科研進(jìn)展
  • Nature Synthesis｜首次實現(xiàn)植物激素茉莉素在釀酒酵母的異源從頭合成
    研究提出在釀酒酵母中重構(gòu)茉莉素的生物合成途徑，建立微生物細(xì)胞工廠以實現(xiàn)高效和綠色生產(chǎn)，為茉莉素在農(nóng)業(yè)及化妝品行業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用鋪平道路。11月14日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所羅小舟研究員和Jay. D. Keasling教授課題組在Nature Synthesis上發(fā)表題為Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates的文章。該研究針對現(xiàn)階段植物激素茉莉素在生產(chǎn)上面臨的化學(xué)合成難度大、植物提取得率低等挑戰(zhàn)，提出在釀酒酵母中重構(gòu)茉莉素的生物合成途徑，建立微生物細(xì)胞工廠以實現(xiàn)高效和綠色生產(chǎn)，為茉莉素在農(nóng)業(yè)及化妝品行業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用鋪平道路。茉莉素（jasmonates）是茉莉酸及其衍生物茉莉酸甲酯、茉莉酸異亮氨酸等的統(tǒng)稱。作為植物的抗性激素，茉莉素在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和逆境應(yīng)答過程中有著舉足輕重的作用，被廣泛應(yīng)用于增產(chǎn)提質(zhì)、抗寒防凍、抵御蟲害等。美國和日本等國家已將茉莉素投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,在改善蘋果、葡萄、柑橘等作物的果實品質(zhì)和防御能力上卓有成效，茉莉素正憑借其強(qiáng)大的抗病蟲害能力躋身于生物農(nóng)藥主力軍的行列。此外，茉莉素還因其特殊的香味，在化妝品領(lǐng)域占據(jù)一席之地。素有“合成茉莉”之稱的二氫茉莉酮酸甲酯作為茉莉素衍生物，是香料界使用最多的產(chǎn)品之一，最早應(yīng)用于迪奧的“Eau Sauvage”香水，現(xiàn)被用于幾乎所有類型的香水中。一份來自于QYResearch的調(diào)研報告顯示：2025年，全球二氫茉莉酮酸甲酯的市場規(guī)模將達(dá)12億元人民幣。茉莉素市場未來可期。然而，茉莉素主要來源于傳統(tǒng)的植物提取，但植物中的低含量和萃取過程的繁瑣在不同程度上導(dǎo)致生產(chǎn)成本攀升；復(fù)雜的立體構(gòu)型，又給化學(xué)全合成帶來不少挑戰(zhàn)，生產(chǎn)上的種種困境嚴(yán)重限制了茉莉素的規(guī)?；瘧?yīng)用。合成生物學(xué)的發(fā)展使得天然產(chǎn)物的異源生產(chǎn)成為可能。自1962年從素馨花中首次發(fā)現(xiàn)并分離茉莉酸甲酯以來，科學(xué)家一直致力于茉莉素生物合成通路的解析，完整的合成途徑在2012年問世。茉莉素在植物中的合成過程較為復(fù)雜，通路長，酶促類型多樣，還涉及中間產(chǎn)物在不同細(xì)胞器間的轉(zhuǎn)運：磷脂酶先將 -亞麻酸（ -LeA）從葉綠體膜上釋放； -LeA在葉綠體內(nèi)，由多酶復(fù)合體催化形成12-氧代-植物二烯酸（OPDA）；OPDA在過氧化物酶體中，經(jīng)過3輪 -氧化生成茉莉酸（JA）；JA在細(xì)胞質(zhì)中被轉(zhuǎn)化為下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸異亮氨酸（JA-Ile）等。公認(rèn)安全的釀酒酵母因含有多種細(xì)胞器，被該團(tuán)隊優(yōu)先選擇為茉莉素異源從頭合成的微生物底盤。合成途徑的復(fù)雜度為重構(gòu)工作帶來不少挑戰(zhàn)，其中，在酵母中找尋適合中間體 -LeA和OPDA合成的場所，是途徑重構(gòu)首要解決的難題。在該研究中，研究團(tuán)隊首先在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。 -LeA在植物的葉綠體中被合成，而酵母缺少葉綠體結(jié)構(gòu)；酵母雖不能從頭合成 -LeA，卻可以在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA的前體。受啟發(fā)于此，該團(tuán)隊嘗試在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。通過在釀酒酵母中引入克魯維酵母來源的FAD，實現(xiàn) -LeA在酵母的從頭合成（圖2A），但 -LeA的產(chǎn)量僅0.7 mg/L，遠(yuǎn)不夠進(jìn)行下游轉(zhuǎn)化。共聚焦實驗表明，相關(guān)基因均成功定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（圖2B）。同時，研究人員還基于改造自由脂肪酸的代謝通路（圖2C），將 -LeA的產(chǎn)量提升至51.2 mg/L（圖2D）。其次，在酵母的細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA。OPDA在植物的葉綠體中被合成，同樣需要在酵母中尋找適合OPDA合成的場所。細(xì)胞質(zhì)和過氧化物酶體是潛在的候選選項：若在細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA，后續(xù)需要OPDA轉(zhuǎn)運進(jìn)過氧化物酶體完成下游轉(zhuǎn)化；若在過氧化物酶體中合成OPDA，則需要底物 -LeA先行轉(zhuǎn)運至過氧化物酶體?？紤]到 -LeA在過氧化物酶體中被降解的可能性，該團(tuán)隊嘗試將OPDA合成途徑（LOX、AOS和AOC）定位至酵母的細(xì)胞質(zhì)中。首先對不同來源的LOX進(jìn)行活性篩選（圖3A）和組合表達(dá)，將中間體13-HPOT的產(chǎn)量提升至10.8 mg/L（圖3B）。繼續(xù)引入AOS和AOC，成功實現(xiàn)OPDA的生產(chǎn)，產(chǎn)量4.9 mg/L（圖3C和3D）。共聚焦實驗表明，相關(guān)基因均成功定位在酵母的細(xì)胞質(zhì)（圖3E）。緊接著，在酵母的過氧化物酶體中合成JA。鑒于植物和酵母在 -氧化過程上的相似性，該研究直接模仿植物中JA的合成過程，在酵母中引入保留了自身過氧化物酶體定位肽的相關(guān)酶（OPR、ACS、ACX、MFP和KAT），在過氧化物酶體中成功實現(xiàn)JA的合成，產(chǎn)量達(dá)9.6 mg/L（圖4A和4B），進(jìn)一步飼喂底物 -LeA，JA的產(chǎn)量可達(dá)19.0 mg/L。最后，在酵母的細(xì)胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile等衍生物。在產(chǎn)JA的酵母底盤中引入JMT以合成MeJA，產(chǎn)量3.1 mg/L（圖5A和5B）；引入JAR合成JA-Ile，產(chǎn)量7.0 mg/L（圖5C和5D）。至此，研究團(tuán)隊成功建立了植物激素茉莉素的酵母細(xì)胞工廠。相較于傳統(tǒng)的植物提取，此法在生產(chǎn)上不受時令限制、可規(guī)?；糯?，為茉莉素的高效和綠色生產(chǎn)提供了重要的參考。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所羅小舟研究員、Jay. D. Keasling教授和湯紅婷副研究員為本文的共同通訊作者，團(tuán)隊成員湯紅婷副研究員、林淑敏和鄧吉良為文章并列第一作者。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金委、深圳市科技計劃及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個項目的支持。同時，感謝于濤研究員在脂肪酸代謝通路改造研究上的學(xué)術(shù)討論和寶貴意見；感謝科研助理魏珍琴在項目實施過程中協(xié)助組織會議討論；感謝化學(xué)與組學(xué)分析平臺為本項目的色譜和質(zhì)譜分析提供強(qiáng)大的硬件支撐。圖1：茉莉素的生物合成通路。根據(jù)產(chǎn)物類型和合成場所的不同，將茉莉素在酵母中的重構(gòu)途徑分為4個模塊：模塊1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA；模塊2在細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA；模塊3在過氧化物酶體中合成JA；模塊4在細(xì)胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile?；疑硐鄳?yīng)化合物在植物中的合成場所。圖2：在酵母內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。圖3：在酵母細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA。圖4：在酵母過氧化物酶體中合成JA。圖5：在酵母細(xì)胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile。文章鏈接
    2023-11-16
  • 廣州地化所：二次生成和生物質(zhì)燃燒對污染城市地區(qū)氧化有機(jī)氮（OON）的重要貢獻(xiàn)：化學(xué)電離質(zhì)譜儀（CIMS）現(xiàn)場測量的啟示
    氧化性有機(jī)氮（oxygenated organic nitrate, OON）主要由有機(jī)硝酸酯（-ONO2）和硝基化合物（-NO2）等組成，在城市環(huán)境大氣中普遍存在。該類物質(zhì)是大氣氮氧化物的重要儲庫，對大氣氮氧化物循環(huán)和臭氧的生成有重要影響，從而影響空氣質(zhì)量、氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)。目前對于OON的分子水平高時間分辨率的現(xiàn)場測量由于受到儀器設(shè)備的限制，其定量測量是目前大氣化學(xué)的難點之一，僅有的測量結(jié)果主要是針對國外的一些森林和鄉(xiāng)村地區(qū)，對于受污染的城市地區(qū)的研究非常有限。并且雖然OON來源包括大氣一次排放和二次生成，但是其在城市地區(qū)具體的來源貢獻(xiàn)和生成途徑，仍不明確，需要進(jìn)一步研究。 圖1 本研究基于高分辨率飛行時間化學(xué)電離質(zhì)譜探討城市地區(qū)分子水平上OON的特征和來源研究概念圖。 　　針對以上問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點實驗室的胡偉偉研究員和暨南大學(xué)環(huán)境與氣候研究院的袁斌教授等人利用了世界先進(jìn)的氣體和氣溶膠濾膜進(jìn)樣口（FIGAERO）與高分辨率飛行時間化學(xué)電離質(zhì)譜儀（CIMS）相結(jié)合的手段在中國典型城市廣州地區(qū)進(jìn)行綜合的外場觀測研究。本研究概念圖如圖1所示。定量一直是化學(xué)電離質(zhì)譜儀器的難點，本研究利用電壓掃描的方法首次對所有的分子層面有機(jī)含氮分子（氣態(tài)和顆粒態(tài)）進(jìn)行了定量計算，得到OON分子層面高時間分辨率（分鐘-小時）的變化特征。這些有機(jī)分子總濃度與基于獨立儀器-高分辨率飛行時間氣溶膠質(zhì)譜儀估算得到的有機(jī)硝酸酯濃度變化（分鐘）相一致（如圖2所示），證明了該定量方法的可靠性。 　　本研究通過明確OON物種高時間分辨率變化特征，進(jìn)一步將左旋葡聚糖作為生物質(zhì)燃燒排放的示蹤物來計算生物質(zhì)燃燒和二次生成（主要包含生物源和人為源非生物質(zhì)燃燒二次生成）對氣態(tài)和顆粒態(tài)OON的貢獻(xiàn)；如圖3所示，最終發(fā)現(xiàn)測量得到的氣態(tài)OON分子三分之二由二次生成貢獻(xiàn)，其余由生物質(zhì)燃燒貢獻(xiàn)，證明了二次生成對氣態(tài)OON的重要性。然而顆粒相OON中，約一半的質(zhì)量來自生物質(zhì)燃燒，其余由二次生成貢獻(xiàn)。該結(jié)果強(qiáng)調(diào)了生物質(zhì)燃燒對城市地區(qū)顆粒相OON的重要貢獻(xiàn)，隨著全球氣候變暖，野火燃燒頻發(fā)，生物質(zhì)燃燒其對城市和森林地區(qū)含氮有機(jī)物的影響會更加深遠(yuǎn)，可能是以后重要的一個研究方向。 　　本研究繼續(xù)將質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀等在線儀器測量到的揮發(fā)性有機(jī)物結(jié)合煙霧箱OON的產(chǎn)率等參數(shù)計算了氣相OON的二次生成在不同氧化通道的下的貢獻(xiàn)。如圖4所示，研究發(fā)現(xiàn)氣相OON二次生成主要由大氣羥基自由基（OH-）和硝基自由基（NO 3-）氧化生成所貢獻(xiàn)，其余為臭氧氧化生成。值得注意的是，通過直接測量NO 3自由基的高時間分辨率濃度時間序列，本研究發(fā)現(xiàn)與以往認(rèn)為的NO 3自由基主要在夜晚存在的傳統(tǒng)認(rèn)知不同，NO 3濃度及其對OON的貢獻(xiàn)在白天下午濃度有一個高峰，表明NO 3自由基氧化通道對OON的貢獻(xiàn)可能比之前的報道所認(rèn)為的更加重要?；跉鈶B(tài)OON的物種貢獻(xiàn)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單萜烯是廣州城市地區(qū)氣態(tài)OON的主要前體物（約一半），其余由異戊二烯、芳香烴和烯/烷烴貢獻(xiàn)。但單萜烯被發(fā)現(xiàn)可能主要來自揮發(fā)性化學(xué)品等人為源，最終計算發(fā)現(xiàn)城市地區(qū)氣態(tài)二次OON主要來自于人為源。本研究還發(fā)現(xiàn)，對于顆粒相OON，除氣/固分配外，非均相反應(yīng)亦可能是其一個重要的生成途徑。最后，本研究系統(tǒng)研究了氣態(tài)和顆粒相OON的分子組成，發(fā)現(xiàn)測量得到的OON中有大量高氧化的OON分子（O數(shù)>6）及部分多聚物，而復(fù)雜的多代氧化和自氧化反應(yīng)可能是高氧化性O(shè)ON生成的重要反應(yīng)機(jī)制，表明了在城市環(huán)境地區(qū)氣態(tài)OON和顆粒態(tài)OON來源和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性。 圖2 本次外場觀測檢測到的OON質(zhì)量濃度時間序列。（a）基于FIGAERO-CIMS和AMS測量的顆粒相OON和總有機(jī)物（OA）質(zhì)量濃度的比對。（b）總硝酸鹽濃度低于5 g m -3期間的FIGAERO-CIMS和AMS測量得到的顆粒相OON的散點圖，顏色表示總硝酸鹽質(zhì)量濃度。基于FIGAERO-CIMS檢測得到的（c、d）顆粒相和（e，f）氣相OON的不同分類的時間序列和日變化曲線，餅圖表示各個分類的占比。OA質(zhì)量濃度、環(huán)境溫度和NO 2光解速率的日變化也展示在日變化圖中。 圖3 （a）氣相和（c）顆粒相OON與左旋葡聚糖的散點圖，圓點顏色表示時間，藍(lán)色圓圈表示受到生物質(zhì)燃燒排放強(qiáng)烈影響的事件的數(shù)據(jù)點，黑色線斜率表示氣相和顆粒相OON與左旋葡聚糖的在生物質(zhì)燃燒排放期間的平均比值，紅色虛線表示白天的回歸線。來自二次生成（Sec.）和生物質(zhì)燃燒（BB.）的（b）氣相和（d）顆粒相OON的日變化曲線，陰影部分是標(biāo)準(zhǔn)偏差，黃色曲線表示按時間序列分解的日變化，黑色虛線表示O x（[O x]=[O 3]+[NO 2]），餅圖代表二次生成和生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)。 圖 4 （a）分類別的氣態(tài)二次OON的生成速率日變化；（b）以及不同物種對總氣態(tài)OON生成速率的貢獻(xiàn)。 　　本研究成果近期發(fā)表在國際知名期刊Atmospheric Chemistry and Physics上，相關(guān)定量研究結(jié)果為理解城市地區(qū)活性有機(jī)氮物種提供了寶貴的數(shù)據(jù)和新的認(rèn)知。論文共同第一作者為中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生蔡義宇和北京大學(xué)與暨南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生葉晨朔，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所胡偉偉研究員和暨南大學(xué)袁斌教授為共同通訊作者。除通訊作者所在單位參與人員，共同合作者主要來自齊魯工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院和北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院。本研究受到國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC3701000、2021YFA1601800）、國家自然科學(xué)基金委基金（42275103、42230701）和廣東省珠江人才項目（2019QN01L948）等項目的聯(lián)合資助。 　　論文信息：Cai, Y. （蔡義宇）, Ye, C. （葉晨朔）, Chen, W.（陳衛(wèi)）, Hu, W.*（胡偉偉）, Song, W.（宋偉）, Peng, Y.（彭鈺雯）, Huang, S.（黃山）, Qi, J.（齊吉朋）, Wang, S.（王思行）, Wang, C.（王超敏）, Wu, C.（武彩虹）, Wang, Z.（王澤龍）, Wang, B.（王寶琳）, Huang, X.（黃曉峰）, He, L.（何凌燕）, Gligorovski, S., Yuan, B.*（袁斌）, Shao, M.（邵敏）, and Wang, X.（王新明）: The important contribution of secondary formation and biomass burning to oxidized organic nitrogen (OON) in a polluted urban area: insights from in situ measurements of a chemical ionization mass spectrometer (CIMS), Atmos. Chem. Phys., 23, 8855-8877, 10.5194/acp-23-8855-2023, 2023. 　　 論文鏈接
    2023-11-15
  • 碳酸鹽巖伴生硫酸根作為古海水代用指標(biāo)研究取得新進(jìn)展
    近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室研究員顏文領(lǐng)導(dǎo)的“趙煥庭南海島礁科學(xué)鉆探研究攻關(guān)突擊隊”在碳酸鹽巖伴生硫酸根作為古海水代用指標(biāo)研究上取得新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在Chemical Geology《化學(xué)地質(zhì)》上，副研究員邸鵬飛為論文第一作者，邸鵬飛和顏文為論文通訊作者，德國漢堡大學(xué)Peckmann教授、上海海洋大學(xué)陳多福教授等為論文合作者。海洋作為地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)之一，對全球氣候和生態(tài)平衡有重要影響。因此，通過研究海洋的歷史變化，可以更好地了解地球環(huán)境的演變。而了解古海水的組成是研究海洋歷史變化的關(guān)鍵。但由于古海水的化學(xué)組成難以直接測量，需要借助一些代用指標(biāo)來進(jìn)行研究。其中，碳酸鹽伴生硫酸鹽（CAS）是一種重要的古海水組成代用指標(biāo)，它可以記錄全球硫循環(huán)、地球表面氧化還原演化和生物活動的信息。然而，早期成巖作用可能會影響CAS的穩(wěn)定性，從而改變CAS的同位素構(gòu)成，影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，本研究旨在探究早期成巖作用對于珊瑚礁碳酸鹽中CAS同位素信號的影響，并確定珊瑚礁碳酸鹽能否準(zhǔn)確記錄海水同位素組成的變化。通過對礁碳酸鹽巖中CAS含量及其同位素比值的測定，研究人員發(fā)現(xiàn)礁碳酸鹽受大氣和海洋成巖作用及白云石化作用的影響。在大氣和海洋成巖作用過程中，CAS含量迅速下降，當(dāng)長期暴露于地面，其含量降到最低水平。另外，相較于同期重晶石的20.9 ~ 22.7‰的 34SCAS值，礁碳酸鹽的含量相對較低，但其 34SCAS值保持在21.5 ~ 24.1‰的狹窄范圍內(nèi)波動。這一現(xiàn)象表明原始的 34SCAS值得以完好保存下來，基本不受重結(jié)晶過程的影響。研究還發(fā)現(xiàn)，與硫同位素相比，氧同位素更容易受到成巖作用的影響。圖1 NK-1井礁碳酸鹽巖礦物組成(A)、Mg/Ca比值(B)、Fe和Mn含量(C)、 18O和 13C同位素(D)、Mn/Sr和Fe/Sr比值(E)、87Sr/86Sr比值(F)、Sr數(shù)值同位素年齡(G)、WSS和CAS含量(H)、 34SCAS比值(I)和 18OCAS比值(J)圖2 CAS 34SSO4和 18OSO4結(jié)果使用最佳年齡模型繪制年齡圖。重晶石 34SSO4和 18OSO4在同一時間間隔(黑線)進(jìn)行比較(Paytan et al., 1998; Kurtz et al., 2003; Turchyn and Schrag, 2006)本研究為古海水硫和氧同位素記錄提供了新的思路，有助于更準(zhǔn)確地了解古海洋的歷史變化。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、海南省重點研發(fā)專項、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項項目的聯(lián)合資助。同時，感謝參與“南科1井”野外科學(xué)鉆探的全體工程技術(shù)和科研工作人員。相關(guān)論文信息：Di Pengfei*, Li Niu*, Gong Shanggui, Peckmann J？rn, Wang Shuhong, Chen Duofu, Yan Wen*, 2023. Carbonate-associated sulfate as an archive of sulfur and oxygen stable isotope composition of seawater sulfate: Evidence from reef carbonate rocks of the southern South China Sea. Chemical Geology 638, 121699.論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254123003996?via%3Dihub
    2023-11-15
  • 廣州地化所：富石英和富黏土頁巖宏觀蠕變行為的微觀預(yù)測
        　　頁巖的蠕變行為控制著沉積巖斷層泥的穩(wěn)定性、上地殼的地震變形，以及非常規(guī)頁巖氣開采過程中的壓裂改造效果和鉆井井壁穩(wěn)定性，是表征巖石變形的重要參數(shù)。常規(guī)壓縮蠕變試驗可以揭示復(fù)雜地質(zhì)條件下頁巖的宏觀蠕變特性，但是由于頁巖的物理化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定性，宏觀壓縮實驗很難為優(yōu)化壓裂設(shè)計獲取精準(zhǔn)、連續(xù)剖面解釋的蠕變參數(shù)。另一方面，由于頁巖具有多尺度多組分的結(jié)構(gòu)特征，準(zhǔn)確獲取并預(yù)測頁巖的宏觀蠕變行為一直是亟需解決的科學(xué)問題。 　　針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點實驗室博士生王建豐在熊永強(qiáng)研究員和彭平安研究員的指導(dǎo)下，與挪威奧斯陸大學(xué)Luca Menegon教授和Fran？ois Renard教授合作，選取四川盆地五峰組-龍馬溪組富含黏土和石英的頁巖樣品，在巖屑樣品的礦物或有機(jī)質(zhì)顆粒上（微觀）和巖心（宏觀）樣品兩個尺度上分別進(jìn)行了納米壓痕和單軸蠕變等一系列的蠕變測試（圖 1）。通過原位納米壓痕測試及Burgers模型等擬合獲取了頁巖基質(zhì)各單相組分（石英、長石、方解石、白云石，黏土基質(zhì)和有機(jī)質(zhì)）的蠕變參數(shù)，包括蠕變位移( h)，壓痕蠕變率(C IT)，蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)(m)（圖2），接觸蠕變模量(C)，和粘彈性參數(shù)(E 1、E 2、 1和 2)等。根據(jù)獲得的頁巖各個單相組分的蠕變數(shù)據(jù)，對從頁巖基質(zhì)組分到頁巖全巖進(jìn)行了蠕變參數(shù)(E 1, E 2, C)的升級預(yù)測。根據(jù)Mori-Tanaka模型結(jié)果，預(yù)測的E 2和C值與富黏土頁巖和富石英頁巖的單軸蠕變試驗結(jié)果比較一致（圖3）。但是，預(yù)測的彈性參數(shù)E 1幾乎是單軸蠕變試驗結(jié)果的2倍。這種差異主要是升級預(yù)測過程中并未考慮頁巖顆粒之間接觸處的相對較低的彈性剛度造成的。因此，后續(xù)的研究將繼續(xù)考慮頁巖微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得微觀納米壓痕蠕變測試能更加有效準(zhǔn)確地預(yù)測頁巖的宏觀蠕變行為。 圖1 頁巖蠕變參數(shù)升級示意圖 圖2 有機(jī)質(zhì)的(a)位移-時間關(guān)系，(b)蠕變應(yīng)變率-時間關(guān)系，(c)應(yīng)力-時間關(guān)系，(d)應(yīng)力對數(shù)和蠕變應(yīng)變率對數(shù)變化曲線 圖3宏觀蠕變參數(shù)和升級蠕變參數(shù)之間的對比。（a）E 1或E值，(b) E 2值，(c)C值 　　上述實驗研究為根據(jù)頁巖微觀蠕變特征預(yù)測宏觀蠕變行為提供了新的方向，對精細(xì)刻畫和預(yù)測頁巖的宏觀蠕變行為及壓裂方案規(guī)劃設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。研究成果近期發(fā)表在國際巖石力學(xué)頂級權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》。研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項A類（XDA14010102），國家自然科學(xué)基金項目（42272182、41802165和42002158），廣州市基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(批準(zhǔn)號SL2023A04J00217)和有機(jī)地球化學(xué)國家重點實驗室自主課題（SKLOG202012）的共同資助。 　　論文信息：Jianfeng Wang（王建豐）; Yuke Liu*（柳宇柯）; Chao Yang（楊超）; Yangcheng Zheng（鄭仰成）； Wenmin Jiang（蔣文敏）; Luca Menegon；Fran？ois Renard; Ping’an Peng（彭平安）, and Yongqiang Xiong（熊永強(qiáng)）*, 2023. Upscaling the creep behavior of clay-rich and quartz-rich shales from nanoindentation measurements: Application to the Wufeng-Longmaxi shale, China. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 171:105580.
    2023-11-14
  • 廣州地化所：不同類型原油熱解生成的焦瀝青中鍵合態(tài)生物標(biāo)志化合物分布特征及地質(zhì)意義
        　　焦瀝青是原油熱裂解過程中所形成的不溶于有機(jī)溶劑的固體殘渣。由于其可作為橋梁溝通石油/天然氣與烴源，為油氣的成因及演化提供有用的信息而廣受關(guān)注。運用常規(guī)索氏抽提從焦瀝青中獲取的游離態(tài)生物標(biāo)志化合物（生標(biāo)）普遍含量極低且經(jīng)歷了強(qiáng)烈的熱蝕變，導(dǎo)致無法有效地揭示其原始生源信息，從而阻礙了傳統(tǒng)生物標(biāo)志化合物手段在高熱演化地區(qū)的有效應(yīng)用。前人提出，鍵合態(tài)生標(biāo)因受到大分子結(jié)構(gòu)的保護(hù)，具備較強(qiáng)的抗熱降解能力。因此，通過挖掘焦瀝青中鍵合態(tài)生標(biāo)的生源信息可望解決上述難題。然而，焦瀝青中鍵合態(tài)生標(biāo)的分布特征也受到其形成過程中的熱應(yīng)力以及初始原油族組分特征（瀝青質(zhì)含量）等因素的影響，不同類型原油熱解生成的焦瀝青中的鍵合態(tài)生標(biāo)是否都具備成因及生源研究價值則仍有待深入研究。 　　針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點實驗室耿安松研究員團(tuán)隊的方新焰博士后在吳亮亮副研究員的指導(dǎo)下，通過黃金管-高壓釜體系熱解實驗?zāi)M了三類原油（凝析油、黑油和重油）熱解生成焦瀝青的地質(zhì)演化過程，隨后運用催化加氫熱解（HyPy）技術(shù)釋放其中的鍵合態(tài)生標(biāo)，進(jìn)而研究原油熱解生成的焦瀝青中鍵合態(tài)生標(biāo)分布特征、演化規(guī)律及其所反映的地質(zhì)意義（圖1）。取得了如下認(rèn)識： 　　圖1 原油熱解實驗中的液態(tài)殘余物和焦瀝青氫解產(chǎn)物中的飽和烴質(zhì)量色譜圖（m/z = 217） 　　注：A、B和C分別為凝析油、黑油和重油熱解實驗中的液態(tài)殘余物；a、b和c分別為凝析油、黑油和重油熱解生成的焦瀝青中的鍵合烴。 　　研究發(fā)現(xiàn)，初始原油中極性組分占比會對其熱解生成的焦瀝青中的鍵合態(tài)生標(biāo)的分布和演化規(guī)律產(chǎn)生顯著影響。即當(dāng)初始原油的極性組分含量越高，從其熱解生成的焦瀝青中釋放的鍵合態(tài)生標(biāo)（特別是甾烷類）與初始原油中的游離態(tài)生標(biāo)的特征越相似（圖1）。這是由于初始原油的族組成會顯著影響焦瀝青的形成及演化過程，該過程在我們前期提出的熱解瀝青的“三段式形成模式”中已做了詳細(xì)闡述（Wu et al., 2023）。同時需要認(rèn)識到通過HyPy技術(shù)從焦瀝青中釋放的鍵合態(tài)生標(biāo)是共價鍵鍵合烴和吸附/包裹烴的混合物（圖2）。前人針對同一地質(zhì)樣品的抽提物中不同族組分及干酪根的HyPy釋放定量研究表明共價鍵鍵合烴主要存在于極性組分和干酪根中（Bowden et al., 2006）。因此，初始原油中極性組分的含量越高，在其形成的焦瀝青通過HyPy技術(shù)釋放的鍵合烴中共價鍵鍵合烴的比重就越大，同時受到吸附/包裹烴的影響就越小。 　　此外，研究還發(fā)現(xiàn)在較高熱應(yīng)力作用條件下（本研究Easy Ro ≥ 3.07%），鍵合態(tài)甾類化合物也可以發(fā)生芳構(gòu)化反應(yīng)并形成三芳甾類化合物。而以往研究認(rèn)為，鍵合態(tài)甾類化合物受大分子結(jié)構(gòu)的保護(hù)，阻滯了其芳構(gòu)化過程，但實際上，這是由于樣品遭受的熱應(yīng)力不夠充分導(dǎo)致的結(jié)果。 　　圖2 基于不同類型原油熱解實驗推斷的焦瀝青中有機(jī)分子的賦存狀態(tài) 　　最后，結(jié)合華南揚子地區(qū)下古生界地質(zhì)實際，討論了本研究的應(yīng)用價值。既然形成焦瀝青的初始原油類型的差異會對其中蘊(yùn)含的鍵合烴產(chǎn)生顯著影響，那么在利用焦瀝青中鍵合態(tài)生標(biāo)進(jìn)行地化研究時，需先明確形成焦瀝青的初始原油類型。關(guān)于如何判斷野外地質(zhì)采樣過程中采取的固體瀝青的初始原油類型，我們近期的研究提出了一個基于焦瀝青及殘留液態(tài)烴的S/C、N/C及H/C原子比的判識版圖（Wu et al., 2023）。在確定焦瀝青的初始原油類型后，如果儲層瀝青的初始原油為重質(zhì)油或生物降解稠油，那么從中釋放的鍵合態(tài)生標(biāo)可以較為準(zhǔn)確且有效地揭示該古油氣藏的成因及來源。但是當(dāng)判定某個儲層瀝青是凝析油或其它極性組分含量較低的原油所生成時，對其釋放的鍵合態(tài)生標(biāo)的成因及來源信息解讀應(yīng)特別慎重，需結(jié)合更多的地質(zhì)地球化學(xué)證據(jù)來綜合分析，以便獲取更為準(zhǔn)確的結(jié)果。 　　上述研究成果對于揭示焦瀝青中鍵合烴所蘊(yùn)含的生源及成因信息有重要意義，可應(yīng)用于古油氣藏的烴源和成因演化等研究中。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（41972150）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA14010103）等的資助。論文近期發(fā)表在國際期刊《Organic Geochemistry》上。 　　論文信息： 　　Xinyan Fang(方新焰), Liangliang Wu*(吳亮亮), Ansong Geng(耿安松), Yun Li(李蕓), Wenmin Jiang(蔣文敏), Bin Cheng(程斌), Shufen Liu(劉淑芬), Pufan Wang(王普凡). Characteristics of bound biomarkers released from pyrobitumens generated from the cracking of different types of crude oils. Organic Geochemistry 2023, 186, 104701. 　　 論文鏈接 　　Liangliang Wu*(吳亮亮), Shufen Liu(劉淑芬), Xinyan Fang(方新焰), Pufan Wang(王普凡), Ansong Geng(耿安松). Formation of pyrobitumen from different types of crude oils and its significance: Insight from elemental composition analysis. Marine Petroleum Geology, 2023, 106227. DOI: doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2023.106227. 　　 論文鏈接
    2023-11-13
  • 廣州健康院與腦智卓越中心合作構(gòu)建胚胎干細(xì)胞嵌合體猴
    2023年11月9日，《Cell》期刊以封面文章的形式在線發(fā)表題為《Live birth of chimeric monkey with high contribution from embryonic stem cells》（高比例胚胎干細(xì)胞貢獻(xiàn)的出生存活嵌合體猴）的研究論文。在國際上首次成功構(gòu)建了高比例胚胎干細(xì)胞貢獻(xiàn)的出生存活嵌合體猴，并證實了猴胚胎干細(xì)胞可以高效的貢獻(xiàn)到胚外胎盤組織和生殖細(xì)胞。這對于理解靈長類胚胎干細(xì)胞全能性具有重要意義，為遺傳修飾模型猴的構(gòu)建奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2023年11月9日，《Cell》期刊以封面文章的形式在線發(fā)表題為《Live birth of chimeric monkey with high contribution from embryonic stem cells》（高比例胚胎干細(xì)胞貢獻(xiàn)的出生存活嵌合體猴）的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）劉真研究組、孫強(qiáng)研究團(tuán)隊和中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院Miguel A. Esteban研究組合作完成。該研究在國際上首次成功構(gòu)建了高比例胚胎干細(xì)胞貢獻(xiàn)的出生存活嵌合體猴，并證實了猴胚胎干細(xì)胞可以高效的貢獻(xiàn)到胚外胎盤組織和生殖細(xì)胞。這對于理解靈長類胚胎干細(xì)胞全能性具有重要意義，為遺傳修飾模型猴的構(gòu)建奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。胚胎干細(xì)胞是指由著床前囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)在體外分離培養(yǎng)而來的多能性細(xì)胞，在模式動物構(gòu)建、細(xì)胞治療、器官再生、類器官模型等生物醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。胚胎干細(xì)胞具有體外無限自我復(fù)制更新、誘導(dǎo)實現(xiàn)多向分化、胚胎注射形成嵌合體等關(guān)鍵特征，其中胚胎注射形成嵌合體被公認(rèn)為是評估胚胎干細(xì)胞多向分化潛能的金標(biāo)準(zhǔn)。小鼠胚胎干細(xì)胞注射到囊胚并形成嵌合體的技術(shù)是構(gòu)建遺傳修飾小鼠模型的關(guān)鍵技術(shù)。1984年首次實現(xiàn)小鼠胚胎干細(xì)胞胚胎注射形成嵌合體，2008年成功實現(xiàn)大鼠胚胎干細(xì)胞胚胎注射形成嵌合體。建立非人靈長類胚胎干細(xì)胞嵌合體技術(shù)對于生物醫(yī)藥研究具有非常重要的意義，然而非人靈長類胚胎干細(xì)胞嵌合體研究一直進(jìn)展緩慢。該研究的首要問題在于獲得具有高效發(fā)育潛能的胚胎干細(xì)胞。針對這一問題，研究團(tuán)隊建立了處于6種不同培養(yǎng)體系下的食蟹猴胚胎干細(xì)胞，進(jìn)而從克隆形態(tài)、免疫熒光、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、線粒體代謝、全基因組甲基化、核型分析和全基因組測序等多方面對處于不同培養(yǎng)條件下食蟹猴胚胎干細(xì)胞進(jìn)行全面系統(tǒng)的評估。發(fā)現(xiàn)5iLAF、4CL和PXGL體系下培養(yǎng)的食蟹猴胚胎干細(xì)胞具有較高的多能性，而且4CL體系下的干細(xì)胞具有更好的傳代穩(wěn)定性和基因組穩(wěn)定性。胚胎干細(xì)胞注射入受體胚胎后的快速凋亡是影響胚胎干細(xì)胞成功嵌合的關(guān)鍵。研究團(tuán)隊選用綠色熒光蛋白標(biāo)記的4CL條件下的胚胎干細(xì)胞進(jìn)行猴胚胎注射實驗，通過測試干細(xì)胞注射入胚胎后的不同培養(yǎng)基和培養(yǎng)時間的組合，最終得到了既不影響胚胎正常發(fā)育又能保證干細(xì)胞存活的最優(yōu)嵌合胚胎培養(yǎng)條件。而且5iLAF和Primed體系下的胚胎干細(xì)胞在該優(yōu)化條件下也表現(xiàn)出胚胎注射后的高存活率。將注射了4CL和5iLAF干細(xì)胞的嵌合胚胎分別在體外延遲培養(yǎng)到第17天，發(fā)現(xiàn)注射的胚胎干細(xì)胞仍然可以高效存活，單細(xì)胞測序 表明猴胚胎干細(xì)胞可以與受體胚胎細(xì)胞同步發(fā)育，并且貢獻(xiàn)到第17天猴胚胎的不同細(xì)胞譜系中。在系統(tǒng)性評估了不同培養(yǎng)條件下猴胚胎干細(xì)胞狀態(tài)和改進(jìn)優(yōu)化了嵌合胚胎培養(yǎng)條件的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步將注射了綠色熒光標(biāo)記的4CL干細(xì)胞的胚胎移植到代孕母猴。在總共得到的10只出生或流產(chǎn)的仔猴中，有一只出生存活猴和一只流產(chǎn)猴檢測到胚胎干細(xì)胞的嵌合。研究團(tuán)隊建立了包含PCR擴(kuò)增、微衛(wèi)星親子鑒定、基因組單核苷酸多態(tài)性深度測序、流式細(xì)胞儀檢測、綠色熒光蛋白檢測、免疫熒光檢測的一系列嚴(yán)格的嵌合體分析流程，發(fā)現(xiàn)出生存活猴中胚胎干細(xì)胞的貢獻(xiàn)比例高達(dá)70%左右，流產(chǎn)猴中胚胎干細(xì)胞的貢獻(xiàn)比例約20%。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序也進(jìn)一步表明了注射的胚胎干細(xì)胞可以跟受體胚胎細(xì)胞同步分化到出生個體猴的各種不同細(xì)胞譜系中。胎盤組織和生殖細(xì)胞是胚胎發(fā)育和重編程過程中的兩類特殊組織或細(xì)胞。其中胎盤組織是由滋養(yǎng)外胚層發(fā)育而來，而生殖細(xì)胞發(fā)育過程中要經(jīng)歷更加劇烈的表觀重編程。研究團(tuán)隊在兩只嵌合體猴的胎盤組織中均發(fā)現(xiàn)了胚胎干細(xì)胞的高比例貢獻(xiàn)?？紤]到小鼠胚胎干細(xì)胞幾乎不會貢獻(xiàn)到胎盤組織，該結(jié)果說明靈長類胚胎干細(xì)胞可能具有不同于嚙齒類的獨特的發(fā)育全能性特征。此外兩只嵌合體猴的生殖細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了胚胎干細(xì)胞的高比例貢獻(xiàn)，這對后續(xù)基于該技術(shù)的遺傳修飾模型構(gòu)建至關(guān)重要。該工作建立了系統(tǒng)評估不同培養(yǎng)條件下猴胚胎干細(xì)胞的多能性狀態(tài)的研究體系，并探索得到有利于胚胎干細(xì)胞存活的胚胎嵌合體的培養(yǎng)條件，顯著提升了胚胎干細(xì)胞注入胚胎后的存活效率，最終得到了出生存活的高比例胚胎干細(xì)胞貢獻(xiàn)的嵌合體猴，證實了注入的猴胚胎干細(xì)胞可以高效地貢獻(xiàn)到包括胎盤和生殖細(xì)胞在內(nèi)的各種不同組織和細(xì)胞。該研究對于理解靈長類胚胎干細(xì)胞全能性和發(fā)育潛能具有重要意義，為建立基于猴胚胎干細(xì)胞嵌合體的基因打靶和模型構(gòu)建技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。該研究嚴(yán)格遵守生物倫理規(guī)范，所有實驗均符合國際干細(xì)胞研究學(xué)會的研究指南。劉真研究員、Miguel A. Esteban研究員和孫強(qiáng)研究員為該論文共同通訊作者。博士研究生曹靜、副研究員李文娟、副研究員李杰、副研究員Md. Abdul Mazid、助理實驗師李春楊、博士研究生姜禹、博士研究生賈雯淇為該論文共同第一作者。該研究還得到了腦智卓越中心蒲慕明院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)王小龍教授、華大生命科學(xué)研究院徐訊研究員和劉龍奇研究員、劍橋大學(xué)Patrick Maxwell教授以及華大生命科學(xué)研究院多位合作同事的大力支持。該研究獲得了科技部、中國科學(xué)院、基金委等資助。圖1.不同培養(yǎng)條件下猴胚胎干細(xì)胞中SOX2，NANOG和KLF17的免疫熒光圖2.不同細(xì)胞注射的嵌合胚胎體外延遲培養(yǎng)效果圖圖3. 非人靈長類胚胎干細(xì)胞嵌合體研究模式圖圖4. 胚胎干細(xì)胞嵌合體猴卡通寓意圖被選為該期Cell雜志的封面
    2023-11-10
  • P450酶催化反應(yīng)區(qū)域和化學(xué)選擇性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及機(jī)理獲進(jìn)展
    近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室（LMB）研究員張長生團(tuán)隊在多環(huán)大環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物生物合成酶學(xué)機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果 “A Mechanistic Understanding of the Distinct Regio- and Chemoselectivity of Multifunctional P450s by Structural Comparison of IkaD and CftA Complexed with Common Substrates” 在線發(fā)表于Angewandte Chemie (《德國應(yīng)用化學(xué)》)惰性C-H鍵活化是合成高價值化合物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要依靠過渡金屬催化，難以控制區(qū)域/立體/化學(xué)選擇性，一度被稱為有機(jī)化學(xué)中的“圣杯”。而在自然界中，少數(shù)細(xì)胞色素P450酶可以輕松有序地催化多步C-H鍵活化反應(yīng)，且具有高度的區(qū)域/立體/化學(xué)選擇性，是形成許多重要天然產(chǎn)物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些P450酶被稱為多功能P450酶，是合成生物學(xué)應(yīng)用的重要酶元件，但由于解析的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)有限，酶控制多步反應(yīng)和精準(zhǔn)選擇性的酶學(xué)機(jī)制仍有待闡明。以ikarugamycin為代表的多環(huán)大環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物(PoTeMs)是藥物先導(dǎo)化合物和生物農(nóng)藥的重要資源。在PoTeMs生物合成中，P450酶介導(dǎo)的后修飾極大豐富了化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物活性。有趣的是，其中的多功能P450酶IkaD和CftA被報道都天然識別ikarugamycin（1），但得到不同的氧化產(chǎn)物：IkaD先氧化C7=C8雙鍵形成環(huán)氧，再羥基化C29，獲得產(chǎn)物capsimycin G（1b）；而CftA先催化形成C29酮基，再微弱催化C30羥基化反應(yīng)獲得產(chǎn)物clifednamide C（1d）（圖1）。為了揭開P450酶IkaD和CftA催化功能差異的神秘面紗，研究團(tuán)隊首先解析了IkaD和CftA與共同底物1的復(fù)合結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)二者的整體三維骨架基本重合，是典型的金字塔形P450骨架，但參與構(gòu)成催化口袋的FG區(qū)域的構(gòu)象明顯不同，從而影響了催化口袋的形狀（圖1），使得同一個底物1朝向兩個酶血紅素鐵反應(yīng)中心的距離和角度不同（圖2），最終決定了酶催化反應(yīng)的區(qū)域和化學(xué)選擇性?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊通過理性設(shè)計，對遠(yuǎn)離血紅素鐵反應(yīng)中心的極性氨基酸開展單點突變，發(fā)現(xiàn)IkaD的部分突變酶能夠改變催化反應(yīng)的區(qū)域選擇性，形成天然分離未發(fā)現(xiàn)過的人工新產(chǎn)物。圖1. 多功能P450酶IkaD和CftA對相同底物的不同區(qū)域/化學(xué)選擇性及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)接著，研究團(tuán)隊以不同骨架的PoTeMs底物開展系統(tǒng)性的體外酶學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)IkaD和CftA都能識別催化非天然底物，但與區(qū)域選擇性不同。分別解析IkaD和CftA與非天然底物的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)（圖2），發(fā)現(xiàn)非天然底物并沒有誘導(dǎo)IkaD和CftA發(fā)生構(gòu)象變化，保持了二者FG區(qū)域的構(gòu)象差異，最終決定了對非天然底物的位點選擇性和反應(yīng)順序。有趣的是，遠(yuǎn)離血紅素鐵反應(yīng)中心的極性氨基酸突變也顯著改變了IkaD對非天然底物催化反應(yīng)的區(qū)域選擇性。圖2. P450酶與不同骨架的PoTeMs底物在IkaD和CftA晶體結(jié)構(gòu)中的結(jié)合模式雖然參與組成P450酶催化口袋的BC和FG區(qū)域存在構(gòu)象變化的現(xiàn)象已經(jīng)廣為人知，本研究首次發(fā)現(xiàn)了FG區(qū)域的構(gòu)象差異導(dǎo)致同一底物1在IkaD和CftA催化口袋中以不同的姿勢朝向酶反應(yīng)中心，造成了二者催化反應(yīng)的區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性不同。這些發(fā)現(xiàn)為多功能P450酶如何控制位點選擇性、反應(yīng)順序和反應(yīng)類型提供了蛋白三維晶體結(jié)構(gòu)方面的解答，并為P450酶理性改造提供了參考，對于認(rèn)知海洋天然產(chǎn)物生物合成途徑和豐富海洋微生物酶元件庫具有重要的科學(xué)意義。博士研究生蔣鵬和博士后金紅波為論文的第一作者，研究員張長生和副研究員張麗萍為共同通訊作者。以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計劃項目和海南省重大科技計劃項目等的資助。相關(guān)論文信息：Peng Jiang#, Hongbo Jin#, Guangtao Zhang, Wenjun Zhang, Wei Liu, Yiguang Zhu, Changsheng Zhang*, Liping Zhang*, A Mechanistic Understanding of the Distinct Regio- and Chemoselectivity of Multifunctional P450s by Structural Comparison of IkaD and CftA Complexed with Common Substrates, Angewandte Chemie, doi.org/10.1002/anie.202310728文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202310728
    2023-11-08
  • 深圳先進(jìn)院等開發(fā)首個腦膠質(zhì)瘤數(shù)字病理整合診斷AI模型
    這一人工智能診斷系統(tǒng)以數(shù)字病理圖像為輸入，以2021年最新發(fā)布的第5版《世界衛(wèi)生組織中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類》為診斷標(biāo)準(zhǔn)，直接輸出符合最新指南的整合診斷結(jié)果，精度達(dá)到了可比擬人類病理學(xué)家的水平。近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)重點實驗室李志成研究員團(tuán)隊聯(lián)合鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院病理科主任李文才團(tuán)隊、神經(jīng)外科主任劉獻(xiàn)志、閆東明團(tuán)隊、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院病理科主任滕梁紅團(tuán)隊以及河南省人民醫(yī)院團(tuán)隊開發(fā)出一種新型的腦膠質(zhì)瘤人工智能病理整合診斷系統(tǒng)。這一人工智能診斷系統(tǒng)以數(shù)字病理圖像為輸入，以2021年最新發(fā)布的第5版《世界衛(wèi)生組織中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類》為診斷標(biāo)準(zhǔn)，直接輸出符合最新指南的整合診斷結(jié)果，精度達(dá)到了可比擬人類病理學(xué)家的水平?！⊙芯砍晒訬europathologist-level integrated classification of adult-type diffuse gliomas using deep learning from whole-slide pathological images為題發(fā)表于于近期的Nature Communications雜志上。腦膠質(zhì)瘤是最常見的成人原發(fā)性腦腫瘤，其診斷金標(biāo)準(zhǔn)是術(shù)后病理切片檢查。病理學(xué)家在顯微鏡下觀察切片，根據(jù)組織學(xué)形態(tài)特征進(jìn)行分類和診斷。但腦膠質(zhì)瘤組織病理分類與預(yù)后、腫瘤生物學(xué)行為、遺傳背景并不一致。隨著2021年世界衛(wèi)生組織（WHO）第五版中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，腦膠質(zhì)瘤病理診斷迎來革新，正式邁入組織病理和分子病理整合診斷時代。依照最新指南，必須結(jié)合組織學(xué)特征和分子標(biāo)志物，才能最終確定腦膠質(zhì)瘤的類型和級別。腦膠質(zhì)瘤整合診斷著重強(qiáng)調(diào)了分子信息的關(guān)鍵作用。實施整合診斷需要檢測多個分子標(biāo)志物如IDH突變、1p/19q共缺失等，涉及Sanger測序、FISH檢測等分子病理檢測技術(shù)，耗時耗力且技術(shù)要求較高，整合診斷流程如圖1所示。在臨床實際中并非所有患者都有條件進(jìn)行整合診斷。如果能從病理圖像中直接確定整合診斷類型，將有可能省掉分子病理檢測的環(huán)節(jié)，無疑非常有臨床意義。數(shù)字病理圖像智能分析技術(shù)在一些重大疾病的精準(zhǔn)診斷中展示出巨大應(yīng)用前景。然而，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于腦膠質(zhì)瘤的整合診斷仍然極具挑戰(zhàn)，主要原因是腦膠質(zhì)瘤形態(tài)學(xué)和基因型并不總是一致的：形態(tài)學(xué)相似可能基因型不同、形態(tài)學(xué)有差異可能基因型相同。新指南中的病理類型已經(jīng)不是單純的組織學(xué)類型，而是融合了組織特征和分子特性的WHO“整合”類型。以IDH野生型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤來說，只要組織學(xué)判定為彌漫性膠質(zhì)瘤且IDH為野生，再加上EGFR擴(kuò)增、TERT啟動子突變、7號染色體獲得/10號染色體缺失三者中的一個，就可確診為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，而不再完全依賴于微血管增生或壞死等典型組織學(xué)特征；而就算有微血管增生或壞死，如果是IDH突變，也要劃分為IDH突變的星形膠質(zhì)瘤4級，而不能像上一版指南一樣劃分為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。這就打破了原來組織學(xué)病理類型和級別的界限，為數(shù)字病理圖像智能分析算法帶來了很大挑戰(zhàn)。例如，算法即使識別出了微血管增生或壞死等形態(tài)學(xué)特征，也不能據(jù)此做出分類，還要能夠從圖像模式中識別出底層的分子改變，才能得出預(yù)測結(jié)果，這無疑對算法的表征能力提出了很高的要求。為此，研究團(tuán)隊共收集了來自三家醫(yī)院的2624例成人彌漫性腦膠質(zhì)瘤患者數(shù)據(jù)，包括全切片病理圖像和WHO第五版指南所需的全套分子病理檢測數(shù)據(jù)。人工智能團(tuán)隊與臨床醫(yī)學(xué)專家開展了卓有成效的合作，利用超過110萬張病理分塊圖像成功開發(fā)出基于圖像特征聚類的整合診斷模型，目前這一模型已經(jīng)開源。前期研究發(fā)現(xiàn)，對于數(shù)億像素規(guī)模的全切片病理圖像，復(fù)雜的深度網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在面對多樣性的病理模式時可能學(xué)習(xí)不到對診斷最為關(guān)鍵的信息，導(dǎo)致分類精度在不同數(shù)據(jù)集產(chǎn)生較大波動；在組織病理學(xué)分類任務(wù)中表現(xiàn)良好的模型在整合診斷任務(wù)中并未表現(xiàn)出理想的泛化性和預(yù)測性能。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，高維的病理圖像特征空間可能對應(yīng)著不同的底層生物學(xué)信息，其中部分特征同時具備形態(tài)學(xué)特征+分子特性整合分類能力?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊采用了聚類-分類的兩步建模方法，先在特征空間選出最具表征力的圖塊，再進(jìn)行圖塊級分類，最終聚合為病人最終的診斷類別。在整個流程中，可重復(fù)性和穩(wěn)定性是重點考慮內(nèi)容。該方法無需在病理圖像上事先人工標(biāo)注感興趣區(qū)域。實驗結(jié)果顯示，該方法在內(nèi)部驗證集和兩個外部測試集都取得了很好的分類結(jié)果，而且比其他常見模型具有更高的準(zhǔn)確性。圖3顯示了對于病理專家也很難或無法區(qū)分的“困難任務(wù)”典型病例，人工智能算法可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。這一突破性的研究成果可能推動人工智能病理整合診斷領(lǐng)域的發(fā)展，為數(shù)字病理整合診斷打開了新的可能性。需要指出的是，本研究的結(jié)果并不能直接得出取代分子病理學(xué)檢測的結(jié)論，在臨床診斷中分子病理學(xué)檢測仍然是分子診斷金標(biāo)準(zhǔn)。但在需要快速做出初步判斷、分子病理學(xué)檢測不適用等場景下，基于人工智能的計算病理學(xué)算法則可以發(fā)揮其獨特優(yōu)勢：不需要分子病理檢測，直接從數(shù)字病理圖像中利用人工智能算法迅速判斷出最有可能的整合診斷結(jié)果，從而為后續(xù)的診療決策提供支持。王偉偉、趙源深、滕梁紅和閻靜為論文第一作者，李文才、李志成和張振宇為論文的通訊作者。圖1. WHO第五版指南推薦的成人彌漫性腦膠質(zhì)瘤整合診斷流程圖2. 腦膠質(zhì)瘤人工智能病理整合診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集和算法流程圖3. 人工智能算法對于困難任務(wù)的準(zhǔn)確分類結(jié)果，例如組織病理學(xué)特征相似但分子病理不同，導(dǎo)致診斷結(jié)果不同等WHO新指南中特有的情況原文鏈接
    2023-10-30
  • 一種基于DCE-MRI可視化定量乳腺癌血流動力學(xué)異質(zhì)性的方法
    該方法不僅能用于乳腺癌，還能轉(zhuǎn)化應(yīng)用到全身多種腫瘤中，具有廣泛的臨床應(yīng)用價值近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所勞特伯生物醫(yī)學(xué)成像中心與中國醫(yī)學(xué)科學(xué)腫瘤醫(yī)院深圳醫(yī)院放射科合作研究工作Voxelwise mapping of DCE-MRI time-intensity-curve profiles enables visualizing and quantifying hemodynamic heterogeneity in breast lesions發(fā)表在醫(yī)學(xué)放射學(xué)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊European Radiology上。該研究創(chuàng)新性地提出一種不基于模型、純數(shù)據(jù)驅(qū)動的DCE圖像定量分析方法，通過逐體素提取時間信號曲線進(jìn)行自動分類，并將不同類別時間信號曲線的空間分布和分類占比映射到腫瘤空間內(nèi)部進(jìn)行顏色編碼，實現(xiàn)了對乳腺癌血流動力學(xué)異質(zhì)性的定量可視化評估。研究發(fā)現(xiàn)該新方法所提取的血流動力學(xué)異質(zhì)性特征對于區(qū)分乳腺腫瘤的良惡性、病理級別、分子亞型和細(xì)胞增殖狀態(tài)均具有顯著的價值。近年來，動態(tài)增強(qiáng)磁共振成像（dynamic contrast enhanced MRI, DCE-MRI）作為乳腺MRI中最重要的序列，已廣泛應(yīng)用于乳腺癌的診斷、療效評估和預(yù)后預(yù)測中。DCE-MRI通過連續(xù)監(jiān)測造影劑進(jìn)出腫瘤內(nèi)部后引起的磁共振信號的變化，來反映腫瘤的血流動力學(xué)。迄今為止，從DCE-MRI圖像中提取血流動力學(xué)信息的方法包括定性分析、半定量分析和基于模型的定量分析。由于可操作性強(qiáng)的優(yōu)點，目前定性分析廣泛應(yīng)用于臨床，但它不能分析整個腫瘤，且容易受到感興趣區(qū)域（ROI）選擇隨機(jī)性、信號的平均效應(yīng)、觀察者間的不一致性的影響，且該方法不能反映腫瘤內(nèi)部的空間血流動力學(xué)異質(zhì)性。相比之下，半定量分析通過一些半定量參數(shù)更加定量地表征時間信號曲線（Time-Signal Intensity-Curve, TIC），但它仍然容易受到ROI選擇的隨機(jī)性、信號的平均效應(yīng)以及定義的不統(tǒng)一的影響，而很少用于臨床。此外，基于模型的定量分析方法可以獲得組織和病變的定量生理信息，但目前分析都是基于理想模型（例如雙室模型），并且由于模型的復(fù)雜性，很容易受到MRI掃描參數(shù)、注射對比劑前組織的基線T1值、動脈輸入函數(shù)和特定組織屬性的影響，此外在濃度曲線擬合過程中也會受到各種偽影、噪聲、變形和/或低時間分辨率影響而產(chǎn)生錯誤結(jié)果[12]。因此，由于實驗限制和生理模型固有的缺陷，基于模型的定量分析也很難轉(zhuǎn)化到臨床場景中。針對上述問題，該研究繞開復(fù)雜的生理學(xué)模型，提出一種不基于模型、純數(shù)據(jù)驅(qū)動的DCE圖像定量分析方法，通過逐體素提取時間信號曲線進(jìn)行自動分類，并將不同類別時間信號曲線的空間分布和分類占比映射到腫瘤空間內(nèi)部進(jìn)行顏色編碼，實現(xiàn)了對乳腺癌血流動力學(xué)異質(zhì)性的定量可視化評估。研究發(fā)現(xiàn)該新方法所提取的血流動力學(xué)異質(zhì)性特征對于區(qū)分乳腺腫瘤的良惡性、病理級別、分子亞型和細(xì)胞增殖狀態(tài)均具有顯著的價值，為研究腫瘤微環(huán)境異質(zhì)性提供了一種新思路和新方法。研究團(tuán)隊從2018年12月至2022年7月，回顧性納入了259名接受乳腺動態(tài)增強(qiáng)磁共振成像（DCE-MRI）檢查的患者，共325個病理學(xué)證實的乳腺病變?；谑謩臃指畹娜橄俨∽?，將整個3D病變內(nèi)每個體素的時間-信號曲線根據(jù)初始強(qiáng)化速率（未強(qiáng)化、緩慢、中等和快速）、延遲強(qiáng)化狀態(tài)（持續(xù)、平臺和下降）和強(qiáng)化穩(wěn)定性（穩(wěn)定和不穩(wěn)定）分為19類，并計算每個病變的這19類TIC曲線的組成比作為新的特征集（定義為type-19）。分別用type-19特征、臨床常用的三型TIC（流入型、平臺型和流出型）以及半定量參數(shù)構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于鑒別病變的良惡性、病理分級、增殖狀態(tài)（Ki-67）和分子亞型（詳見技術(shù)路線圖1）。結(jié)果顯示，基于Type-19特征構(gòu)建的模型在區(qū)分病變的良惡性（分別為AUC=0.875 vs. 0.831，p=0.01和0.875 vs. 0.804，p=0.03）和預(yù)測腫瘤增殖狀態(tài)（AUC=0.890 vs. 0.548，p=0.006和0.890 vs. 0.596，p=0.020）方面，顯著優(yōu)于基于三型TIC和半定量參數(shù)的模型。逐體素TIC曲線分類的空間映射參數(shù)圖提供了一種全新的不基于模型和純數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來定量可視化腫瘤血流動力學(xué)異質(zhì)性，該方法不僅能用于乳腺癌，還能轉(zhuǎn)化應(yīng)用到全身多種腫瘤中，具有廣泛的臨床應(yīng)用價值。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院訪問學(xué)者、腫瘤醫(yī)院劉周博士為論文第一作者，客座學(xué)生姚冰玉為共同第一作者，張娜副研究員、腫瘤醫(yī)院羅德紅主任為論文通訊作者。圖1 技術(shù)路線流程圖圖2 四個典型病例的Type-19彩色編碼圖像，包括良性葉狀腫瘤(a)，有大量透明變性的纖維腺瘤(b)，非特殊類型的浸潤性乳腺癌(c)，以及非特殊類型的浸潤性乳腺癌（有壞死區(qū)域） (d)圖3 使用Type-19特征集區(qū)分乳腺癌病灶的惡性程度。所有良性和惡性乳腺病灶的熱圖分布(a)和條形對比圖(b)，以及良性病灶(c)和惡性病灶(d)Type-19特征集排名條形圖。圖4 高級別和低級別(a)，高增殖和低增殖狀態(tài)(b)以及四種分子亞型浸潤性乳腺癌(c)的Type-19特征的比較條形圖原文鏈接
    2023-10-30
  • 深圳先進(jìn)院開發(fā)基于物理信息的高效復(fù)值注意力mixer架構(gòu)用于彩色無透鏡全息重建
    該團(tuán)隊提出了一種基于物理信息的無監(jiān)督復(fù)值網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用于高效、高質(zhì)量彩色無透鏡全息重建。近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所秦文健博士團(tuán)隊在JCR一區(qū)期刊Optics and Lasers in Engineering上發(fā)表了題為Fast physic-informed mixer architecture for color Lensfree holographic reconstruction的研究。該團(tuán)隊提出了一種基于物理信息的無監(jiān)督復(fù)值網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用于高效、高質(zhì)量彩色無透鏡全息重建。本研究中，王家乾博士生和曾光工程師為共同第一作者，秦文健博士為通訊作者，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為第一單位。從多波長全息圖精確重建彩色圖像在生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中至關(guān)重要。當(dāng)前數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)方法在生物醫(yī)學(xué)圖像重建性能方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。尤其是未經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以有效解決成像模型對數(shù)據(jù)集樣本數(shù)量要求和泛化問題。然而，現(xiàn)有方法依然需要更多的迭代計算來提高重建質(zhì)量，這使得模型需要更長的收斂時間。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊提出了一種高效的復(fù)值注意力混合器（ECA-Mixer）架構(gòu)，用于快速準(zhǔn)確的物理信息彩色全息重建。該架構(gòu)由三個核心模塊組成：編碼器、非線性變換器和解碼器，每個模塊都結(jié)合了高效的注意力機(jī)制和混合器層，用于通道特征提取和空間信息轉(zhuǎn)換。為了保留高頻信息，該團(tuán)隊還引入了 2D Haar 小波及其逆變換來編碼和解碼特征。該研究成果在大量仿真和實驗樣本上的結(jié)果表明，該方案在計算時間和圖像質(zhì)量方面實現(xiàn)了極佳的彩色重建結(jié)果。更重要的是，該成果方案能夠在短短幾分鐘內(nèi)以更高分辨率對大尺寸寬視場樣本進(jìn)行快速成像。本論文技術(shù)成果為計算全息成像在生物醫(yī)學(xué)顯微成像方面應(yīng)用提供了新的解決思路和方法。骨組織病理大視場彩色全息重建結(jié)果展示論文鏈接
    2023-11-01