MINFLUX 纳米显微镜在生物组织中的应用：突破荧光显微镜的分辨率限制 学术背景 荧光显微镜在生物学研究中扮演着至关重要的角色，但其分辨率受到衍射极限的限制，通常只能达到约200纳米。近年来，超分辨率显微镜（super-resolution microscopy, SR）技术的发展突破了这一限制，使得研究人员能够在纳米尺度上观察生物分子的分布。然而，在复杂的生物组织中，尤其是较厚的样本中，光学像差、光的吸收和散射等问题严重影响了超分辨率显微镜的性能。为了在生理相关的环境中实现纳米级分辨率的蛋白质分布可视化，研究人员一直在探索新的成像技术。 MINFLUX（minimal photon fluxes）纳米显微镜是一种新兴的光学成像技术，它结合了坐标靶向和坐标随机超分辨率显微镜的优点，能够在极...
铁电向列液晶中由双半整数表面缺陷组成的π畴壁研究 学术背景 铁电材料中的π畴壁（π domain walls）是分隔不同极化区域的界面，其结构不仅在基础研究中具有重要意义，还在许多实际应用中具有重要价值。铁电向列液晶（ferroelectric nematic liquid crystals）是一种具有微观取向有序和宏观自发极化的极性流体。与传统的铁电晶体不同，铁电向列液晶具有连续的平移对称性，表现出低驱动电场、高光学非线性响应、极性拓扑结构等独特性质。这些特性不仅具有科学意义，还在非线性光学和光电应用中具有潜在价值。 尽管对固体铁电材料中的π畴壁已有深入研究，但其在流体中的结构仍不完全清楚。特别是，π畴壁在铁电向列液晶中的内部结构及其动力学行为尚未得到充分解释。本研究旨在揭示铁电向列液晶中...
光合系统II中水氧化过程中质子释放的机制研究 学术背景 光合系统II（Photosystem II, PSII）是自然界中唯一能够催化水分解的酶，其反应不仅释放出氧气，还为生物质的合成提供了电子。水分解反应释放的质子进入类囊体腔，形成质子动力势（proton-motive force, PMF），驱动ATP的合成。尽管近年来在PSII的结构和功能研究方面取得了显著进展，但水氧化反应中的关键步骤，特别是去质子化过程的机制仍然存在争议。本文通过结合量子/经典（QM/MM）自由能计算和原子分子动力学（MD）模拟，揭示了PSII中氧释放的锰-钙簇（Mn4O5Ca）如何通过保守的羧酸盐和水分子阵列将质子传递到类囊体腔，并识别了局部质子存储位点和分子门控机制，防止了质子回流的浪费反应。 论文来源 本文由...
研究背景 在单细胞胚胎中，蛋白质的不对称分布是细胞极性和发育的关键步骤。这种不对称分布通常依赖于复杂的反应-扩散机制（reaction-diffusion mechanisms），并涉及多个反馈回路。在Caenorhabditis elegans（秀丽隐杆线虫）的单细胞胚胎中，RNA结合蛋白MEX-5和MEX-6以及有丝分裂激酶PLK-1在细胞极性的建立和维持中起着重要作用。尽管MEX-5和MEX-6在序列上高度同源，但它们的不对称分布机制及其调控方式尚不完全清楚。本研究旨在揭示MEX-6梯度形成的生物物理机制，并探讨MEX-5、MEX-6和PLK-1之间的复杂相互作用。 研究来源 该研究由Alexandre Pierre Vaudano、Françoise Schwager、Monica ...
基因组范围内单细胞和单分子水平的转录因子足迹分析 学术背景 在人类和其他哺乳动物中，尽管每个体细胞的基因组基本相同，但不同细胞类型的功能却大相径庭。这种差异主要由转录因子（Transcription Factors, TFs）与基因调控区域的结合所决定，TFs通过控制DNA转录为RNA的过程来调控基因表达。理解TFs如何与基因组结合是功能基因组学研究中的核心问题之一。然而，现有的研究方法存在一定的局限性。传统的“自下而上”方法（如原子分辨率结构和单分子成像）和“自上而下”方法（如经典遗传学和分子生物学）虽然提供了许多有价值的信息，但无法在单细胞和单分子水平上全面揭示TFs的结合模式。 为了克服这些限制，本研究开发了一种名为“基于脱氨酶的足迹分析”（Footprinting with Deam...
软椭球形微凝胶在气-水界面的毛细驱动自组装研究 研究背景 在流体界面（如气-水界面）上，胶体颗粒的吸附会引发界面变形，进而产生各向异性的界面介导相互作用，并形成超结构。特别是软性椭球形微凝胶由于其可调节的长宽比、可控的功能性和柔软性，成为研究自发毛细驱动自组装的理想模型。微凝胶通常由聚苯乙烯（PS）核心和交联的荧光标记的聚（N-异丙基甲基丙烯酰胺）（PNIPMAM）外壳组成。通过单轴拉伸嵌入聚乙烯醇（PVA）薄膜中的颗粒，可以精细调节其长宽比（aspect ratio, ）。研究表明，长宽比的变化范围从1到8.8，这些微凝胶在气-水界面上的自组装行为通过荧光显微镜、理论计算和计算机模拟进行了研究。随着长宽比的增加，微凝胶的自组装从看似随机的结构转变为紧凑的簇，最终形成长链状的侧向组装。PN...
人工动态RNA结构集合引导的通用RNA适配体传感标签的理性设计 学术背景 RNA分子在自然和合成生物系统中扮演着多种角色，其功能强烈依赖于其动态和特定的三维结构。RNA的二级和三级结构，如发夹、伪结、多路连接等，是理解RNA功能的关键“构建模块”。然而，现有的RNA结构研究大多基于静态结构，而大多数RNA介导的过程涉及构象变化。因此，动态结构集合的描述能够捕捉RNA的进化保守模式，并有助于其扩展设计。近年来，荧光RNA适配体（fluorogenic RNA aptamer, FRAPT）在生物应用中取得了显著进展，但其设计缺乏对动态结构集合的深入理解，且缺乏通用的设计原则。为了克服这些限制，研究者们开发了一种人工动态RNA结构集合“SSPepper”，并基于此设计了一种通用的荧光RNA生物传...
基于图论的主动学习疾病监测优化策略 学术背景 随着全球化的加速，传染病的传播速度与范围显著增加，如何有效监测和控制传染病的传播成为公共卫生领域的重要课题。传统的疾病监测方法通常依赖于大规模的检测和隔离措施，然而，资源有限的情况下，如何优化检测资源的分配以最大化信息获取，成为了政策制定者面临的挑战。尤其是在资源匮乏的地区，检测资源的分配不均可能导致疫情的持续蔓延。因此，开发一种能够在有限资源下最大化监测效果的策略显得尤为重要。 本文的研究旨在通过图结构（graph-based）和主动学习（active learning）的方法，优化疾病监测中的检测资源分配。具体来说，研究者将疾病传播建模为一个无向无权图（undirected and unweighted graph），其中节点代表地理位置，边...
硫驱动的俯冲带地幔氧化与巨型金矿床的形成 学术背景 地球上的大多数金属资源集中在岩浆弧环境中，而俯冲带是地幔与地壳之间物质交换的主要区域。俯冲板块释放的流体被认为能够氧化上覆的地幔楔，从而促进金等金属的富集。然而，关于这些流体如何改变地幔的氧化状态并影响金的富集机制，仍然缺乏深入的理解。本文通过数值模拟，揭示了俯冲板块释放的流体将大量硫酸盐（S6+）引入地幔楔，显著提高了其氧逸度，并促进了金的迁移和富集。 论文来源 本文由Deng-Yang He、Kun-Feng Qiu、Adam C. Simon、Gleb S. Pokrovski、Hao-Cheng Yu、James A. D. Connolly、Shan-Shan Li、Simon Turner、Qing-Fei Wang、Meng-...
并行机械计算：能够进行多任务处理的超材料 学术背景 在数字计算平台取代模拟计算数十年后，随着超材料和复杂制造技术的发展，模拟计算重新引起了广泛关注。特别是基于波的模拟计算机，通过对入射波前进行空间变换来实现所需的数学运算，因其能够直接以未处理的形式编码输入信号，绕过了模拟到数字的转换，而备受青睐。然而，这些系统本质上仅限于单任务配置，无法同时执行多个任务或进行并行计算，这成为推动具有更广泛计算能力的机械计算设备发展的主要障碍。本文提出了一种在同一架构结构中同时处理独立计算任务的途径，通过打破一组超表面构建块的时间不变性，自生成多个频率偏移的波束，这些波束从基础信号中吸收显著的能量。这些可调谐谐波的产生使得不同的计算任务能够分配到独立的“通道”中，从而有效地实现模拟机械计算机的多任务处理。 论...