中国科大十月（上）科研进展

10月2日，中国科学技术大学生命科学与医学部、免疫应答与免疫治疗重点实验室周荣斌/江维/王夏琼团队在《自然-免疫学》在线发表题为“GPR34 is a metabolic immune checkpoint for ILC1-mediated antitumor immunity”的研究论文，报道了肿瘤来源的脂质代谢物溶血磷脂酰丝氨酸（LysoPS）可通过其受体GPR34抑制ILC1s的抗肿瘤活性，而拮抗GPR34受体可以诱导强效的ILC1s介导的抗肿瘤免疫从而抑制肝癌、结直肠癌等实体肿瘤生长。

以PD1抗体为代表的肿瘤免疫治疗近年来取得了较大进展，改变了肿瘤的治疗模式，但目前响应率不到30%，对肝癌、结直肠癌等效果尤其不佳，亟需发展新的肿瘤免疫治疗策略和靶点。NK细胞在肿瘤免疫中发挥重要作用，具有应答快、抑瘤谱广、通用性好、毒性小等特点，正在成为全球竞争的新赛道，但是由于肿瘤局部独特的微环境，常规NK细胞（conventional NK, cNK）存在“进入肿瘤组织难”“进入后功能被抑制”等瓶颈问题。除了cNK外，在肝脏、肠道等组织存在大量的1型固有样淋巴细胞（type 1 Innate Lymphoid cells,ILC1s）。ILC1s也被称为组织驻留NK细胞，近年来被发现同时具有促肿瘤和抗肿瘤的活性，但由于其与cNK细胞在表型上具有很大的相似性，目前缺乏靶向ILC1s的干预手段，其在肿瘤免疫中的功能尚不明确。

在该项研究中，研究人员通过构建tdTomato-GPR34报告鼠，发现GPR34在ILC1s上高表达，而在cNK细胞上不表达，提示GPR34可以作为一个新的区分ILC1s和cNK的标志物。进一步利用多种不同的皮下瘤和结肠癌肝转移的原位瘤模型，研究人员发现GPR34全身基因缺陷或ILC1s条件缺陷均能增加肿瘤中ILC1s的比例、数目和抗肿瘤活性，并抑制肿瘤生长，表明GPR34通过抑制ILC1s的抗肿瘤活性来促进肿瘤生长。

接下来，研究人员探究了GPR34调控ILC1s介导的抗肿瘤免疫的机制。通过质谱检测，发现GPR34配体LysoPS在肿瘤间质液积累。体外实验表明LysoPS以GPR34依赖的方式通过cAMP-PKA-CREB途径抑制ILC1s的活化。敲低肿瘤细胞上LysoPS合成酶ABHD16A的表达可以降低肿瘤间质液中LysoPS的水平并抑制了肿瘤的生长。此外，抑制肿瘤中LysoPS的产生可增加肿瘤中ILC1s的数量、比例以及抗肿瘤活性。这些结果表明，肿瘤来源的LysoPS通过GPR34抑制ILC1s介导的肿瘤免疫从而促进肿瘤生长。

进一步的研究发现，不管是在皮下肿瘤模型还是肝转移模型中，利用抑制剂阻断GPR34均可抑制肿瘤生长，且GPR34抑制剂与抗TIGIT抗体联合使用可提高肿瘤治疗的效率。

最后，研究人员探讨了LysoPS-GPR34-ILC1s通路在人类癌症中的临床相关性，发现GPR34mRNA在结肠腺癌、头颈癌或肝细胞癌患者肿瘤组织中的ILC1样细胞上高表达，而在cNK细胞上表达较低，且ABHD16A和GPR34的表达与癌症患者ILC1s的抗肿瘤活性呈负相关性。

综上所述，该研究发现肿瘤来源的脂质代谢物LysoPS可通过其受体GPR34抑制ILC1s的抗肿瘤活性，而拮抗GPR34可增强ILC1s的抗肿瘤活性并抑制肿瘤生长。研究的创新性体现在：1）率先证明靶向ILC1s（组织驻留NK）可以诱导抗肿瘤免疫并抑制肿瘤生长，提示靶向组织驻留的免疫细胞对实体肿瘤可能为一种潜在的有效策略；2）发现危险信号感应受体GPR34为一个新的代谢免疫检查点。

中国科学技术大学博士后颜家贤、博士研究生张驰、博士后胥月丽和博士研究生黄宗晖为该论文的第一作者。中国科学技术大学生命科学与医学部、免疫应答与免疫治疗重点实验室周荣斌、江维教授和王夏琼副研究员为该论文的共同通讯作者。该研究的合作者包括中国科学技术大学黄光明教授和中国科大附属第一医院钱小军和朱亮副主任，该研究得到了基金委、科技部、中国科学院的项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41590-024-01973-z

（生命科学与医学部、科研部）

日前，中国科大信息科学技术学院电子工程与信息科学系在下丘脑胰高血糖素样肽（GLP-1）调控血糖代谢方面取得新进展。刘际研究员课题组揭示了一条肾上腺非依赖性的下丘脑-交感-肝脏轴通路调控应激血糖代谢的新机制，相关研究结果以“Hypothalamus-sympathetic-liver axis mediates the early phase of stress-induced hyperglycemia in the male mice”为题，于10月5日在《自然·通讯》上发表。

应激反应是动物在处理威胁时作出的本能反应，其中包括血糖快速上升来应对潜在的危险。经典的理论认为，应激血糖的产生是通过经典的下丘脑-垂体-肾上腺轴或者自主神经-肾上腺轴来刺激应激激素响应能量供应，但这两条通路均需要肾上腺介导，且在时间上有明显的延迟，不符合应激过程快速释放血糖的生理需求。

研究组利用跨突触病毒示踪以及光遗传、化学遗传技术研究了应激信号在下丘脑整合并调节血糖的下行神经环路功能，发现腹内侧核CRHR2神经元接受CRH投射并通过交感神经直接控制肝脏的葡萄糖异生，这条新发现的通路并不依赖于肾上腺活性，并且在早期应激血糖的生产中起关键作用。

论文第一作者为信息科学技术学院博士后刘玲和黄兆欢，生命科学学院博士后张健，该工作得到了国家自然科学基金委员会基金支持，中国科学技术大学类脑智能技术及应用国家工程实验室、中国科学院脑功能与脑疾病重点实验室和脑启发智能感知与认知教育部重点实验室支持。

下丘脑-交感-肝脏轴调控应激血糖的示意图

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52815-3

（信息科学技术学院、科研部）

日前，中国科大郭光灿院士团队在量子网络领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权、柳必恒等人基于多模式固态量子存储和量子门隐形传送协议在合肥市区实现了跨越7公里的非局域量子门，并演示了分布式的Deutsch-Jozsa算法及量子相位估计算法。该成果10月2日发表在国际期刊《自然·通讯》上。

分布式量子计算是解决量子计算可扩展性难题的一条可行路径，它通过非局域量子门连接独立的量子计算节点，从而整合量子网络中的算力资源来实现量子计算规模的提升。然而，非局域量子门目前仅在数十米的尺度下实现实验演示，无法满足在大尺度量子网络中整合算力资源的需求。

在该工作中，研究团队基于量子门隐形传送协议来建立两个量子节点之间的非局域量子门。两个量子节点之间的直线距离为7公里，分别位于中国科学技术大学东校区（简称中国科大）和合肥市大蜀山东侧（简称大蜀山）。研究团队首先在两节点间使用通信波段光子和专线光缆进行了量子纠缠态的远程分发。随后，中国科大节点和大蜀山节点分别执行本地的两比特量子门操作。中国科大节点采用掺铕硅酸钇晶体实现纠缠光子的存储，直到接收到大蜀山节点的测量结果，并根据这一结果执行相应的单比特门操作。

实验结果表明，中国科大节点的光子与大蜀山节点的光子之间完成了两比特非局域量子门操作，其中受控非门的保真度达88.7%。固态量子存储器的纠缠存储时间达到80.3μs，相比前人工作提升近2倍，并且纠缠存储的时间模式数达1097个，使得非局域量子门的生成速率获得了线性的提升。基于非局域量子门，研究团队进一步在这两个远程节点间演示了两比特的Deutsch-Jozsa算法以及量子相位估计算法，成功实现了量子算法的远程分布式执行。

该工作首次在城市距离上实现分布式光量子计算的演示，展示了基于量子存储和通信光缆构建分布式量子计算网络的可行性，为规模化量子计算的实现提供了新思路。

审稿人对该工作给予高度评价：“This is an excellent work combining several very challenging technical elements (entangled pair generation, optical quantum memory, metropolitan quantum link) in a first of a kind demonstration（这是一项杰出的工作，它结合了几项非常具有挑战性的技术要素，包括纠缠光子对、光量子存储器、城域量子通信，实现了首创性的演示）”；“We believe that this study reports significant technical advances towards the realization of quantum networks in a way that it initiates a new experimental direction for distributed quantum information processing（我们认为该工作在实现量子网络方面取得了重要的进展，它开辟了一个新的实验方向去实现分布式量子信息处理）”。

中国科学院量子信息重点实验室特任副研究员刘肖、特任教授胡晓敏和博士后朱天翔为论文共同第一作者。该工作得到了科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中国科学院青年创新促进会优秀会员的资助。专线光缆的铺设得到了中国联通安徽省分公司的支持。

图1：跨越7公里的非局域量子门。a.量子节点分布地图和实验装置图; b.量子门隐形传送的逻辑线路图

图2：分布式量子计算算法的演示。a-e.Deutsch-Jozsa算法的逻辑线路图和实验结果；f-j.量子相位估计算法的逻辑线路图和实验结果

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52912-3

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院李木军副教授、张世武教授，联合生命科学与医学部胡兵教授，提出了一种新型多孔磁性软体抓手（PMSG），通过在柔性磁性硅胶中融入多孔设计，使得PMSG能够迅速且安全地抓取脆弱的生物活体。成果以“Porous Magnetic Soft Grippers for Fast and Gentle Grasping of Delicate Living Objects”为题发表在国际期刊《先进材料》上。

磁性软体抓手因其操作灵活、反应迅速，并且对生物体安全而备受瞩目。它们特别适合用来精细地处理那些脆弱的生物体。然而，如何在操作过程中不伤害这些生物体，一直是科研人员面临的一个挑战。针对上述挑战，研究团队提出通过将多孔结构引入磁性硅胶弹性体制造PMSG的方法，使其具备高磁化、低模量和粗糙表面特点，从而展现卓越的柔软度和适形性，同时在快速抓取时减少对物体的冲击。这种简单有效的方法为高性能致动器与生物的安全交互提供了全新的思路。

图1.多孔磁软体抓手设计

研究团队提出的多孔磁性软体抓手凭借其多孔结构，展现出卓越的柔软度和适形性，能够轻松抓取各种大小和质地的物体。这种软抓手的灵活性使其能够适应复杂或形状不断变化的物体，提供了比传统机械抓手更可靠的抓取方案，特别是在处理形状不规则或容易变形的物体时更为有效。由于具备高磁化强度和低弹性模量，能够迅速对磁场变化作出反应，同时保持较小的冲击力，确保安全地抓取易碎物品，如能够快速安全抓住上抛的去壳生鹌鹑蛋。此外，多孔磁性软体抓手在生物医学领域，尤其是细胞操作方面，展现出巨大的应用前景，因为它能够提供持续而温和的压力，确保对生物样本的轻柔与安全抓取，为医疗微操作器械的创新提供了新的可能性。

图2.软体抓手的多功能性展示（a）抓取薄板和细线（b）抓取鱼和蒲公英（c）快速抓取去壳生蛋（d）安全移取斑马鱼卵

此外，研究团队还进一步开发了可远程操作的多孔磁性软体抓手，克服了传统磁驱动抓手对大型电磁场线圈的依赖，更有利于与移动平台相结合，从而适用于更广泛的应用场景。所设计的抓手能够与移动机器人集成，实现对小鸡的温和抓取与定点移动。同时，该软体抓手还可与无人机集成，可以捕获水中的小鱼，并能迅速地将它们进行远距离的安全转移。这些结果表明，多孔磁性软体抓手在未来的野外生物样本收集和生物医学研究中将发挥更加重要的作用。

图3.抓手与移动平台集成，实现生物活体远程抓取

以上工作得到了科技部国家重点研发计划，安徽省自然科学基金，“科大新医学”联合基金支持。中国科学技术大学精密机械与精密仪器系博士生李幸响、生命科学与医学部博士生凡定刚、精密机械与精密仪器系博士后孙宇轩为该论文共同第一作者，中国科学技术大学李木军副教授、张世武教授、胡兵教授为该论文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202409173

（工程科学学院、人形机器人研究院、科研部）

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院肖益林教授团队与青海省青海湖景区保护利用管理局、中国科学院青海盐湖所、美国宾夕法尼亚大学以及南宁师范大学合作系统测定了青海湖的水、沉积物和补给水的元素及Li同位素组成，并对湖水系统的Li循环过程和Li同位素分馏机制进行了详细解剖。研究成果发表在最新一期国际知名学术期刊《应用地球化学》上。

青海湖是中国最大的咸水湖（4625平方公里），位于干旱区、高寒区和季风区的交汇处，对于全球气候变化十分敏感。同时该地区人口和农牧业活动少，人类活动影响可以忽略，因此青海湖可以很好地记录青藏高原区域的古气候信息。锂同位素(δ7Li) 由于分馏大、不受生物作用影响等独特优势被认为是示踪古气候环境变化的良好工具。然而，在进行示踪工作之前，必须解开湖泊水和沉积系统中锂同位素分馏和元素循环的机制。

图1.(a)青海湖水样横向剖面采样点(b)青海湖水样垂直剖面的采样点(c)青海湖沉积物采样点

研究结果表明湖水锂浓度为略微波动，主要受控于与氧化铁或悬浮物的吸附作用影响，δ7Li值（32.1‰±0.4‰）则表现出显著的均匀性。不同采样点的湖泊沉积物矿物组成相差不大，与湖水之间的分馏高达30‰，主要是自生粘土形成所致，通过计算可以确定二者的平衡分馏系数为0.973。

图2.(a)(b)分别是青海湖的两个垂直断面湖水元素浓度，前者水深27m，后者水深14m(c)是青海湖横向剖面湖水元素浓度

该研究建立了青海湖的Li循环模型，模型显示青海湖现阶段处于非稳态，Li输入（46.8t/a）略高于Li输出（44.4t/a），在基于现阶段气候条件不变的情况下，湖泊的Li储量将逐渐上升，预计在1.2 ka内达到稳定状态，湖水的δ7Li值将增加，直到6ka后达到~45‰。该研究一方面加深了我们对封闭盆地内水系地球化学过程的理解，并重建青藏高原古气候环境历史具有重要意义。另一方面鉴于青海湖与海洋系统的高度相似性，也有可能为海洋Li同位素的演化提供见解，有助于加深我们对全球Li循环的理解。

图3.（a）（b）分别是海洋（Misra and Froelich., 2012）和青海湖的Li循环模式示意图。

中国科学技术大学博士研究生李尹为论文第一作者，肖益林教授和王洋洋特任副研究员为共同通讯作者。该项工作得到中国科学院战略重点研究计划（B）和国家自然科学基金的联合资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2024.106190

（地球和空间科学学院、科研部）

近日，中国科学技术大学曾杰教授团队在低温甲烷氧化制乙酸研究中取得重要研究进展。在本研究中，研究人员报道了一种分子筛负载的金-铁双金属催化剂，该催化剂在水中以氧气为氧化剂，并在一氧化碳存在下将甲烷氧化为乙酸。具体而言，金纳米粒子催化一氧化碳，氧气和水生成活性羟基物种，而原子级分散的铁物种则促进了羟基介导的甲烷氧化和碳-碳偶联过程，从而生成乙酸。在120摄氏度反应3小时的条件下，分子筛负载的金-铁双金属催化剂实现了5.7毫摩尔每克的乙酸收率，液相产物中乙酸选择性达到了92%。值得注意的是，该催化剂在60摄氏度依然表现出活性。这种羟基介导的策略还成功应用到乙烷氧化制丙酸和丙烷氧化制丁酸过程中。相关成果以“Highly Selective Synthesis of Acetic Acid from Hydroxyl‐Mediated Oxidation of Methane at Low Temperatures”为题发表于《德国应用化学》杂志（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202412995）。

由于甲烷的化学惰性和氧气的低活性，在低温下以氧气氧化甲烷制乙酸面临重大挑战。在甲烷和氧气体系内引入一氧化碳提供了一条非常有前景的路线用于乙酸合成。在该反应中，一氧化碳作为还原剂、配体和反应物的作用已被广泛认识。但是这些催化剂通常需要在150摄氏度左右实现甲烷氧化制乙酸，在较低温度时几乎没有乙酸生成。目前，在低温下将甲烷氧化为乙酸通常依赖于强氧化剂的使用，如过氧化氢或过硫酸钾与三氟乙酸的混合物。有鉴于此，探究一氧化碳以及溶剂水的其它作用以实现低温下氧气氧化甲烷制乙酸具有重要意义。

图1.低温甲烷氧化制乙酸的反应性能

分子筛负载的金-铁双金属催化剂在60到120摄氏度实现了甲烷氧化制乙酸，且该催化剂能够被多次循环使用（图1）。同位素标记实验、捕获实验、分段实验、顺磁共振、高分辨质谱和原位漫反射红外结果表明，一氧化碳在水存在下辅助氧气活化为活性羟基物种。这种随即生成的活性羟基物种介导甲烷氧化并与一氧化碳发生碳-碳偶联生成乙酸（图2）。我们的研究结果不仅提供了一种在低温下将甲烷氧化为乙酸的高效催化剂，还深化了对这一蓬勃发展的研究领域中氧化剂作用的理解。

图2.反应机理研究

该项研究受到科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等项目资助。曾杰教授、李洪良副教授为该论文的通讯作者，特任副研究员吴博、博士后殷海滨为论文的共同第一作者。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202412995

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

近日，中国科学技术大学物理系汪骞课题组和上海科技大学免疫化学研究所白芳课题组合作，提出了蛋白质变构路径预测的深度学习模型。该成果以“Exploring Protein Conformational Changes Using a Large-scale Biophysical Sampling Augmented Deep Learning Strategy”为题，于10月10日在学术期刊《先进科学》上在线发表。

近年来，以AlphaFold为代表的深度学习模型在预测蛋白质的静态结构方面取得了巨大成功。然而，蛋白质的功能取决于其动力学特性。研究人员目前正在积极探索其他深度学习算法，旨在预测蛋白质的构象变化等动态行为。开发这类模型的主要挑战之一，在于描述构象转变的动力学数据严重不足。为了解决这个问题，作者结合物理约束的粗粒度分子动力学模型与增强采样方法建立了高效模拟蛋白变构的计算框架，并应用此框架模拟了2635个蛋白质在双稳态之间的构象转变。该工作采集了每个蛋白在其变构路径上的结构信息，从而建立了首个大规模的蛋白质动态数据库。

在此基础上，作者开发了一个通用的深度学习模型PATHpre，能够预测蛋白质在双稳态之间的变构路径。该模型在不同序列长度的蛋白质（范围从44到704个氨基酸）上均展现了良好的预测能力，并适用于包括变形蛋白在内的多类变构体系。研究人员在多个系统中展示了预测结果与实验或模拟数据的一致性，并利用该模型发现了肌球蛋白的变构调控新机制。

图1. PATHpre建立流程

中国科学技术大学博士生胡尧和上海科技大学博士生杨皓为本文共同第一作者。白芳、汪骞为本文共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金等资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202400884

（物理学院、科研部）

包括氨气、氮氧化物、颗粒态硝酸盐和铵盐等物质在内的大气活性氮循环，是氮生物地球化学的重要部分。过量的氮沉降会引起一系列生态环境效应，严重影响陆地及水生生态系统的生产力和生物多样性。自工业革命以来，人为活动使得大气活性氮含量显著上升，与其相关的大气沉降对生态系统的影响也受到越来越多的关注。巢湖作为中国第五大淡水湖，是长江下游重要的生态湿地，自上世纪九十年代以来持续面临富营养化和藻华频发的问题。近年来，聚焦巢湖综合治理，相关部门先后出台多部政策法规，制定并实施了一系列综合治理措施，巢湖水质得到明显改善。但目前在污染物定量溯源和转化机制等方面还存在严重不足，影响了巢湖流域精细化治理和水质的进一步提升。

N、P等营养元素的来源和转化利用机制是影响湖体水质和藻华爆发的重要因素。长期以来，巢湖N来源的监测一直关注在径流输送上。传统观点认为，地表河流输送是主要来源，忽略了对大气沉降贡献的评估，这主要受限于大气沉降监测技术和沉降通量量化评估手段的不足。为了定量评估大气沉降对巢湖N收支的影响，中国科学技术大学地球和空间科学学院耿雷、刘晓东教授团队与广州地化所王新明研究员团队以及安徽省巢湖管理局合作，利用大气化学传输模式结合大气N沉降观测数据，系统评估了巢湖氮负荷的多来源贡献。结果显示，在2022年，大气总氮沉降量约占巢湖年总氮输入量的18%，而对于能直接被生物吸收利用的活性氮成分，大气沉降的年总贡献可达约25%，而在旱季与某些月份该贡献甚至超过了50%。

此外，对所有入湖河流氮输入的分析结果表明，河流氨氮输入量近五年来显著降低，但总氮输入量无明显变化，显示有机氮的排放在逐渐增加。由于有机氮也有可能会被生物转化利用，因此在对含氮污染物治理时，也需要关注有机氮组分。相关研究成果近日以 “On the contribution ofatmospheric reactive nitrogen deposition to nitrogen burden in a eutrophic Lake in eastern China”为题发表于环境科学领域知名期刊《Water Research》(IF = 11.4)。

地球和空间科学学院博士生李韦堃为该论文第一作者，耿雷教授为通讯作者，合作作者包括广州地球化学研究所王新明研究员、张艳利研究员、宋伟副研究员，中国科学技术大学刘晓东教授、张忠义副研究员，巢湖管理局王雪莹博士等。该研究得到了安徽省重点研究与开发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项以及国家重点研发计划等的资助。

耿雷和刘晓东教授课题组长期从事活性氮循环的研究工作，在利用同位素技术示踪活性N来源和循环机制方面有长期的经验，实验室建设有完善的N同位素和多氧同位素分析平台，分析精度达到国际领先水平。研究团队近期关注巢湖氮磷来源和循环机制，已经对巢湖大气、水体和沉积物等开展了多轮综合采样，接下将利用同位素技术，针对巢湖氮磷的来源和转化机制进行量化研究，综合评估其对巢湖水质和藻华爆发的影响，助力更好地精准治巢和科技治巢。

巢湖氮来源示意图

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122597

(地球和空间科学学院、科研部)

中国科大郭光灿院士团队在基于里德堡原子的微波传感方向取得新进展。该团队项国勇、邹长铃等人研制出一种新型的噪声鲁棒且可实现连续探测的里德堡原子微波探测装置，利用了里德堡原子系综里多体效应引起的强相互作用，实现强微波背景噪声下待探测弱信号的显著增强和信噪比提升。该成果以“Nonlinearity-enhanced continuous microwave detection based on stochastic resonance”为题，10月11日发表在国际学术期刊《科学进展》上。

噪声增强的非线性微波传感

相较于传统的微波天线技术，基于里德堡原子的微波传感由于其高灵敏度、尺寸小、高选择性、频谱覆盖宽等优势，近年来得到了学术界广泛的关注。然而到目前为止，大量的研究工作只是在实验室无噪声或者噪声水平很低的情况下进行微波测量或者通信，面对外场条件下复杂的噪声环境和电磁干扰，其测量效果和灵敏度都会大打折扣。因此，发展在抗干扰性能上具有实用化潜力的原子微波接收机是里德堡微波传感领域的急切需求。

在前期基于里德堡原子微波传感的研究基础上，项国勇等人结合基于随机共振理论和里德堡原子系综里的多体效应产生的强非线性提出了噪声增强的微波测量方案。研究人员通过系综里的多体效应引入强非线性产生双稳现象，并利用一个很强的噪声微波场进行辅助，实现了对另一个弱探测信号的放大。相较于工作在线性区域的外差探测法，研究人员实现了25dB的功率值放大和6.6dB的信噪比提升。值得一提的是，这类新型非线性原子微波传感器具有很多优势：（1）非线性可调：操作人员可以通过调节系统参数改变系统的非线性大小，适应不同类型的噪声环境。（2）噪声鲁棒：噪声可以通过人工引入或者仅仅利用系统噪声进行信号放大；并且噪声形式可为随机白色噪声或者有色噪声。（3）可连续测量：该微波接收机工作于系统临界点附近，且可持续进行微波测量。（4）兼容性好：该方案可兼容目前任意一种原子微波测量或者通信方案。另外，研发人员正在对该类新型微波传感器进行进一步升级和改造：比如可通过提升原子-微波相互作用体积来提升绝对灵敏度，通过引入多能级协助提升信号接收带宽等。该方案在多种场合下具有应用潜力：比如基于里德堡原子的微弱信号检测，噪声背景下的微波通信以及微波成像等。

中国科学院量子信息重点实验室项国勇教授和邹长铃教授为本文通讯作者，吴康达副教授和博士研究生谢崇武为共同第一作者。此项研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等经费支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado8130

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

中国科学技术大学生命科学与医学部刘海燕教授、陈泉教授团队开发了一种不依赖于预训练结构预测网络的蛋白质主链去噪扩散概率模型SCUBA-D，可自动从头设计主链结构，或指定功能位点生成主链结构。大量的实验结果验证了SCUBA-D的设计成功率和设计精度。相关成果以“De novo protein design with a denoising diffusion network independent of pretrained structure prediction models”为题于2024年10月9日在线发表于NatureMethods。

刘海燕教授、陈泉教授团队长期致力于发展数据驱动的蛋白质设计方法。在前期工作中，建立并实验验证了利用神经网络能量函数从头设计主链结构的SCUBA模型（Nature2022），本文报道的SCUBA-D（SCUBA-diffusion）模型，是基于深度学习的主链设计算法的迭代升级。SCUBA-D能够基于不同输入执行多类蛋白质结构设计任务（图a）。在模型设计上，通过在扩散模型训练中引入对抗损失（adversarial loss）（图b）,避免生成模型产生物理上不可行的结构，实现了高成功率的主链结构设计。由于没有使用已有结构预测网络作为预训练降噪网络，SCUBA-D能够在设计中避免对已知天然结构的过度偏好，可发现已有模型在可设计蛋白质结构空间中的盲区。

图. 用SCUBA-D模型进行蛋白质主链设计的原理。（a）SCUBA-D可基于噪声或者用户定义的结构草图设计新主链结构，也可以基于给定的含功能位点的局部结构设计新的完整主链。（b）包含对抗损失函数的SCUBA-D模型架构。

团队对SCUBA-D在多类蛋白质从头设计任务中的应用进行了实验验证。针对单体结构从头设计任务，团队对共计70条设计序列进行了实验表征，其中近80%的序列（53条）可溶表达，实验解析的16个高分辨晶体结构与目标结构高度一致（主链原子位置均方根位移在0.96到2.11 Å之间）。在小分子结合蛋白设计任务中，团队对非经典血红素降解酶进行了保留结合位点的主链结构重设计，对设计的12条序列进行实验验证，其中5条具有与血红素的结合能力，三条序列与血红素的亲和力与天然蛋白相当或高于天然蛋白。在结合蛋白设计任务中，30个人工设计的Ras结合蛋白14个与Ras有相互作用，其中3个设计蛋白与Ras的结合亲和力与天然蛋白相当，复合物晶体结构更进一步验证了设计的精确度。

中国科大生命科学与医学部刘海燕教授、陈泉教授为该论文通讯作者；生命科学与医学部博士生刘宇枫、王晟为该论文共同第一作者，论文合作者包括来自科大讯飞和元构生物等企业的研究人员。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等多项基金资助支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-024-02437-w

（生命科学与医学部、微尺度物质科学国家研究中心、细胞动力学教育部重点实验室、科研部）

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、彭新华教授研究组和清华大学翟荟教授研究组、复旦大学张鹏飞研究员等人合作，通过实验和理论的密切结合，在非平衡量子多体动力学的研究中取得重要进展，揭示了随机相互作用自旋模型中的非平衡动力学普适性行为。相关研究成果以“Emergent Universal Quench Dynamics in Randomly Interacting Spin Models”为题，于10月14日发表于国际著名学术期刊《自然物理》。

非平衡量子多体系统是近年来受到广泛关注的一类新型量子系统，涉及凝聚态物理、原子分子物理、量子信息、非平衡统计物理等诸多前沿领域。但由于其新颖性和复杂性，这类系统中依然存在大量的未解之谜。随着量子信息技术的快速发展，虽然已经在实验中观测到了丰富的非平衡量子多体动力学现象，但是对蕴含在这些复杂物理现象背后起主导作用的物理过程（即普适性）的揭示仍然存在挑战。普适性在量子多体物理中扮演着重要的作用，此前针对普适性的研究大多集中在平衡态附近的低能物理，而针对远离平衡态的动力学过程中普适性的理解还非常不充分，主要的困难来自于非平衡量子多体系统强关联和非平衡的复杂性以及对体系进行高精度量子调控的实验难题。

固态核自旋体系是天然的复杂多体量子体系，通过量子调控技术能够对核自旋体系进行精确控制，从而实现不同的自旋多体模型，这为研究量子多体系统的非平衡动力学提供了自然的、可调控的实验平台。基于团队多年对核自旋体系量子控制与量子模拟方面的技术积累[Nat. Phys. 14, 160-165 (2018)；Sci. Adv. 4, eaar6327 (2018)；Phys. Rev. X 7, 031011 (2017)；Nat.Commun. 12, 6281 (2021)]，研究组通过精心设计高精度的磁共振脉冲序列（如图（b）），对金刚烷粉末的固态核自旋体系（单个晶粒包含109至1012个核自旋，如图（a））进行高精度量子控制，利用粉末样品中单个晶粒的晶轴随机性，实验实现了一个相互作用各向异性强度可调的随机相互作用自旋模型。通过调节各向异性强度，清晰观测到该模型中的自旋退极化弛豫动力学过程从单调衰减到振荡衰减的转变现象，这是在以往的实验中未曾观察到的新现象。研究组和清华大学翟荟教授研究组、复旦大学张鹏飞研究员等理论合作者密切合作，通过小尺度严格数值对角化、半经典近似和非平衡场论方法等多种理论方法和实验交叉验证，成功揭示了这一复杂实验现象背后主导的非平衡动力学普适性——即随机相互作用自旋模型中自旋退极化弛豫动力学可以被两个参数普适地描述（如图（c））。这一普适性揭示出主导自旋弛豫动力学的相互作用过程，而这些相互作用过程的贡献恰好可以用两个简单参数描述（如图（d））。

(a)金刚烷粉末样品及其晶体结构。(b)实验流程和脉冲序列。(c)随机相互作用自旋模型中自旋退极化弛豫动力学的普适性行为（数据点描述实验结果，实线描述理论预期）。(d)主导自旋极化弛豫动力学的相互作用过程。

该研究在难以于经典计算机上模拟的量子多体自旋模型中发现了一种新的非平衡量子多体动力学的普适性行为，为利用量子信息技术发现新的物理规律提供了一个很好的例子。另外，实验中所采用的方法和手段也为其他物理体系（如超冷原子分子、NV色心系综等）提供了新的思路与借鉴。该研究对这类复杂系统的理解和量子科学技术的发展具有重要的现实意义，有望引起物理学多个不同领域的广泛兴趣。

中国科大博士生李宇晨、清华大学博士生周天罡和中国科大博士后吴泽为论文共同第一作者，中国科大彭新华教授、清华大学翟荟教授和复旦大学张鹏飞研究员为该文共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02664-0

（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

近日，英国皇家化学会《化学会评论》发表了中国科学技术大学俞书宏院士课题组的评述论文“Polytypic metal chalcogenide nanocrystals”（Chem. Soc. Rev.,2024, 53, 9832-9873），评述了金属硫属同质异相（多形体）纳米晶的最新研究进展。

由具有化学元素相同但物相不同的材料组成的多形体纳米材料通常呈现出超越其纯物相的物理和化学性质，在光伏、电子和光催化领域展现出令人振奋的应用前景。近几十年来，已建立和发展了多种合成方法，制备了一系列IV、III-V和II-VI半导体多形体纳米晶。其中，金属硫属多形体纳米晶因其优异性能而被认为是光子和电子学应用中极具潜力的候选材料。然而，实现对金属硫属多形体纳米晶的形貌、组成、晶体结构、尺寸、同质结排列方式和周期性的精确控制仍然是一个巨大的挑战。

图. 金属硫属多形体纳米晶体的合成控制因素

在评述论文中，作者全面总结了金属硫属多形体纳米晶的合成方法及相关应用的最新研究进展，重点介绍了II-VI、铜基三元和铜基四元硫属多形体纳米晶。系统地讨论了金属硫属化合物的晶体结构、胶体化学法合成多形体纳米晶以及各种因素对多形体合成的影响（图）。该团队研究了多形体纳米结构因其独特的空间结构和特殊的带隙排列方式所带来的独特物理性质，而这些性质在简单的纯物相纳米材料中难以实现。随后，作者还综述了金属硫属多形体纳米晶在光伏、光催化、晶体管、热电、应力传感器等领域的最新应用进展。最后，作者对多形体纳米晶研究领域的未来发展进行了展望，提出了主要存在的机遇及挑战的个人见解。

多年来，在国家重点研发计划、国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家自然科学重点基金、新基石研究员项目等资助下，该团队围绕硫属半导体纳米晶的结构设计、精准制备和性能调控方面进行了系统性研究。研究人员发展了区域选择性生长法和“脉冲式轴向外延生长”法成功制备了一系列独特的一维II-VI族半导体基异质纳米结构（Nat. Nanotechnol.2020, 15, 192；Nat. Commun.2018, 9, 4947;Natl. Sci. Rev.2022,9, nwac025;Angew. Chem. -Int. Ed.2023,62, e202305571）；发展了胶体外延生长法，实现了铜基多元硫属多形体纳米晶的精准控制合成（Sci. Rep.2012, 2, 952；Nanoscale2014, 6, 3418-3422；J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 5576-5584），并揭示了同质异相界面能促进光生载流子分离，从而提高光催化产氢性能（J. Am. Chem. Soc.2016,138, 12913-12919;Nat. Commun.2021,12, 4296;Nat. Commun.2022,13, 5414）；此外，利用化学转化法成功合成了超晶格异质纳米线（Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 11495-500;Angew. Chem. Int. Ed.2016,55, 6396-400;J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 7013-7020;Nat. Commun.2024,15,3208）；通过双表面活性剂控制合成策略，成功实现了四元硫化物晶面的精准控制合成（Nat. Commun.2020, 11, 5194;J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 20620-20629）。同时，探索了这些新型纳米结构材料在催化和能量转换等领域的应用。

该项研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、新基石研究员项目、安徽省高校协同创新计划、安徽省科技重大专项等项目资助。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/cs/d3cs01095c

（合肥微尺度物质科学研究中心、化学与材料科学学院、科研部）