光誘導(dǎo)分子振動(dòng)，讓癌細(xì)胞破裂?。黃cience日?qǐng)?bào)

01

消滅抗生素耐藥性“超級(jí)細(xì)菌”

來自阿默斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者發(fā)現(xiàn)了如何阻止病原體感染宿主細(xì)胞的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，并開發(fā)出了一種測試方法來確定針對(duì)這種脆弱細(xì)胞機(jī)制的下一代藥物。研究論文已發(fā)表在 ACS Infectious Diseases 上。

治療微生物感染的典型策略是用抗生素藥物轟擊病原體，這種藥物的作用是進(jìn)入有害細(xì)胞并殺死它，但是很難設(shè)計(jì)出同時(shí)具備水溶性和油性的藥物。另外，病原細(xì)胞可以發(fā)展發(fā)出更多“外排泵”，將抗生素安全地排出細(xì)胞，并對(duì)這種特定的抗生素產(chǎn)生抗藥性。

為了穿透宿主細(xì)胞的細(xì)胞壁，病原體需要分泌 PopD 和 PopB 這兩種蛋白質(zhì)，并將其結(jié)合形成一個(gè)“轉(zhuǎn)譯接頭”，從而形成穿過細(xì)胞膜的細(xì)胞隧道。一旦隧道建立起來，致病細(xì)胞就能注入其他蛋白質(zhì)，完成感染宿主的工作。整個(gè)過程被稱為 3 型分泌系統(tǒng)。研究人員試圖破壞這一過程防止病原體感染宿主細(xì)胞，而不殺死病原體以防止其產(chǎn)生抗藥性。

為找到能夠阻止“轉(zhuǎn)譯接頭”形成的分子，研究者開發(fā)出一種測試方法，即將一種熒光酶用作示蹤劑。研究人員把這種酶分成兩半，一半被植入 PopD/PopB 蛋白中，另一半被植入宿主細(xì)胞中。如果宿主細(xì)胞突然亮了起來，這就意味著 PopD/PopB 成功地突破了細(xì)胞壁，將兩半熒光素酶重新結(jié)合在一起。如果細(xì)胞一直處于黑暗狀態(tài)就可以知道是哪些分子破壞了“轉(zhuǎn)譯接頭”。

研究結(jié)果可以用于鑒定能使病原體失效的新藥，從而真正改善公共衛(wèi)生狀況。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsinfecdis.3c00482

02

研究發(fā)現(xiàn)：

睡覺也在學(xué)習(xí)，呼吸鞏固記憶

一項(xiàng)來自慕尼黑大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，呼吸是一個(gè)潛在的起搏器，呼吸會(huì)影響記憶在睡眠中的鞏固過程。研究論文發(fā)表在 Nature Communications 上。

研究人員分兩次向 20 名參與者展示了 120 張圖片。所有圖片都與特定詞語相關(guān)聯(lián)。然后參與者在睡眠實(shí)驗(yàn)室里睡了大約兩個(gè)小時(shí)醒來后，研究人員會(huì)詢問他們的聯(lián)想。在整個(gè)學(xué)習(xí)和睡眠過程中，參與者的大腦活動(dòng)和呼吸都被腦電圖記錄下來。研究人員發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)所謂的慢振蕩和睡眠棘（大腦活動(dòng)增強(qiáng)的短暫階段）時(shí)，睡眠中的大腦會(huì)自發(fā)地重新激活之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容。研究還發(fā)現(xiàn)呼吸與特征性慢振蕩和紡錘形模式的出現(xiàn)是相關(guān)聯(lián)的，呼吸對(duì)于睡眠時(shí)的記憶處理也很重要。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43450-5

03

“死星”異構(gòu)位點(diǎn)被全面鑒定，

或有助于癌癥藥物開發(fā)

一項(xiàng)來自西班牙和英國的研究全面鑒定了蛋白質(zhì) KRAS 中的異構(gòu)位點(diǎn)，首次提出了完整的 KRAS 控制圖譜，有助于癌癥藥物開發(fā)。研究發(fā)表在 Nature 上。

KRAS 是多種類型癌癥中最常見的突變基因之一，因?yàn)樗是蛐?，缺乏藥物靶點(diǎn)，所以被稱為“死星”（"Death Star"）蛋白。控制 KRAS 的唯一有效策略是靶向其異位通訊系統(tǒng)。要控制蛋白質(zhì)，需要一把能打開鎖（活性位點(diǎn), active site）的鑰匙（化合物或藥物）。蛋白質(zhì)還可以受到位于其表面其他部位的輔助鎖（異構(gòu)位點(diǎn), allosteric site）的影響。當(dāng)分子與異構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)的形狀發(fā)生變化，從而改變蛋白質(zhì)的活性或與其他分子結(jié)合的能力。異構(gòu)位點(diǎn)通常是藥物開發(fā)的首選，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼜?qiáng)的特異性，降低了產(chǎn)生副作用的可能性。它們還能更巧妙地改變蛋白質(zhì)的活性，為微調(diào)其功能提供了可能。與針對(duì)活性位點(diǎn)的藥物相比，針對(duì)異構(gòu)位點(diǎn)的藥物通常更安全、更有效。然而，異構(gòu)位點(diǎn)非常難以捉摸，四十年的研究只有兩種藥物被批準(zhǔn)用于臨床。

這項(xiàng)研究利用一種叫做深度突變掃描（deep mutational scanning）的技術(shù)繪制了這些異構(gòu)位點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn) KRAS 具有比預(yù)期更多的強(qiáng)異構(gòu)位點(diǎn)。研究還發(fā)現(xiàn)了位于蛋白質(zhì)表面容易到達(dá)的四個(gè)不同口袋（pocket）中一部分位點(diǎn)，是未來有希望的藥物靶點(diǎn)，有助于設(shè)計(jì)更安全、更有效的藥物。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06954-0

04

光誘導(dǎo)分子振動(dòng)，讓癌細(xì)胞破裂！

一項(xiàng)來自萊斯大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)了一種利用某些分子在受到光刺激時(shí)強(qiáng)烈振動(dòng)的能力來摧毀癌細(xì)胞的方法。研究發(fā)表在 Nature Chemistry 上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，一種用于醫(yī)學(xué)成像的小染料分子的原子在受到近紅外線的刺激時(shí)會(huì)發(fā)生一致振動(dòng)——形成所謂的等離子體——從而導(dǎo)致癌細(xì)胞的細(xì)胞膜破裂。這種分子是氨基菁分子，是一類用于醫(yī)學(xué)成像的熒光合成染料。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41557-023-01383-y

05

Science：世界首個(gè)高溫超導(dǎo)二極管的候選材料

幾十年來，能讓電子完美無損流動(dòng)的超導(dǎo)體材料通常只能在絕對(duì)零度以上幾度的低溫下才能表現(xiàn)出這種量子力學(xué)特性，以至于無法實(shí)用。

一項(xiàng)來自哈佛大學(xué)的研究利用一種獨(dú)特的低溫設(shè)備制造方法，制造和操縱一類被廣泛研究的高溫超導(dǎo)體——銅氧化物，發(fā)現(xiàn)了世界上首個(gè)高溫超導(dǎo)二極管的候選材料——本質(zhì)上，它是一個(gè)能使電流單向流動(dòng)的開關(guān)——由薄杯狀晶體制成。研究論文發(fā)表在 Science 上。

研究人員通過在超純氬氣中使用無空氣低溫晶體操作方法，在兩層極薄的銅氧化物鉍鍶鈣（“BSCCO”）之間設(shè)計(jì)出了一個(gè)干凈的界面。BSCCO 被認(rèn)為是一種高溫超導(dǎo)體。研究人員首先將 BSCCO 分成兩層，每層只有頭發(fā)絲的千分之一寬。然后，在零下 130 度時(shí)，他們將這兩層以 45 度扭曲的方式堆疊在一起，就像用歪斜的晶片做冰激凌三明治一樣，在脆弱的界面上保留了超導(dǎo)性。研究人員發(fā)現(xiàn)，無阻力通過界面的最大超電流因電流方向不同而不同。最重要的是，研究人員還通過扭轉(zhuǎn)這種極性證明了對(duì)界面量子態(tài)的電子控制。正是這種控制使研究人員有效地制造出了一個(gè)可切換的高溫超導(dǎo)二極管。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8371

06

新型超導(dǎo)材料，可開可閉

一項(xiàng)來自華盛頓大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)了一種超導(dǎo)材料，它對(duì)外界刺激具有獨(dú)特的敏感性，能夠隨意增強(qiáng)或抑制超導(dǎo)特性。該研究發(fā)表在 Science Advances 上。

超導(dǎo)是一種量子力學(xué)物質(zhì)相，在這種物質(zhì)相中，電流可以零電阻流過材料。該研究發(fā)現(xiàn)的材料由夾在鐵、鈷和砷原子超導(dǎo)層之間的鐵磁性銪原子平板構(gòu)成。該材料多相之間存在著密切的競爭關(guān)系，通過施加微小的應(yīng)變或磁場，就能使其中一相超過另一相，從而開啟或關(guān)閉超導(dǎo)功能。

這種材料可以帶來更高效的大規(guī)模計(jì)算，也可用于下一代工業(yè)電子產(chǎn)品的超導(dǎo)電路中。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5200

07

心臟背心能預(yù)測心臟性猝死風(fēng)險(xiǎn)

一項(xiàng)來自倫敦大學(xué)學(xué)院的研究表明，一種能詳細(xì)繪制心臟電活動(dòng)圖的背心有可能用來更好地識(shí)別心臟性猝死高危人群。研究發(fā)表在 Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance 上。

心電圖成像（ECGI）背心上 256 個(gè)傳感器的電數(shù)據(jù)可與核磁共振成像（MRI）拍攝的心臟結(jié)構(gòu)詳細(xì)圖像相結(jié)合，生成心臟的三維數(shù)字模型和流經(jīng)心臟的電活動(dòng)波。這種背心可重復(fù)使用且省時(shí)省力，只需五分鐘，因此有望用于標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理。該研究評(píng)估了這種背心在 77 名患者中的可行性，發(fā)現(xiàn)它可靠耐用。此后，該背心已成功用于 800 名患者。目前，該背心正被用于繪制肥厚型心肌病和擴(kuò)張型心肌病等疾病患者的心臟圖譜。

該背心可以成為一種快速、經(jīng)濟(jì)有效的篩查工具，幫助人們在未來更好地識(shí)別危及生命的心律的風(fēng)險(xiǎn)，并且有助于評(píng)估藥物、新型心臟設(shè)備和生活方式干預(yù)對(duì)心臟健康的影響。

論文鏈接：

https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/heart-vest-could-help-predict-sudden-cardiac-death-risk

08

研究發(fā)現(xiàn)：

AI可以預(yù)測人的死亡時(shí)間

一項(xiàng)來自丹麥的研究發(fā)現(xiàn)人工智能可以分析有關(guān)人們居住地、教育、收入、健康和工作條件的登記數(shù)據(jù)，并高精度地預(yù)測生活事件，甚至估計(jì)死亡時(shí)間。研究發(fā)表在 Nature Computational Science 上。

研究人員在一個(gè)被稱為 life2vec 的模型中分析了 600 萬丹麥人的健康數(shù)據(jù)和勞動(dòng)力市場依附情況。Life2vec 將數(shù)據(jù)編碼成一個(gè)龐大的向量系統(tǒng)，這是一種組織不同數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。該模型決定將有關(guān)出生時(shí)間、就學(xué)、教育、工資、住房和健康的數(shù)據(jù)置于何處。在對(duì)模型進(jìn)行初始階段的訓(xùn)練后，該模型的表現(xiàn)優(yōu)于其他先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并能高精度地預(yù)測性格和死亡時(shí)間等結(jié)果。

當(dāng)然，圍繞 life2vec 模型也存在一些倫理問題，如保護(hù)敏感數(shù)據(jù)、隱私和數(shù)據(jù)中的偏差，必須更深入地了解這些挑戰(zhàn)。研究人員認(rèn)為，下一步將是納入其他類型的信息，如文本和圖像或有關(guān)我們社會(huì)關(guān)系的信息。數(shù)據(jù)的使用為社會(huì)科學(xué)和健康科學(xué)之間開辟了全新的互動(dòng)途徑。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s43588-023-00573-5

09

Nature：人工智能生成具有超強(qiáng)結(jié)合力的蛋白質(zhì)

一項(xiàng)來自華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究利用軟件創(chuàng)造出了蛋白質(zhì)分子，這些分子能以極高的親和力和特異性與包括人類激素在內(nèi)的各種具有挑戰(zhàn)性的生物標(biāo)志物結(jié)合。研究發(fā)表在 Nature 上。

這項(xiàng)研究介紹了一種使用先進(jìn)深度學(xué)習(xí)方法的新型蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方法，即將 RFdiffusion（一種用于創(chuàng)建新蛋白質(zhì)形狀的生成模型）與 ProteinMPNN（序列設(shè)計(jì)工具）結(jié)合使用。通過以新的方式結(jié)合這些工具，研究人員利用有限的目標(biāo)信息，如肽的氨基酸序列，生成了結(jié)合蛋白。

這一進(jìn)展可使科學(xué)家們開發(fā)出更廉價(jià)的抗體替代品，用于疾病檢測和治療。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06953-1

10

人工智能揭開多晶材料的神秘面紗

多晶材料（polycrystalline materials）廣泛用于信息設(shè)備、太陽能電池和電子設(shè)備。在工業(yè)中使用多晶體的一個(gè)主要問題是，應(yīng)力和溫度變化會(huì)形成微小的晶體缺陷。這些缺陷被稱為位錯(cuò)（dislocations），會(huì)破壞晶格中原子的規(guī)則排列，影響電導(dǎo)和整體性能。

來自日本名古屋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用人工智能發(fā)現(xiàn)了一種了解多晶材料中位錯(cuò)的新方法。研究發(fā)表在 Advanced Materials 上。

研究團(tuán)隊(duì)利用一種新型人工智能分析了一種廣泛用于太陽能電池板的材料（多晶硅）的圖像數(shù)據(jù)。人工智能在虛擬空間中創(chuàng)建了一個(gè)三維模型，幫助研究人員確定了影響材料性能的位錯(cuò)群區(qū)域。在確定了位錯(cuò)簇的區(qū)域后，研究人員利用電子顯微鏡和理論計(jì)算來了解這些區(qū)域是如何形成的。他們揭示了晶格中的應(yīng)力分布，并在晶粒之間的邊界發(fā)現(xiàn)了階梯狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)似乎是晶體生長過程中產(chǎn)生位錯(cuò)的原因。

這項(xiàng)研究為建立高性能材料的通用準(zhǔn)則指明了道路，有望為創(chuàng)新多晶材料的創(chuàng)造做出貢獻(xiàn)，甚至有可能給社會(huì)帶來革命性的變化。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308599

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VideoPoet：用于零樣本視頻生成的大型語言模型

近日，Google 推出了大型語言模型（LLMs）VideoPoet，能夠完成多種視頻生成任務(wù)，包括文本到視頻、圖像到視頻、視頻風(fēng)格化、視頻內(nèi)畫和外畫以及視頻到音頻。

最近，視頻生成模型的浪潮席卷而來，在許多情況下都展現(xiàn)出了令人驚嘆的能力。目前視頻生成的瓶頸之一在于生成連貫的大型動(dòng)作的能力。與這一領(lǐng)域的其他模型相比，VideoPoet 在單個(gè) LLM 中無縫集成了多種視頻生成功能，而不是依賴于專門針對(duì)每項(xiàng)任務(wù)單獨(dú)訓(xùn)練的組件。

具體來看，輸入 VideoPoet 的圖像可以通過動(dòng)畫產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)效果，視頻（可選擇裁剪或遮罩）可以通過內(nèi)繪或外繪進(jìn)行編輯。在風(fēng)格化方面，該模型接收代表深度和光流（代表運(yùn)動(dòng)）的視頻，并在上面繪制內(nèi)容，以產(chǎn)生文本引導(dǎo)的風(fēng)格。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43445-2