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2021年上海基础研究精彩纷呈,部分重大成果介绍—>
发布日期:2022-01-14 来源:上海科技

  2021年是“十四五”开局之年。这一年,上海在基础前沿领域奋勇争先,制定发布了《上海市人民政府关于加快推动基础研究高质量发展的若干意见》,积极探索实施改革举措,全力营造更好环境,支持科研人员心无旁骛开展研究。这一年,我们见证了一系列重大创新成果在上海诞生。上海科技整理了其中的部分成果,快来看看吧!

  

  破解豆科植物结瘤固氮之谜  

  完成单位:中科院分子植物科学卓越中心

  

  豆科植物-根瘤菌共生固氮,大大降低了豆科植物对化肥的依赖性。但“为什么豆科植物能结瘤固氮”是个百年未解之谜。中科院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队首次揭示皮层细胞获得SHR-SCR干细胞程序是豆科植物区别于其他植物、拥有根瘤器官形成和共生固氮能力的决定性节点。该研究成功通过SHR-SCR干细胞程序赋予非豆科植物水稻等根系皮层细胞分裂的能力,是非豆科植物结瘤固氮领域的重大突破,为提高豆科植物固氮效率和推进非豆科植物共生固氮改造、有效降低农业化肥使用和绿色农业发展提供了理论基础。该成果于2021年1月在《自然》发表,受F1000推荐,并被Nature Plants, Science Bulletin, Molecular Plant等期刊专评。

  

  揭示基因转录起始超级复合物组装机制  

  完成单位:复旦大学

  

  几乎所有转录因子及转录调控因子都是通过作用在PIC-Mediator复合物上激活转录起始,对其进行结构解析和功能阐释是分子生物学领域几十年来的难题和期待。今年,复旦大学生物医学研究院/附属肿瘤医院徐彦辉教授团队在这一领域连续取得突破。4月在《科学》上报道了包含转录因子TFIID(一种多蛋白复合物)的转录前起始复合物结构,揭示了基因启动子识别及PIC(以RNA聚合酶II为核心的转录前起始复合物)装配的动态过程,该工作一经发表就得到了国内外广大同行的高度认可。5月再度在《科学》上长文发表了首个结构与功能完整的PIC-Mediator复合物,揭示了PIC-Mediator的动态组装过程以及Mediator调控Pol II CTD磷酸化的分子机制。这两篇关于PIC的研究论文前后呼应,所揭示的结构及其功能关联性对后续的转录机制研究具有重要的指导意义。权威专家评价称,这项工作较全面地回答了转录起始过程的若干重要科学问题,是国内分子生物学领域的又一重大突破性成果。

  

  首次确定内源性谷氨酸能递质系统  

  完成单位:同济大学

  

  作为兴奋性递质系统,谷氨酸能递质系统控制神经元的兴奋性和传导性。鉴于心房没有与心室相似的明确的解剖传导系统,研究人员假设某些信号传导剂可能在心房心肌的电传导传导中起补偿作用。同济大学陈义汉院士团队的研究证明心房心肌细胞具有内在的谷氨酸能递质系统,该系统调节动作电位的产生和传播,进而直接调节心房心肌细胞的兴奋性和传导性。上述发现在人诱导的多能干细胞衍生的心房心肌细胞、人心房心肌组织和人心房心肌细胞中得到了部分验证。该系统的操纵可能会为心律不齐的治疗干预开辟潜在的新途径。该成果发表在《细胞研究》(Cell Research,2021,31(9):951-964)。

  

  发现特殊DNA的合成机制  

  完成单位:上海科技大学

  

  上海科技大学赵素文团队和国内外研究伙伴合作,解析了一种特殊DNA的合成机制,并发现一种遍布全球的、能感染细菌的病毒(噬菌体)都含有这种DNA。这项重大发现对生命起源、物种进化、系统生物学的研究具有重要理论意义,具有广阔的潜在应用价值,包括治疗超级耐药菌感染、新型纳米材料制备、DNA信息存贮等。相关成果于4月30日在国际著名学术期刊《科学》上发表。这种特殊DNA合成机制能够实现低成本量产,在新材料、信息存储、抗超级耐药菌等多领域具有广阔应用前景。

  

  系统揭示豆科物种起源分化及共生演化假说  

  完成单位:复旦大学

  

  复旦大学生命科学学院黄建勋副研究员团队联合美国宾夕法尼亚州立大学马红教授、中科院昆明植物所伊廷双研究员于2021年5月以封面文章的形式在植物科学领域国际顶级期刊《分子植物》上发表研究,揭示了豆科物种的起源分化、基因组多倍化以及根瘤菌固氮共生演化假说。在该项豆科植物系统进化研究中,新获得了391个豆科物种的七百多万核基因转录本的序列数据,结合其他已发表基因序列数据集,覆盖了豆科所有的6个亚科59个族或相当支系的共计463个种,得到了高支持度的豆科系统树,解决了一些长期存在争议或者悬而未决的豆科植物系统关系,在豆科中鉴定到28次全基因组二倍化或者三倍化事件,发现豆科植物早期全基因组复制事件可能为稳定有效的固氮根瘤提供丰富的遗传物质基础,为一系列生理、生态性状的衍生提供了内在条件,为了解新生代物种多样性提供了重要视角。

  

  神经精神领域药物靶标结构解析接连取得重大突破  

  完成单位:中科院上海药物研究所

  

  多巴胺、五羟色胺受体是帕金森氏症、抑郁症、精神分裂症、偏头痛等多种神经系统疾病药物的重要靶标,涉及学习、记忆、情绪以及疼痛感知等功能的代谢型谷氨酸受体,是阿尔兹海默症和精神分裂症等疾病的治疗靶标。徐华强研究组、吴蓓丽研究组、赵强研究组、王明伟研究组、柳红研究组通过解析多巴胺受体D1R、D2R和D3R三个亚型共8个近原子分辨率结构,五羟色胺受体1A、1D、1E和1F四个亚型共6个结构,解决了该两类受体与配体结合选择性,以及五羟色胺受体脂质调节机制、本底激活机制等重大科学问题;通过解析多种人源代谢型谷氨酸受体处于不同功能和不同二聚化状态下的三维结构,以及此基础上系统的功能研究,首次对代谢型谷氨酸受体从非活化到完全活化状态精细构象变化过程的全面阐释,并揭示了其同源和异源二聚体复杂的信号转导模式,为深入认识该类受体在中枢神经系统中的功能调控机理提供了重要的依据。上述研究陆续发表于《自然》、《细胞》等期刊,为设计疗效好、副作用低的神经精神类疾病药物奠定了结构基础。

  

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代谢型谷氨酸受体结构示意图

  

  小型化自由电子激光研究  

  完成单位:中科院上海光学精密机械研究所

  

  上海光机所的强场物理国家重点实验室研究团队利用自行研制的具有国际领先综合性能的超强超短激光装置,在基于激光加速器的小型化自由电子激光研究方面取得突破性进展。研究团队通过显著提升激光尾波场加速的电子束品质,并结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统,经过10余年来团队的共同努力,首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出,典型激光波长27纳米,最短激光波长可达10纳米级,单脉冲能量可达100纳焦级,率先在国际上完成了台式化自由电子激光原理的实验验证,对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。相关成果成果于2021年7月22日作为封面文章发表于《自然》期刊。

  

  颠覆纤维锂离子电池内阻传统认知  

  完成单位:复旦大学

  

  如何通过设计新结构如创建纤维锂离子电池,满足电子产品高度集成化和柔性化发展要求,是锂离子电池领域面临的一个重大挑战。长期以来有个共识:纤维锂离子电池内阻随长度增加而显著增大,导致无法实现其高性能化与应用。复旦大学彭慧胜团队颠覆了上述传统认知,发现纤维锂离子电池内阻与长度之间独特的双曲余切函数关系(即内阻随长度增加并不增大,反而先下降后趋于稳定),提供了纤维锂离子电池发展的理论基础。构建的纤维锂离子电池,能量密度较过去提升了近2个数量级,在柔性电池领域开拓出一个新方向。该成果于2021年发表在《自然》上,被评述为“纤维锂离子电池领域的一个里程碑”,被美国化学会Chemical & Engineering News评为2021年度全球10项“顶尖化学研究成果”。

  

  证明镜像对称中的一个重要猜想  

  完成单位:复旦大学

  

  镜像对称是近三十年受数学物理冲击而兴起的一个数学分支。在数学上,镜像对称预言Calabi-Yau三维流形中亏格0曲线的计数可以与其镜像流形上的周期积分相等同。对高亏格曲线的计数,即成为数学上的Gromov-Witten不变量。著名物理学家Vafa和他的合作者Bershadsky-Cecotti-Ooguri通过使用拓扑弦的费曼路径积分,发现了一系列关于高亏格Gromov-Witten不变量必须满足的数学结构,并预示高亏格势函数应该具有某种有限生成性质,以及可控的初始条件。对于五次超曲面这一典型Calabi-Yau三维流形,基于BCOV理论Yamaguchi-Yau给出了一个更为精确的数学描述,称为多项式结构猜想。复旦大学李骏、郭帅、张怀良团队的文章通过使用他们建立的NMSP理论,在数学上对五次超曲面实现了BCOV猜想的有限生成性质和有限初始条件,完成了证明Yamaguchi-Yau多项式结构猜想。该成果发表于国际顶尖数学期刊《数学年刊》。

  

  首次在超导体系实现“量子计算优越性”  

  完成单位:上海量子科学研究中心,中国科学技术大学

  

  祖冲之号是我国自主研制的超导量子计算系统,包含了形成二维网状结构的62个超导量子比特,通过全栈式开发超导量子比特芯片及配套软硬件控制系统,在该原型机上实现了二维量子行走的实验研究,为进行更进一步的量子模拟、量子算法、量子优越性展示等应用开辟了一条新的道路,展示了我国在超导量子计算领域跻身世界先进水平的强劲实力。祖冲之号由上海量子科学研究中心、中国科学技术大学双聘的科学家团队完成,得到了上海市级科技重大专项的大力支持。2021年10月25日,团队又成功构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”。根据现有理论,“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级,计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级,使得我国首次在超导体系达到了“量子计算优越性”里程碑。

  

  超导体中首次实现分段费米面  

  完成单位:上海交通大学

  

  是否拥有费米面决定了固体材料的电学、光学、热学等各种关键物性,普通超导体没有费米面。早在1965年,理论预言超导体中如果库珀对的动量足够大,就能产生出一种特殊的“分段费米面”,但由于普通超导体库珀对动量很大时会破坏超导电性,因此该预言一直未被证实。上海交通大学物理与天文学院郑浩、贾金锋团队设计、制备了Bi2Te3/NbSe2超导体系,利用Bi2Te3拓扑表面态费米速度大的优势,用很弱的水平磁场在NbSe2上产生较小的超导电流,但在Bi2Te3中产生足够大的库珀对动量,从而巧妙地解决了长久以来的困难,首次在超导体中实现分段费米面。该工作开辟了调控物态、构建拓扑超导的新思路。该成果发表于《科学》。

  

  单质新原理开关器件  

  完成单位:中科院上海微系统与信息技术研究所

  

  大数据信息时代急需海量高速存储技术。三维相变存储器是目前最成熟的新型存储技术,其核心是开关单元和存储单元,商用的开关器件组分复杂、毒性大,制约存储密度的进一步提升。针对以上问题,中科院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、朱敏团队在Science (2021, 374, 1390) 上提出一种单质新原理开关器件:该器件通过单质Te与电极产生的高肖特基势垒降低了器件在关态的漏电流,而单质Te晶态(半导体)到液态(类金属)转变时肖特基结消失、产生类金属的大开态电流。单质Te器件基于晶态-液态新开关机理,不同于传统晶体管,是一种全新的开关器件,Science同期评论是“前所未有的新成果,为三维高密度存储芯片提供了新方案”。

  

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单质Te开关器件结构与性能

  

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单质Te器件新型开关机理:晶态-液态-晶态转变

  

  电卡制冷效应工程应用瓶颈获突破  

  完成单位:上海交通大学

  

  电卡制冷系统使用介电电容制冷,电能损耗小、能效高,具有零温室效应潜能、易于小型化/轻量化等特点,是实现双碳目标的前瞻技术之一。然而,目前最优的制冷电介质仍需极高外加电场,极易造成材料老化与击穿,如何提升材料在低电场下的电致熵变是应用领域亟需攻克的重大难题。12月23日,上海交通大学机械与动力工程学院钱小石率领跨学科交叉研究团队在上海市自然科学基金首届原创探索项目的支持下,通过精巧设计分子缺陷调控,制备了一种极化高熵高分子,显著提高低电场下的巨电卡效应,在较低外加电场(50 MVm-1)的驱动下,电卡效应是目前最优制冷高分子的近4倍,并首次将循环寿命提高至逾百万次。相关研究成果发表于《自然》,这是我国科研单位首次在《自然》发表以电卡制冷为主题的论文。

  

  解析指纹花纹背后的基因  

  完成单位:复旦大学、中科院上海营养与健康研究所

  

  中科院上海营养与健康研究所汪思佳研究员团队、爱丁堡大学Denis Headon教授团队和复旦大学金力院士团队联合国内外十余家科研机构对此展开深入研究,通过对较大样本人群的分析,精确量化了多种族群体的指纹花纹,经分析几百万遗传位点和指纹花纹之间的关系后指出,人类肢体发育相关基因在指纹花纹表型的形成中发挥了关键作用,有望为研究通过肤纹表型实现特定疾病的早期识别与筛查提供新思路。2022年1月7日,相关研究成果以《肢体发育基因构成人类指纹花纹差异的基础》为题发表于2022年第一期《细胞》。


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