科研进展--中国科学院广州分院

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

深圳先进院 | 基于二维碳化钒/氧化钒异质结构的人工感知神经元实现多色近红外目标识别（Advanced Materials）

近红外（NIR）光子探测与目标识别是自动驾驶、夜间监控和战术侦察等领域实现全天候目标识别的关键技术。然而，传统近红外探测系统受限于分立式架构与冯·诺依曼瓶颈，普遍存在能效低、信号传输延迟大等问题。利用红外敏感型易失性忆阻器构建的人工感知神经元，为实现低功耗实时高效处理的神经形态红外感知器件提供了新途径。近红外（NIR）光子探测与目标识别是自动驾驶、夜间监控和战术侦察等领域实现全天候目标识别的关键技术。然而，传统近红外探测系统受限于分立式架构与冯·诺依曼瓶颈，普遍存在能效低、信号传输延迟大等问题。利用红外敏感型易失性忆阻器构建的人工感知神经元，为实现低功耗实时高效处理的神经形态红外感知器件提供了新途径。近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料人工智能研究中心王佳宏团队在光电忆阻器领域取得新突破，在材料学术期刊Advanced Materials上发表了题为"2D Vanadium Carbide/Oxide Heterostructure-Based Artificial Sensory Neuron for Multi-Color Near-Infrared Object Recognition"的研究论文。该研究通过拓扑化学转化法开发出一种同时具备近红外响应特性和易失性电阻开关行为的二维碳化钒/氧化钒异质结构。基于该异质结构的忆阻器不仅在数千次循环中表现出稳定的阈值型电阻切换（RS）行为，而且具有近红外光功率强度和波长的阈值电压调制能力，可以实现人工感知神经元生物行为模拟。通过与YOLOv7算法结合构建用于多波段红外目标识别的人工神经网络（ANN），实现对FLIR数据集上多种目标物体的检测与识别（图1）。研究团队提出“新型红外响应光电忆阻器设计”新思路，工作亮点如下：多功能界面融合二维异质结构：通过对V2CTx进行精确控制的温和氧化拓扑化学转化，成功合成了具有多功能界面融合的V2C/V2O5-x二维异质结构。该结构通过金属性的V2C与富含氧空位的介电材料V2O5-x相结合，利用V2O5-x和V中空位扩散以及异质结界面处的V-O键重排，实现了忆阻器阈值型易失性电阻开关能力与近红外响应特性（图2）。卓越的多色近红外响应易失性型忆阻器：V2C/V2O5-x忆阻器展现出稳定的阈值型易失性特性，其转变电压的变异系数低至1.62%和1.7%。研究还发现，通过调节785nm至1550nm波段的近红外光功率密度与波长，可有效调控该忆阻器的阈值电压，模拟生物神经元的动态行为（图3）。复杂驾驶场景中关键物体的精准检测与识别：将V2C/V2O5-x忆阻器构建的人工感知神经元系统结合YOLOv7算法模型构建人工神经网络架构，在FLIR数据集上对智能驾驶场景中汽车和行人的平均识别准确率可以达到87.7%和89.6%，展现出在复杂环境下的感知潜力（图4）。这项工作不仅提出了一种新型红外响应光电忆阻器设计思路，更展示了神经形态计算与近红外感知融合的可能性。这种融合架构有望显著提升边缘计算设备的实时处理能力，为自动驾驶、智能安防等领域提供更高效、低功耗的超视觉感知解决方案中国科学院深圳先进技术研究院材料人工智能研究中心王佳宏副研究员为论文唯一通讯作者，渠源多博士及郝梦娣硕士研究生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、广东省自然科学基金杰青项目、深圳市科技计划等项目支持。图1 | 基于二维碳化钒/氧化钒异质结构的人工感知神经元实现多色近红外目标识别示意图。图2 | V2C/V2O5-x异质结构制备示意图和结构表征图3 | Au/V2C/V2O5-x/ITO光电忆阻器的阈值转换特性及近红外光响应能力图4 | 基于人工神经元的红外目标检测与识别神经网络系统

2025-09-29

“十四五”国家重点研发计划项目“畜禽低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术”中期推进会在长沙召开

为全面梳理“十四五”项目进展，凝练亮点成果，推动任务目标的达成，为“十五五”开局奠定基础，9月27日至29日，国家重点研发计划“畜禽新品种培育与现代牧场科技创新”重点专项“畜禽低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术”项目中期推进会在长沙中国科学院亚热带农业生态研究所召开。为全面梳理“十四五”项目进展，凝练亮点成果，推动任务目标的达成，为“十五五”开局奠定基础，9月27日至29日，国家重点研发计划“畜禽新品种培育与现代牧场科技创新”重点专项“畜禽低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术”项目中期推进会在长沙中国科学院亚热带农业生态研究所召开。来自中国农业大学、四川农业大学、中国科学院亚热带农业生态研究所、浙江大学、中国农业科学院北京畜牧兽医研究所、西北农林科技大学、广东省农业科学院动物科学研究所、西南大学、福建农林大学、禾丰食品股份有限公司、北京大北农科技集团股份有限公司、安徽华恒生物科技股份有限公司等单位的各课题负责人及团队骨干成员等50余人参会。会议开幕式由亚热带生态所畜禽健康养殖与农牧复合生态研究中心孔祥峰研究员主持。亚热带生态所党委书记谭支良致欢迎词，中国工程院院士印遇龙研究员、西北农林科技大学姚军虎教授、浙江大学刘建新教授任项目咨询专家，由印遇龙院士主持项目和课题的咨询研讨。项目汇报环节，项目负责人曾祥芳教授系统汇报了项目总体进展，重点展示了在低蛋白日粮技术体系构建、豆粕减量替代等方面取得的突破性进展。各课题及任务负责人围绕任务目标、考核指标完成情况、标志性成果及存在问题等进行了详细汇报。具体包括：课题一“日粮碳氮适配调节畜禽氮高效利用与沉积的机制”重点关注碳氮养分协同沉积机制；课题二“畜禽低蛋白日粮净能需要及净能赖氨酸平衡模式”深入研究净能与赖氨酸平衡关系；课题三“畜禽低蛋白日粮限制性氨基酸需要及平衡模式”着力探索限制性氨基酸需求规律；课题四“畜禽低蛋白日粮矿物元素需要及电解质平衡模式”重点研究矿物元素需求模式；课题五“畜禽低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术集成”致力于技术体系集成与示范应用。汇报显示，各课题均按计划完成了阶段研究任务，在理论创新和技术突破方面取得重要进展。咨询专家针对项目取得的进展给予充分肯定，并提出建设性意见。专家强调，要进一步加强低蛋白日粮营养需要量精准评定和差异化配制技术研究，建立主要畜禽品种的全生命周期技术方案；深化碳氮养分高效利用机制研究，突破能氮同步释放等关键技术；注重多元化日粮技术规程制定和标志性成果凝练，形成可推广的行业标准。专家特别指出，要加强经济效益分析，用详实数据验证技术的降本增效能力，推动科技成果转化应用。会议期间，财务专家专门介绍了重点研发计划项目经费管理要求，对中期财务执行情况进行了反馈，并就结题审计工作进行了部署，确保经费使用规范高效。此次会议系统总结了项目阶段性进展和考核指标完成情况，为下一阶段研究工作指明了方向。项目组将加强跨课题协作，系统集成研究成果，创制可复制、可推广的主要畜禽品种的低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术的示范模式，为缓减大豆进口依赖提供技术支撑。会议现场项目汇报专家点评会议合影

2025-09-30

南海海洋所 | 研究揭示全球火山海岛新生海岸侵蚀的共性规律

近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质实验室李伟研究员团队，联合英国曼彻斯特大学、卡迪夫大学及葡萄牙海军水文研究所科研人员，揭示了全球海岛火山喷发形成海岸的侵蚀速率随时间衰减的共性演化规律。相关成果发表在地球科学领域国际权威期刊Journal of Geophysical Research: Earth Surface（《地球物理学研究杂志:地球表面》），南海海洋所副研究员赵中伟为论文第一作者。火山喷发不仅是地球内部能量在地表释放的剧烈表现，也是塑造“蓝色星球”最重要的造陆过程之一。喷发过程中堆积的大量火山灰和熔岩，能够形成新的大洋火山岛或熔岩三角洲，这些新生陆地长期以来是夏威夷、亚速尔群岛和加那利群岛等地区机场、港口、农业及旅游开发的重要空间来源。然而，这些新生岛屿常孤立于大洋之中，直接暴露于复杂的海洋动力环境，海岸长期遭受海浪侵蚀冲击。因此，喷发新生海岸侵蚀的演化趋势，成为制约其安全开发和灾害防范的关键科学问题。研究团队对1952年至2022年间全球12处火山喷发形成的新生海岛海岸开展系统研究，发现其侵蚀速率普遍呈现“早期快速侵蚀、后期逐渐减缓”的规律性趋势。同时，研究人员利用反幂函数方程成功实现了对该规律的高精度数值拟合，并进一步发现，当依据海岸岩性类型进行分组时，模型拟合精度显著提升。该研究不仅揭示了火山喷发新生海岸侵蚀的共性演化规律，加深了对海岛地貌演变过程的科学认知，也为火山海岛的空间开发规划及海洋防灾减灾风险评估提供了重要的理论支撑。本研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国科学院广州分院院长青年人才基金和广州市基础与应用基础一般项目等资助。论文信息：Zhao,Z.,Mitchell,N. C.,Quartau,R.,&Ramalho,R. S. (2025). Systematic slowingof initially rapid retreat of new coastsformed by historical eruptions in volcanicislands. Journal of Geophysical Research:Earth Surface,130,e2024JF008058.论文链接：https://doi.org/10.1029/2024JF008058图1 1952-2022年间全球12处海岛火山喷发形成新生海岸的区域位置示意图。图2 海岛火山喷发形成海岸的侵蚀速率随时间衰减共性规律的数值拟合示意图。

2025-09-23

南海海洋所 | 研究发现多重溶原菌中原噬菌体间的分子对话机制

近日，中国科学院南海海洋研究所王晓雪研究员团队在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表题为“Crosstalk between inovirus core gene and accessory toxin-antitoxin system mediates polylysogeny”的研究论文。该研究首次发现丝状原噬菌体编码的核心基因与共存原噬菌体编码的毒素-抗毒素(TA)系统间的互作机制，为理解多重溶原菌的生物学功能及开发新型抗菌策略提供了重要的理论依据。南海海洋研究所2022级博士研究生古嘉瑜为论文第一作者，研究员王晓雪为论文通讯作者。在自然环境中，细菌宿主通常被多个温和噬菌体侵染，呈现多重溶原，对细菌宿主的毒力、基因组可塑性及环境适应性具有重要影响。本研究以生物膜模式菌株铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）为研究模型，该菌被两个核心基因组高度相似的丝状噬菌体Pf4和Pf6侵染，整合在宿主基因组的不同位点，两个噬菌体在生物膜形成过程中被激活，参与调控生物膜发育与宿主毒力（Guo et al.,Nature Communications 2024;Guo et al.,Cell Reports 2024）。然而，两个噬菌体之间如何监控细菌宿主环境进行激活，以及生物膜激活中的竞争与协作关系均不明确。研究团队发现Pf4噬菌体核心区域的复制相关蛋白RepG4可直接结合并降解共存Pf6噬菌体携带的三元TA系统KKP中的抗毒素PfpC，从而激活激酶PfkA/PfkB的毒素毒性。当Pf4复制水平达到一定阈值时，RepG4的积累引发宿主细胞受控死亡，从而限制Pf4过度增殖，并协调两种噬菌体在生物膜成熟阶段的有序释放。进一步研究表明，尽管Pf4与Pf6核心基因组序列高度相似，它们却演化出截然不同的调控策略：RepG4通过降解抗毒素以控制噬菌体复制强度，而Pf6的同源蛋白RepG6因关键氨基酸位点突变（R49C）而不具备该功能，反而可稳定PfpC，从而保护自身免受毒性激活。这一差异化机制既避免了两者间的过度竞争，又实现了对宿主-病毒稳态的协同维持，有助于增强细菌在生物膜环境中的生存与致病能力。该研究突破了传统原噬菌体调控研究中“阻遏蛋白-抗阻遏蛋白”的单一认知框架，揭示了原噬菌体核心复制基因与共存原噬菌体辅助毒素-抗毒素系统间的通讯机制（图1）。这一发现不仅深化了对多溶原性微生物生态适应策略的理解，也为未来靶向耐药性铜绿假单胞菌感染提供了新思路与潜在干预策略。本研究工作得到国家自然科学基金、科技部基础资源调查专项、广东省本土创新团队等项目资助。相关论文信息：Jiayu Gu,Yunxue Guo,Juehua Weng,Shituan Lin,Yabo Liu,Xiaoxue Wang*. Crosstalk between inovirus core gene and accessory toxin-antitoxin system mediates polylysogeny. Nature Communications,2025,16:7268. doi: 10.1038/s41467-025-62378-6.论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62378-6图1 噬菌体Pf6的TA系统KKP监控Pf4的复制蛋白实现两个噬菌体有序激活释放

2025-09-23

南海海洋所 | 细菌类组蛋白H-NS翻译后修饰研究工作取得新进展

中国科学院南海海洋研究所王晓雪研究员团队，2025年9月20日在微生物领域国际权威期刊FEMS Microbiology Reviews发表题为“Post-translational Modifications of the Nucleoid Protein H-NS: Sites,Mechanisms,and Regulatory Cues”的综述论文。该研究系统梳理细菌类组蛋白H-NS的多种翻译后修饰模式，提出这些修饰模式构成“细菌类组蛋白密码”，揭示H-NS通过翻译后修饰驱动细菌基因组进化的精密机制，为理解细菌环境适应、致病机制及开发新型抗菌策略提供重要理论支撑。博士后刘亚博为第一作者，研究员王晓雪为通讯作者。基因组压缩与动态调控是生命体共通的核心科学问题。细菌缺乏真核生物核小体结构，主要依赖H-NS等核结合蛋白实现基因组的压缩与调控功能。H-NS可沉默原噬菌体、毒力岛等外来基因元件，维持基因组稳定性。研究发现细菌又能在特定环境下解除H-NS的沉默并激活外源基因表达，这一过程是细菌环境适应的关键过程。但细菌宿主如何感应外界环境变化，通过H-NS实现对外来基因元件的精准调控是领域内备受关注的科学问题。研究整合大肠杆菌、铜绿假单胞菌、希瓦氏菌和杀鱼爱德华氏菌等多物种证据，阐释H-NS通过其N端寡聚化域、中间柔性连接区和C端DNA结合域发生多种翻译后修饰调控其沉默功能：N端修饰调整H-NS聚合状态，掌控基因沉默开关；中间区修饰重塑电荷分布；C端修饰直接改变其对高AT含量DNA的结合能力（图1）。翻译后修饰是拮抗H-NS沉默的关键机制，与已知的抗沉默蛋白、小分子代谢物及蛋白酶解等途径协同作用，通过感知环境信号、传导调控指令，最终实现表型输出，助力细菌利用外源基因增强环境适应性。尤为重要的是，研究进一步提出，外源基因常编码修饰酶或抗沉默蛋白，在激活条件下解除H-NS介导的基因沉默。这一由外来元件参与的主动“转录解抑制”过程充分呈现了细菌与外来基因元件间的竞争与协作关系，是系统认识微生物中水平基因转移的重要视角。本研究工作得到国家自然科学基金、国家科技基础资源调查专项、中国博士后科学基金及ONCE等项目的资助。相关论文信息：Yabo Liu,Xiaoxue Wang*. Post-translational modifications of the nucleoid protein H-NS: sites,mechanisms,and regulatory cues. 2025,FEMS Microbiology Reviews,fuaf045. 论文链接：https://doi.org/10.1093/femsre/fuaf045图1 H-NS沉默外源基因表达与翻译后修饰介导抗沉默机制

2025-09-23