粮食、能源和环境等问题提供创新解决方案。研究成果以第一和通讯（含共同）作者身份，发表在Nature Catalysis,Nature Chemistry,Nature Sustainability,Chemical Reviews等期刊；主持国家自然科学基金委青年科学基金项目（B类）和面上项目、中国科学院战略先导科技专项(B类)、深圳市重点项目等。

2025-10-09

深圳先进院| 揭示T细胞抗原受体信号多样性的脂质静电调控机制（Mol Cell）

T细胞作为适应性免疫的关键角色，其激活依赖T细胞受体（TCR）对递呈抗原的精准识别与信号传递。这一过程的异常不仅会导致免疫缺陷，还与肿瘤免疫逃逸、慢性感染中T细胞耗竭密切相关。长期以来，TCR信号如何实现“精准启动”与“功能多样性”一直是免疫领域的关键科学问题。作为抗原受体，TCR的核心功能在于将多样的胞外抗原刺激信号转化为胞内信号，从而指导精确的T细胞免疫程序。它由一个抗原识别亚基TCRαβ和三个信号亚基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ构成，其中四种CD3信号链的胞内区共含有10个免疫受体酪氨酸活化基序（Immunoreceptor activation tyrosine-based motif, ITAM），即20个可磷酸化的酪氨酸位点。这些位点如何通过磷酸化组合产生特异性的抗原信号，仍然是免疫学中的未解之谜。近期，多项冷冻电镜研究报道了TCR-CD3复合体结构，然而CD3胞内信号区信息由于其无序性和高度动态性而缺失。因此，填补这一知识空白对于完整地理解抗原免疫应答至关重要。T细胞作为适应性免疫的关键角色，其激活依赖T细胞受体（TCR）对递呈抗原的精准识别与信号传递。这一过程的异常不仅会导致免疫缺陷，还与肿瘤免疫逃逸、慢性感染中T细胞耗竭密切相关。长期以来，TCR信号如何实现“精准启动”与“功能多样性”一直是免疫领域的关键科学问题。作为抗原受体，TCR的核心功能在于将多样的胞外抗原刺激信号转化为胞内信号，从而指导精确的T细胞免疫程序。它由一个抗原识别亚基TCRαβ和三个信号亚基CD3εδ、CD3εγ和CD3ζζ构成，其中四种CD3信号链的胞内区共含有10个免疫受体酪氨酸活化基序（Immunoreceptor activation tyrosine-based motif,ITAM），即20个可磷酸化的酪氨酸位点。这些位点如何通过磷酸化组合产生特异性的抗原信号，仍然是免疫学中的未解之谜。近期，多项冷冻电镜研究报道了TCR-CD3复合体结构，然而CD3胞内信号区信息由于其无序性和高度动态性而缺失。因此，填补这一知识空白对于完整地理解抗原免疫应答至关重要。2025年10月2日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所施小山课题组、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心许琛琦课题组与上海科技大学王皞鹏课题组合作，在Molecular Cell杂志上发表了题为“Lipid-regulated phosphorylation hierarchy of the T cell receptor tyrosine motifs”的封面研究论文。该研究利用核磁共振、定量质谱和细胞实验，解析了TCR-CD3复合物中关键信号亚基CD3ζ的胞内区结构以及磷酸化规律，揭示了正电基序（Basic residue Rich Sequence,BRS）与脂质相互作用在其中的关键调控机制，同时提出CD3ζ磷酸化不充分是T细胞功能耗竭的诱因之一，为合成免疫受体的理性设计提供了新思路。CD3ζζ同源二聚体是TCR-CD3复合物的主要信号亚基，每条CD3ζ的胞内区含有3个ITAM，由此贡献了TCR中60%的可磷酸化酪氨酸位点。CD3ζ胞内区一直被用作嵌合抗原受体（CAR）的固定模块，启动其信号级联反应。为攻克“无序且动态”的CD3ζ胞内区在结构解析上的技术难题，研究团队采用模拟生理膜酸性磷脂环境的脂质双分子层（bicelle）系统，结合溶液核磁共振（NMR）技术，成功解析了CD3ζ胞内信号区的动态结构。CD3ζ的3个ITAM基序呈现“N端到C端梯度膜插入”的异质性——N端的ITAM1膜插入程度最浅，中间的ITAM2膜插入程度居中，而C端的ITAM3膜插入程度最深。值得注意的是，ITAM的膜插入水平主要由其邻近的BRS与脂质的相互作用调控，而非由ITAM自身序列决定。这一发现明确了CD3ζ ITAM结构异质性的分子基础。结构的异质性往往对应功能的特异性，研究团队进一步探究了ITAM膜插入差异对其磷酸化的影响。利用新型靶向定量质谱等技术，研究团队发现了脂质依赖的磷酸化顺序：在酸性脂质存在时，CD3ζ的3个ITAM呈现N端到C端的“顺序磷酸化”——ITAM1磷酸化最快，ITAM2次之，ITAM3最慢；而在中性脂质环境中，这种顺序性完全消失。这一结果表明，脂质通过调控ITAM的膜插入深度，直接决定了其被LCK激酶（TCR信号关键激酶）磷酸化的效率：膜插入浅的ITAM更易被激酶接触，磷酸化更快；反之则更慢。为进一步验证这一机制，研究团队突变了CD3ζ的BRS基序，破坏ITAM的膜插入梯度，磷酸化的顺序性也随之瓦解。这些结果证实了“BRS-lipid”的静电相互作用是CD3ζ顺序磷酸化的核心驱动因素。TCR信号的精准调控不仅关乎生理免疫应答，更与病理状态（如肿瘤、慢性感染）下的T细胞耗竭密切相关。研究团队进一步探究了慢性TCR刺激（模拟肿瘤微环境或慢性感染）对CD3ζ磷酸化的影响。结果表明：T细胞在耗竭过程中CD3ζ的磷酸化模式发生显著改变——C端的ITAM3的磷酸化衰减速度远快于N端的ITAM1，这导致细胞中积累大量“部分磷酸化”的CD3ζ，进而引发TCR信号不足。慢性刺激过程中ATP耗竭是这一异常的关键原因，因为ATP不足使得膜插入程度高的酪氨酸不容易获得磷酸化。这一发现为T细胞耗竭机制提供了新解释：即除了免疫检查点分子（如PD-1、LAG3等）外，TCR自身的磷酸化不足也是T细胞功能异常的重要原因。在多种人类肿瘤中，T细胞耗竭与TCR信号不足具有明确的相关性。综上所述，该研究通过生物物理学、生物化学和免疫学的多学科交叉，解析了CD3ζ胞内区在生理酸性膜环境中的动态结构，阐明了静电调控的ITAM的顺序磷酸化规律，发现了T细胞耗竭的新机制，为免疫治疗提供了新思路。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所施小山研究员、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心许琛琦研究员以及上海科技大学王皞鹏研究员为该论文的共同通讯作者。分子细胞科学卓越创新中心李华副研究员、孟丽博士、深圳先进技术研究院褚纯博士、分子细胞科学卓越创新中心李昌庭、杨皓晨为该论文的共同第一作者。本研究获得了深圳合成生物研究重大科技基础设施和深圳合成生物学创新研究院公共技术平台提供的技术支持，特别是质谱平台在数据采集过程中的专业支撑。该论文被选为封面故事：六孔长笛象征含六个酪氨酸磷酸化位点的CD3ζ。正如不同的笛子孔位组合可产生各种音调，不同的CD3ζ磷酸化组合也能产生多样化的信号输出，从而决定抗原免疫应答的特异性。封面插画由许琛琦课题组的张雨萌同学创作。文章上线截图原文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(25)00746-4图1 CD3ζ信号区的膜结合结构及其磷酸化层级性

2025-10-09

深圳先进院 | 多模态相似性评估器SynMSE 突破无监督多模态医学图像配准中复杂分布差异难题（Medical Image Analysis ）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所秦文健研究员团队针对无监督配准算法在复杂多模态场景中面临的挑战，创新性提出了一种新的多模态相似性评估器（SynMSE），有效解决了配准过程中的分布差异难题。该成果以"SynMSE: A multimodal similarity evaluator for complex distribution discrepancy in unsupervised deformable multimodal medical image registration"为题，发表在医学图像分析领域知名期刊 Medical Image Analysis上。医学图像配准在放射治疗计划、手术导航及多模态影像融合中发挥着关键作用。然而，无监督多模态配准方法常常受到灰度分布差异、解剖结构异质性和生理运动变异的影响，导致配准精度不足。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所秦文健研究员团队针对无监督配准算法在复杂多模态场景中面临的挑战，创新性提出了一种新的多模态相似性评估器（SynMSE），有效解决了配准过程中的分布差异难题。该成果以"SynMSE: A multimodal similarity evaluator for complex distribution discrepancy in unsupervised deformable multimodal medical image registration"为题，发表在医学图像分析领域知名期刊 Medical Image Analysis上。研究团队提出了一种全新的解耦空间与分布信息的无监督配准框架。具体而言，团队设计了一个基于 Structure-Constrained CycleGAN 的生成器，用于模拟模态间的灰度差异并保持解剖拓扑一致性；同时，通过随机变换与伪影像生成分离空间错位与分布差异，使 SynMSE 评估器能够忽略模态特有的灰度差异，聚焦于空间对齐，从而作为即插即用的相似性度量模块无缝集成于任意配准网络中。研究结果表明，SynMSE 在L2R 2022 CT-MR腹部数据集、临床宫颈CT-MR数据集以及CuRIOUS MR-US脑数据集上均取得了最优配准性能。与传统方法相比，SynMSE显著提升了Dice系数、降低了HD95与TRE误差，实现了在复杂模态差异下的高精度解剖结构对齐。图4-图6分别为所提出方法在三个数据集上的定性结果展示，红色标注代表固定图像的目标器官区域，黄色标注代表浮动图像与配准后图像的目标器官区域。表示图中结果显示，SynMSE更好的克服了多模态图像间的复杂分布差异，不仅实现了更精确的配准效果，而且有效保持了组织边界与解剖拓扑的完整性，明显优于现有方法。中国科学院深圳先进技术研究院秦文健研究员为通讯作者，硕士生朱静珂为第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院谢耀钦研究员、辽宁省肿瘤医院孙德宇、崔明，香港理工大学蔡璟教授为论文的共同作者。该研究获得国自然联合重点、深圳市基础重点、国家重点研发、深港肿瘤图像智能计算分析联合实验室和中国科学院青促会等项目支持。图1：文章上线截图，原文链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361841525001677?sessionid=1950329661图2：多模态医学图像配准的复杂分布差异问题图3：所提出方法架构图图4：所提出方法与现有方法在L2R 2022 CT-MR腹部数据集上的定性效果图5：所提出方法与现有方法在临床宫颈CT-MR数据集上的定性效果图6：所提出方法与现有方法在CuRIOUS MR-US脑数据集上的定性效果（黄色箭头指向图像上的较为明显的脑沟等显著结构）

2025-09-23

深圳先进院 | 开发剂量敏感的基因扰动组学技术（Nature Genetics）

基因剂量的变化在胚胎发育、疾病发生以及细胞命运决定过程中发挥着关键作用，其系统化解析对于精准理解生命过程至关重要。作为研究基因功能的核心策略，基因扰动近年来与单细胞组学的结合，使研究者能够在全基因组尺度上系统解析基因的功能，并为虚拟细胞等人工智能模型的构建提供了宝贵的数据支撑。然而，现有的大规模基因扰动技术大多将基因功能简化为“开/关”的二元模式，难以捕捉剂量依赖的连续效应。这种局限不仅削弱了对基因功能的全面理解，也可能在复杂生物学问题中引入不全面甚至错误的结论。基因剂量的变化在胚胎发育、疾病发生以及细胞命运决定过程中发挥着关键作用，其系统化解析对于精准理解生命过程至关重要。作为研究基因功能的核心策略，基因扰动近年来与单细胞组学的结合，使研究者能够在全基因组尺度上系统解析基因的功能，并为虚拟细胞等人工智能模型的构建提供了宝贵的数据支撑。然而，现有的大规模基因扰动技术大多将基因功能简化为“开/关”的二元模式，难以捕捉剂量依赖的连续效应。这种局限不仅削弱了对基因功能的全面理解，也可能在复杂生物学问题中引入不全面甚至错误的结论。2025年10月3日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所陈万泽课题组与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Bart Deplancke课题组合作，在Nature Genetics发表了题为"Dissecting the impact of transcription factor dose on cell reprogramming heterogeneity using scTF-seq"的研究成果。团队开发了scTF-seq技术，实现了剂量敏感的大规模基因扰动单细胞组学，并以转录因子介导的细胞重编程为模型，系统揭示了基因剂量在细胞命运调控中未被充分认识的多层次、非线性复杂效应。为什么scTF-seq可以实现大剂量范围的基因扰动并定量？巧妙利用Tet-on启动子内在噪音和逆转录病毒基因组不同整合位置表达活性差异，进一步结合高滴度病毒转导的拷贝数差异（有别于传统大规模扰动中常用的低滴度方式）。这种设计使得即使单一Doxycycline浓度下，转基因的剂量也可以达到平均60倍，最高1000倍的极宽剂量分布。并结合3’scRNA-seq兼容的条形码，定量解析转录因子剂量与转录组变化之间的对应关系，从而首次在大规模基因扰动背景下实现了“剂量敏感”的功能解析。单基因的复杂非线性效应scTF-seq揭示了转录因子剂量并非简单线性地影响细胞命运。例如，KLF4在不同剂量下分别驱动与骨骼形成、细胞结构组装或上皮发育相关的不同基因表达模式，表现出高度非线性的调控特征。这些复杂剂量效应为解释细胞重编程的异质性提供了重要线索。基因与其他细胞过程的互作研究还发现，基因剂量效应与细胞周期等其他细胞过程密切相关。CEBPA和PPARG在高剂量下促进细胞周期退出并推动脂肪分化，而MYCN则突破常规，在细胞持续增殖的同时驱动分化，但最终伴随细胞死亡。这揭示了基因剂量、细胞周期与分化过程之间的精细耦合关系。多基因互作的剂量敏感性在组合扰动实验中，研究者发现不同转录因子的相互作用不仅取决于基因组合本身，还强烈依赖于基因剂量。同一对转录因子组合在不同剂量下可表现为可逆转的协同或拮抗作用，且这种效应具有基因特异性，进一步凸显了基因网络调控的复杂性。综上，该研究表明，基因剂量不仅决定单个基因的功能，还塑造了基因与细胞过程的互作格局，以及多基因间的协同与竞争关系。scTF-seq为系统性地解析这些剂量依赖效应提供了新方法，产生的基因定量扰动数据也为精准细胞工程和虚拟细胞模型构建提供了关键支撑。该工作由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）合作完成，陈万泽研究员和Bart Deplancke教授为共同通讯作者，刘王杰（博士生）、Wouter Saelens（博士后）和Pernille Rainer（博士生）为共同第一作者。该工作获得了重点研发计划、国家自然科学基金委、深圳市医学研究专项和深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。陈万泽博士现为中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员，博士生导师，主要研究方向是通过新技术的开发，理解细胞命运决定机制并进行改造和干预，得到国家自然科学基金优秀青年项目，国家重点研发计划课题等重要项目的支持，相关成果以通讯和第一作者身份在Nature,Nature Genetics,Nature Cell Biology等期刊发表，被Nature Biotechnology,Nature Methods，Nature Immunology等多个杂志专文评述和高亮报道。欢迎感兴趣的博士后、博士生和研究助理加入！文章上线截图，原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-025-02343-7图1:scTF-seq的原理图示图2: 两个转录因子之间协同-拮抗效应的剂量可逆性

2025-10-09