研究人员距离研发出预防因年龄和生活方式造成听力损失的药物又近了一步

研究人员距离研发出预防因年龄和生活方式造成听力损失的药物又近了一步 加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员发现，Tmtc4基因突变会触发一种称为"未折叠蛋白反应"（UPR）的机制，从而杀死内耳的毛细胞。人类和所有哺乳动物都有两种耳蜗毛细胞内耳毛细胞和外耳毛细胞，它们在感官交流中发挥着不同但至关重要的作用。内耳毛细胞在出生时约有 3,500 个，它们将耳蜗流体的声音振动转化为电信号传递给大脑，一旦受损就无法再生。毛细胞是耳朵的感觉细胞，因其类似头发的结构会随着声音而弯曲而得名。毛细胞将这种运动转换成信号，并传递给大脑。当我们在汽车里大声喧哗或在足球场上与数以万计的球迷一起欢呼时，噪音会使毛发弯曲，甚至断裂。加州大学旧金山分校的研究表明，这会激活毛细胞中的未折叠蛋白反应（UPR），迫使毛细胞自毁，从而导致听力损失。图片由新加坡科技研究局医学生物学研究所亨宁-霍恩（Henning Horn）、布莱恩-伯克（Brian Burke）和科林-斯图尔特（Colin Stewart）拍摄。科学家们发现，以激活毛细胞中的 UPR 为目标这种激活既发生在基因突变中，也发生在与生活方式和年龄有关的听力损伤中，还发生在化疗药物（如顺铂）中可以保护这些珍贵的传感器免于死亡。共同第一作者、加州大学旧金山分校耳鼻喉科的迪伦-陈博士（Dylan Chan）说："每年都有数以百万计的美国成年人因暴露于噪声或衰老而丧失听力，但究竟是什么原因导致听力下降一直是个谜。我们现在有了确凿的证据，证明Tmtc4是人类耳聋基因，UPR是预防耳聋的真正目标。"当受到嘈杂音乐或体育场人群等刺激时，噪音会使毛细胞弯曲以至于破裂。研究人员认为，这会激活 UPR，从根本上导致细胞自毁，造成永久性损伤。在这项研究中，陈博士与埃利奥特-谢尔（Elliott Sherr）合作，后者早些时候研究了年轻患者和小鼠模型中的Tmtc4基因突变。他们发现，人类和小鼠的基因变异都会引发毛细胞自毁，导致听力损失迅速恶化，就像通常在与年龄有关的损伤或噪音暴露损伤中看到的那样。在所有情况下，毛细胞都充斥着过量的钙，导致包括 UPR 在内的信号失灵。不过，加州大学旧金山分校开发的一种用于逆转脑外伤记忆衰退的药物也被证明可以抑制部分 UPR，保护内部毛细胞免受损害，即使小鼠暴露在可能有害的巨大噪音中也是如此。研究小组希望开发一种非侵入性药物，抑制 UPR 激活，保护毛细胞免受损伤，进而避免听力损失。爱荷华大学早些时候进行的一项研究也强调了针对内耳化学和电子机制的调控有可能在分子水平上防止听力损失。陈说："如果我们有办法阻止毛细胞死亡，就能预防听力损失。"这项研究发表在《临床调查洞察》杂志上。 ... PC版： 手机版：

哥伦比亚大学工程师开发出光控分子设备

哥伦比亚大学工程师开发出光控分子设备 利用光来控制电子特性，哥伦比亚工程公司的新型单分子器件具有直接的金属-金属接触，标志着分子电子学的重大进展，有望提高电子元件的微型化和效率。资料来源：文卡特拉曼实验室挑战随着设备不断缩小，其电子元件也必须微型化。使用有机分子作为导电通道的单分子器件有可能解决传统半导体所面临的微型化和功能化难题。这种器件提供了利用光进行外部控制的令人兴奋的可能性，但到目前为止，研究人员还无法证明这一点。分子电子学先驱、劳伦斯-古斯曼应用物理学教授兼哥伦比亚大学工程学院化学教授拉塔-文卡塔拉曼（Latha Venkataraman）说："通过这项工作，我们开启了分子电子学的一个新维度，即可以用光来控制分子如何在两个金属电极之间的间隙中结合。"这就像是在纳米尺度上打开了一个开关，为设计更智能、更高效的电子元件开辟了各种可能性。"方法近二十年来，Venkataraman 的研究小组一直在研究单分子器件的基本特性，探索纳米尺度上物理、化学和工程学的相互作用。她的研究重点是构建具有各种功能的单分子电路，即一个分子连接两个电极，电路结构以原子精度定义。她的研究小组以及利用碳基二维材料石墨烯制造功能器件的研究小组都知道，在金属电极和碳系统之间建立良好的电接触是一项重大挑战。解决方案之一是使用有机金属分子，并设计出将电导线与分子内的金属原子连接起来的方法。为了实现这一目标，他们决定探索使用有机金属含铁二茂铁分子，这种分子也被认为是纳米技术世界中的微小积木。就像乐高积木可以堆砌出复杂的结构一样，二茂铁分子也可以用作构建超小型电子设备的积木。研究小组使用了一种以二茂铁基团为端基的分子，该分子由两个碳基环戊二烯环组成，环戊二烯环夹着一个铁原子。然后，他们利用二茂铁分子的电化学特性，在分子处于氧化状态（即铁原子失去一个电子）时，在二茂铁铁中心和金（Au）电极之间形成直接键合。在这种状态下，他们发现二茂铁可以与用于连接分子和外部电路的金电极结合。从技术上讲，氧化二茂铁可以使 Au0 与 Fe3+ 中心结合。该研究的第一作者 Woojung Lee 是 Venkararaman 实验室的一名博士生，他说："通过利用光诱导氧化，我们找到了一种在室温下操纵这些微小构件的方法，为未来在分子水平上利用光控制电子设备的行为打开了大门。"潜在影响Venkataraman 的新方法将使她的团队能够扩展用于创建单分子器件的分子终端（接触）化学类型。这项研究还表明，利用光来改变二茂铁的氧化态，就能打开或关闭这种接触，从而展示了一种基于二茂铁的光开关单分子器件。这种光控器件可为开发响应特定光波长的传感器和开关铺平道路，从而为各种技术提供用途更广、效率更高的元件。团队这项工作是一项涉及合成、测量和计算的合作成果。合成工作主要由 Michael Inkpen 在哥伦比亚大学完成，他曾是 Venkataraman 小组的博士后，现在是南加州大学的助理教授。所有的测量工作都是由 Venkataraman 小组的研究生 Woojung Lee 完成的。计算由文卡塔拉曼小组的研究生和德国雷根斯堡大学的合作者共同完成。下一步行动研究人员目前正在探索光控单分子器件的实际应用。这可能包括优化器件性能、研究它们在不同环境条件下的行为，以及完善金属-金属界面所带来的其他功能。 ... PC版： 手机版：

突破性研究利用地质工具检测癌症的独特原子特征

突破性研究利用地质工具检测癌症的独特原子特征 由科罗拉多大学博尔德分校地球化学家阿什利-马洛尼（Ashley Maloney）领导的研究小组将于本周在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表其研究成果。地质科学系副研究员马洛尼说："这项研究为医学增添了一个全新的层面，让我们有机会在原子水平上观察癌症。"她解释说，在自然界中，氢主要有两种，即同位素。一些氢原子（称为氘）稍重，而另一些氢原子（通常只称为氢）稍轻。在地球上，氢原子的数量比氘原子的数量多出约 6420 比 1。几十年来，许多领域的科学家利用这些原子的自然分布来揭示地球历史的线索。例如，气候科学家通过研究南极洲冰层中的氢原子来推断地球在几十万年前的冷热程度。在这项新研究中，马洛尼和她的同事想知道，这些微小的原子能否为复杂生物体的生活提供一些线索呢？为了找出答案，研究小组在实验室中培养了酵母和小鼠肝细胞，然后分析了它们的氢原子。研究小组发现，生长速度非常快的细胞（如癌细胞）所含的氢原子和氘原子的比例大不相同。这就好比癌症在犯罪现场的门把手上留下了指纹。这项研究仍处于早期阶段，研究小组还不确定这种信号会不会在真正的癌症患者体内出现。但这项研究的共同作者、地质科学助理教授塞巴斯蒂安-科普夫（Sebastian Kopf）说，这种信号的潜力可能很大。科普夫说："如果能在早期发现癌症，病患的生存几率就会大大提高。如果这种同位素信号足够强，就可以通过血液化验之类的方法检测到它，那就会给出一个重要的提示，告诉你有什么不对劲。"这项研究围绕一个多年来一直吸引着癌症研究人员的概念展开：新陈代谢。在正常情况下，酵母和动物等生物的细胞通过一种叫做呼吸的过程产生能量，在这个过程中，它们吸收氧气，释放二氧化碳。但这并不是获得高糖分的唯一途径。例如，面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）的菌落可以通过发酵产生能量，在发酵过程中，生物体在没有氧气的帮助下分解糖分并产生酒精。这也是酿造啤酒的过程。科普夫说："在人体中，如果运动员的运动量超过了有氧极限，他们的肌肉也会开始发酵，而这并不使用氧气。这能让你快速增强能量"。事实证明，许多癌细胞也通过类似的策略来令其加速生长。长期以来，科学家们一直在寻找更多的方法来追踪癌细胞中的这些代谢变化。作为普林斯顿大学哈里-赫斯博士后研究员领导这项新研究的马洛尼和她的导师张新宁提出了一个想法：追踪氢。如今，马洛尼管理着科罗拉多大学博尔德分校的地球系统稳定同位素实验室，该实验室是校内 20 多个核心设施之一。作为一名研究生，她探索了热带岛屿藻类中的氢原子。她目前的工作灵感来自一个不太可能的来源：她的父亲，一位皮肤科医生。马洛尼说："他经常从人们身上提取皮肤癌细胞。我想知道这些细胞的新陈代谢与生长在它们旁边的细胞有什么不同。"要理解这个问题，首先要知道氢是如何进入细胞的。在某些情况下，这些原子来自一种难以发音但却至关重要的酶，即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯（NADPH）。NADPH 在细胞中发挥着许多作用，其中包括收集氢原子，然后在制造脂肪酸的过程中将氢原子传递给其他分子，脂肪酸是生命的重要组成部分。然而，NADPH 并不总是从同一个氢池中汲取氢气。由张新宁领导并以细菌为重点的先前研究表明，根据细胞中其他酶的工作情况，NADPH 有时可能更多或更少地使用不同的氢同位素。这就提出了一个问题：如果癌症重塑了细胞的新陈代谢，那么它是否也会改变 NADPH 获取氢的方式，最终改变细胞的原子构成？为了找出答案，研究人员在普林斯顿大学和科罗拉多大学博尔德分校的实验室里设置了装满蓬勃生长的酵母菌群的罐子。另外，普林斯顿大学的生物学家用健康和癌变的小鼠肝细胞菌落进行了一项实验。然后，研究人员从细胞中提取脂肪酸，并使用一种名为质谱仪的仪器来确定其中氢原子的比例。结果显示，与癌细胞相似的发酵酵母细胞所含的氘原子平均比正常酵母细胞少大约50%，这是一个惊人的变化。癌细胞也表现出类似的氘短缺现象，但并不严重。张是这项研究的资深作者，也是普林斯顿大学地球科学助理教授，她希望研究结果有朝一日能帮助像她一样的家庭。"不幸的是，癌症和其他疾病是许多人生活中的一大主题。看到阿什利的数据是一个特殊而深刻的时刻，"张说。"这意味着一种用于追踪地球健康的工具也可能被用于追踪生命体的健康和疾病，希望有一天能用于人类。我生长在一个饱受癌症困扰的家庭，我希望看到这一领域不断扩大。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响

研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响 正电子冷却。欧洲核子研究中心的 AEgIS 合作小组在实验中演示了使用基于变石的激光系统对正电子进行激光冷却。资料来源：欧洲核子研究中心-米兰理工大学研究人员成功冷却了正电子原子，对反物质研究产生了重大影响，并促成了量子电动力学的新实验和反物质玻色-爱因斯坦凝聚物的可能性。被正电子束击中的多孔靶（室温）中流出的 Ps 原子的等效温度从 380 K 降至 170 K，相应地，Ps 均方根速度的横向分量也从 54 km/s 降至 37 km/s。正电子的独特性质Ps 是氢的小兄弟，正电子取代了质子。因此，它比氢轻约 2000 倍，能级降低了 2 倍。它很不稳定：在真空和基态下，两个粒子的自旋平行，它的湮灭寿命只有 142 毫微秒。在其短暂的生命周期内，必须进行 Ps 冷却，这使得这一过程相对于普通原子而言极具挑战性。使用大带宽脉冲激光器的好处是可以冷却大部分正电子云，同时延长它们的有效寿命，从而在冷却后获得更多的 Ps 供进一步实验使用。对反物质研究的影响AEgIS 实验的目的是测量反氢气的重力加速度（作为反物质弱等价原理的测试），在该实验中，最后一个加速度是通过处于激发态的 Ps 与被困反质子之间的反应获得的。Ps的速度越低，形成反氢的概率就越高，因此必须尽可能产生动能最低的Ps。推进基础科学和潜在应用获得足够"冷"的 Ps 原子对基础科学至关重要，例如，对 Ps 激发能级进行精密光谱分析，可以前所未有的精度测试量子电动力学，或用纯轻子系统测试等效原理。此外，建立一个冷铂原子集合体的可能性可以为第一个反物质玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC，已通过激光冷却普通原子获得）铺平道路，在这种状态下，量子力学现象会宏观地显现出来。正电子玻色-爱因斯坦凝聚态将导致受激湮灭，这已被提议作为产生伽马射线能量范围内的相干电磁辐射的一种方法。该成果已作为编辑亮点发表在《物理评论快报》上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度 麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达 50 纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距 500 纳米的位置这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为 50 纳米。一个红血球的宽度约为 1000 纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在 50 纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔 500 纳米的两层原子的 1000 倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（Wolfgang Ketterle）说："我们已经把原子的间距从 500 纳米提高到 50 纳米，可以利用这一点做很多事情。在 50 纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在 500 纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于 500 纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云在这种情况下，冷却到大约 1 微开尔文，仅比绝对零度高出一线此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为 500 纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到 50 纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的 50 纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在 500 纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到 50 纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了 50 纳米这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距 500 纳米的原子强 1000 倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

普林斯顿大学研究人员开发出更精确的基因编辑工具

普林斯顿大学研究人员开发出更精确的基因编辑工具 虽然基于CRISPR技术的基因编辑特异性强、准确性高、用途广泛，但实现这些编辑的效率却很低。在这篇论文中，亚当森实验室描述了一种更高效的引导编辑器。图片来源：Caitlin Sedwick for Princeton University一种相对较新的方法被称为"引导编辑"，它能以极高的精确度和多功能性进行基因编辑，但却有一个关键的代价：编辑装置的效率不稳定，而且往往很低。换句话说，虽然"引导编辑"可以实现高精度编辑，而且很少产生不必要的副产品，但这种方法往往无法以合理的频率进行编辑。在2024 年 4 月 18 日刊登在《自然》杂志上的一篇论文中，普林斯顿大学的科学家严俊和布里特-亚当森以及几位同事描述了一种更高效的引导编辑器。作者（左起）：分子生物学助理教授、刘易斯-西格勒综合基因组研究所（Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics）布里特妮-亚当森（Brittany Adamson）；亚当森实验室研究生、第一作者严俊（Jun Yan）。图片来源：普林斯顿大学 Denise Applewhite 拍摄的布里特-亚当森照片。严俊的照片由作者提供。引导编辑系统最低限度由两部分组成：CRISPR/Cas9 蛋白元件的改进版和称为pegRNA 的核糖核酸（RNA）分子。这些成分通过几个协调步骤共同发挥作用：首先，pegRNA 与蛋白质结合，引导产生的复合物到达基因组中的理想位置。在那里，蛋白质切开DNA，利用 pegRNA 上编码的模板序列，将编辑内容"反向转录"到附近的基因组中。这样，引导编辑器就能将准确的序列"写入"目标 DNA 中。亚当森说："引导编辑是一种非常强大的基因组编辑工具，因为它能让我们更准确地控制基因组序列是如何改变的。"研究伊始，亚当森和亚当森研究小组及分子生物学系的研究生严推断，未知的细胞过程可能会帮助或阻碍素材编辑。为了确定这些过程，Yan 制定了一个概念简单的计划：首先，他将设计一种细胞系，当安装了某些引导编辑时，该细胞系就会发出绿色荧光。然后，他将系统性地阻断这些细胞中正常表达的蛋白质的表达，并测量编辑诱导的荧光，以确定这些蛋白质中哪些会影响引导编辑。通过执行这一计划，研究小组确定了36种细胞决定引导编辑的因素，其中只有一种小RNA结合蛋白La能促进编辑。Yan说："虽然促进素材编辑显然不是La蛋白的正常功能，但我们的实验表明，它能有力地促进这一过程。"众所周知，在细胞内，La能结合新生小RNA分子末端的特定序列，保护这些RNA不被降解。普林斯顿大学团队立即意识到，Yan 首次实验中使用的 pegRNA 很可能包含这些序列，即所谓的聚尿苷束，因为它们是细胞中 pegRNA 表达的典型副产品，但往往被忽视。随后的实验表明，这些 pegRNA 无意中利用了 La 的末端结合活性来保护和促进引导编辑。在研究结果的激励下，研究小组希望了解将 La 中与聚尿苷束结合的部分与标准的质粒编辑蛋白融合能否提高质粒编辑效率。他们欣喜地发现，这种被称为 PE7 的蛋白质在各种条件下都能大幅提高预期的素材编辑效率，而且在使用某些素材编辑系统时，不需要的副产物出现的频率非常低。他们的研究结果很快引起了对在原代人类细胞中使用素材编辑感兴趣的同行们的注意，其中包括波士顿儿童医院和哈佛医学院的丹尼尔-鲍尔（Daniel Bauer）以及加州大学旧金山分校的亚历山大-马森（Alexander Marson）。研究小组与这些实验室的科学家一起，继续证明了 PE7 还能提高治疗相关细胞类型的原生编辑效率，为未来的临床应用提供了更广阔的前景。鲍尔指出："这项工作是一个很好的例子，说明深入探究细胞的内部运作可以获得意想不到的见解，从而在短期内产生生物医学影响。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：