基于热力学图谱的相变与临界指数推断研究 学术背景 相变（phase transitions）是自然界中普遍存在的现象，从水的沸腾到磁性材料的铁磁-顺磁转变，再到生物大分子（如蛋白质和核酸）的构象转变，相变在多个科学领域中扮演着重要角色。然而，准确量化相变及其温度依赖性特征仍然是一个极具挑战性的问题，尤其是在数据稀疏或复杂的情况下。传统的统计力学方法虽然提供了研究相变的理论框架，但在实际应用中，由于相变区域的采样困难，计算相变特征（如临界温度、热容和临界指数）往往需要大量的计算资源。 为了解决这一问题，Lukas Herron、Kinjal Mondal、John S. Schneekloth Jr. 和 Pratyush Tiwary 等研究人员提出了一种名为“热力学图谱”（Thermody...

迈向系统农业生态学：间作设计与控制 学术背景 随着气候变化和自然资源（如肥沃土壤和水资源）的逐渐消失，探索替代当今工业化单一作物种植的农业模式变得至关重要。间作（Intercropping, IC）是一种有前景的农业实践，即在同一块土地上同时种植两种或更多作物。许多实验表明，在某些情况下，间作可以减少土壤侵蚀和化肥使用，改善土壤健康和土地管理，同时保持作物产量水平。然而，目前尚缺乏定量方法来预测、设计和控制特定环境和农业条件下的间作实施，并评估其稳健性。本文基于数据科学和系统生物学的方法和概念，开发了一种定量方法，旨在为间作的设计和控制提供科学依据。 论文来源 本文由Sirio Belga Fedelia和Stanislas Leibler共同撰写，分别来自Institute for Adv...

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...

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...

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...

合成生物学在癌症免疫治疗中的应用：通过抑制IDO活性和重编程CD8+ T细胞反应进行癌症免疫治疗的工程细菌 学术背景 近年来，癌症免疫治疗取得了显著进展，尤其是通过激活T细胞来对抗肿瘤。然而，肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）中的代谢适应往往导致T细胞功能受损，限制了免疫治疗的效果。其中，色氨酸（Tryptophan, Trp）代谢在T细胞功能中扮演着重要角色。肿瘤细胞通过表达吲哚胺2,3-双加氧酶（Indoleamine 2,3-Dioxygenase, IDO）消耗色氨酸，导致其代谢产物犬尿氨酸（Kynurenine, Kyn）的积累，进而抑制效应T细胞的功能，形成免疫抑制的微环境。尽管IDO抑制剂在临床前模型中显示出潜力，但其在临床试验中面临诸多挑战，...

蓝藻-益生菌共生体在结肠炎中的抗炎与肠道菌群调节作用研究 学术背景 炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）是一类慢性肠道炎症性疾病，主要包括克罗恩病（Crohn’s Disease, CD）和溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）。IBD的发病机制复杂，涉及肠道黏膜屏障功能障碍、肠道菌群失调以及过度的免疫反应和炎症因子释放。目前，IBD的治疗主要依赖于抗炎药物和免疫抑制剂，如5-氨基水杨酸（5-ASA）、皮质类固醇和肿瘤坏死因子（TNF）拮抗剂。然而，这些治疗方法往往无法从根本上解决IBD的病因，且长期使用可能导致严重的副作用，如机会性感染、恶性肿瘤和肝毒性。 近年来，肠道菌群在IBD发病机制中的作用逐渐被揭示，益生菌疗法作为一种辅...

微生物种群营养共限制的定量与动态特性研究 学术背景 微生物的生长、生理和代谢活动受到资源可用性的根本性控制。理解哪些资源限制了微生物的生长以及限制的程度，不仅是微生物学的核心概念，也对预测微生物在生物地球化学循环中的贡献、抑制人体内的病原体以及在生物技术中培养微生物具有重要意义。尽管单个限制性资源可以被单独研究，但有证据表明，微生物常常同时受到多种资源的限制，即“营养共限制”（colimitation）。然而，由于缺乏定量测量营养共限制的方法，以及缺乏对资源条件的系统性测试，现有的数据难以解释和比较。因此，作者提出了一个假设：微生物在实验室和自然界中经常经历营养共限制，并且营养共限制是一个连续的状态，可以随着资源条件的变化而动态变化。 论文来源 这篇论文由Noelle A. Held、Asw...