科研进展-凯发88
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太阳是太阳系的主要能量来源，控制着地球的气候和水文系统，从而维持地球表生环境的生命活动和宜居性。重建过去的太阳活动历史，对评估异常太阳活动的强度和频率，预测其对宇航员、现代科技通讯和生态系统的影响都有重要意义。高能宇宙射线轰击地球大气可以产生放射性同位素（又称宇生核素，如碳14、铍10等），这些宇生核素存在于地球系统的多个圈层（如大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈等）。由于太阳活动强度可以调节进入太阳系的银河系宇宙射线强度，影响宇生核素在地球大气中的产率（图1），因此我们可以通过测量宇生核素在冰芯、树轮、沉积物等载体中的含量重建过去的太阳活动。
最近，heaton等（2021）在《science》上发表综述文章指出，随着碳14加速质谱分析技术的高速发展，高分辨率分析可以精准鉴别年际尺度的太阳活动异常（如太阳质子事件），甚至可以重建地球磁场变化、超新星爆发等行星和天文极端事件。虽然该领域未来有望蓬勃发展，但最近研究发现，不同宇生核素、不同载体、不同区域的记录在同一时期并不一致，造成甚多争论。产生争论的原因之一，是宇生核素在大气中的产生、转化过程和跨圈层的传输、保存过程十分复杂，现今模型难以准确模拟。
针对该问题，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心林莽研究员提出，被学界忽略的放射性硫同位素（硫35，半衰期约87天）可能是重要的破解手段之一。林莽研究员整合了第24太阳周期（2008-2019年）的大气硫酸盐硫35长期观测数据（priyardashi et al., 2012; lin et al., 2016, 2018），发现硫35的长期变化与太阳活动11年周期吻合，证明了硫35是太阳活动的忠实记录者。考虑到2015-2016年是近百年最强烈和持久的厄尔尼诺事件，林莽研究员进一步发现，该极端事件引起的区域大气环流变化可改变近地面的硫35含量，类似的极端气候影响在解读其他宇生核素记录时必须被慎重考虑。
鉴于大气含硫物质对酸雨、人体健康、气候变化的影响，硫在大气科学的研究远比铍等元素丰富和深入，使用大气化学传输模型可对硫35在大气中的转化、传输和沉降过程进行较为准确的模拟。通过硫35观测数据的制约，有望进一步改善模型对铍7、铍10、碳14等宇生核素的大气过程模拟。另外，现今宇生核素产率模型并没有考虑硫35，因此，硫35观测数据可为验证这些核化学模型提供新的制约。林莽研究员建议核化学、大气科学、海洋科学、地球化学等多个领域的科学家联手，构建统一的多圈层宇生核素化学传输模型。该研究对使用宇生核素准确重建过去的天文、地磁和气候事件，预测未来类似的极端事件发生频率和强度，以及评估其对生态系统和人类科技的影响均有重要意义。
研究成果最近以“cosmogenic radiosulfur tracking of solar activity and the strong and long-lasting el nino events”为题，在综合期刊《proceedings of the national academy of sciences》上在线刊出，林莽研究员是论文的第一作者和唯一通讯作者，加州大学圣地亚哥分校thiemens教授为第二作者。该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目、中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、南方海洋科学与工程广东省实验室重大专项团队项目和珠江人才计划的支持。
原文链接
图1. 太阳活动影响地球大气放射性硫同位素浓度的示意图。太阳活动强烈（太阳黑子增多）时，太阳风较强，进入太阳系的银河系宇宙射线强度变弱，因此宇生核素产率变小。
2022-05-07
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与心脏覆盖范围有限的传统单层激发采集的心肌首过灌注成像相比，本文所提出的自校准动态多层同时激发采集技术实现了全心覆盖，是一项划时代的心肌缺血诊断技术。该技术具有无辐射、低成本和全自动的特点，未来很可能在临床心肌血流评估中发挥重要作用。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院与联影医疗合作，在心肌首过灌注磁共振成像领域取得新进展，研究成果“myocardial first-pass perfusion with increased anatomic coverage at 3 t using autocalibrated multiband imaging”发表于磁共振领域国际顶级期刊journal of magnetic resonance imaging，深圳先进院博士研究生邹莉娴为论文第一作者，刘新研究员为通讯作者。该研究基于联影3.0t磁共振，结合自校准动态多层同时激发采集（temporal multi band, tmb）、优化的k-t空间欠采样和压缩感知重建，极大提高了心肌首过灌注成像的覆盖范围，为实现快速、高分辨率、全心覆盖的多层短轴位心脏灌注成像提供了可能。文章发表后，同期刊登的editorial评述对本研究工作给与高度评价：“与心脏覆盖范围有限的传统单层激发采集的心肌首过灌注成像相比，本文所提出的自校准动态多层同时激发采集技术实现了全心覆盖，是一项划时代的心肌缺血诊断技术。该技术具有无辐射、低成本和全自动的特点，未来很可能在临床心肌血流评估中发挥重要作用。”
论文上线截图
冠心病是全球第一大健康杀手，具有高致死率、致残率。心肌缺血诊断的风险分层和决策对改善冠心病患者预后具有重要意义。目前，心肌有多种用于缺血诊断的成像方法。与临床实践中广泛用于缺血诊断的ct灌注成像、核素心肌灌注成像等方法相比，mri心肌首过灌注成像具有无创、无辐射、高时间和空间分辨率等优点。欧洲心脏病学会推荐无辐射的mri心肌首过灌注成像为稳定胸痛患者进行无创检查。
目前临床多采用2d序列进行mri心肌灌注成像，因空间及时间分辨率限制，一般只能采集3层短轴位图像，并且存在层间距，容易造成病灶漏检，影响对心肌缺血的全面准确评估。本研究利用动态自校准多层同时激发tmb采集技术，直接使用待重建数据自身计算单层参考数据，从而无需额外扫描参考数据，不增加屏气时间，具有与传统单层激发采集方案相同的扫描时间。另外，针对造影剂流过心脏时信号随时间变化容易造成伪影的问题，本研究设计了k-t空间欠采样模板，实现层面内近3倍和层面间2倍加速，并通过压缩感知重建，得到高质量心肌首过灌注图像，有助于全面快速评估心肌缺血，极具临床应用前景。
典型心肌梗死病例图像
本文提出的自校准多层同时采集方法（b）发现了传统单层采集方法（a）遗漏的灌注缺损（缺血）区域（红箭），该区域与注射钆增强剂的延迟图像（c）和t1定量图（d）上的梗死区域（红箭）一致。
该研究得到国家自然科学基金国家重点项目、国家自然科学基金项目、广东省磁共振与多模态成像重点实验室、深圳市科技项目等项目的资助。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jmri.28193
2022-05-06
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植物通过调节其功能性状来适应环境变化的能力称为表型可塑性（以下简称可塑性），气候变化背景下，植物性状可塑性对物种的适应和生存至关重要，但性状的可塑性是否受到植物演化的制约尚不清楚。植物叶片经济性状是衡量植物在不同环境中适应能力的关键，因此，探究叶片经济性状及其可塑性的演化保守性，有助于深入理解和预测植物对气候变化的响应和适应。
中科院华南植物园生态与环境科学研究中心植物生理生态学研究组（pi：叶清研究员）的刘慧副研究员和合作者，基于多种系统发育模型分析了四种环境处理（升温、干旱、二氧化碳升高或氮添加）下共210个实验、434个物种的三个叶片性状（光合速率、比叶面积和叶片氮含量）及其可塑性的数据，探讨了“植物叶片性状及其可塑性是否具有演化保守性”的科学问题。研究发现：四种环境处理下的三个叶片性状均具有较强的系统发育信号，而它们的可塑性则不具有系统发育信号（图1中h2），表明虽然近缘物种表现出相似的叶片性状，但并不能根据系统发育关系预测物种在环境变化下的性状可塑性。同时，与传统线性模型相比，系统发育线性模型得到的性状相关性强度较弱，但相关性方向不变，从而证明协同演化的叶片性状对环境条件改变的响应具有一致性。因此，演化分析可以探查性状保守的类群并预测性状在气候变化下的响应关系，但性状可塑性在不同类群间的变异主要受环境而非演化驱动。
相关研究从演化分析的角度拓展了叶片经济性状在全球气候变化下的适应方式和协同关系，揭示了气候变化下叶片性状及其可塑性的演化模式。研究结果已在线发表在国际主流期刊new phytologist (if2020=10.15)上；该研究得到了国家杰出青年科学基金和国家基金面上项目等资助，论文链接：https://doi.org/10.1111/nph.18194
图1. 气候变化下植物性状及其可塑性演化模式的三个假说概念图。
h1，演化驱动性状差异和性状可塑性，因此性状及其可塑性都具有较强的系统发育信号；
h2，演化驱动性状差异，环境驱动性状可塑性，因此性状具有较强的系统发育信号，而性状可塑性不具有系统发育信号；
h3，性状差异和性状可塑性均为随机，因此性状及其可塑性都不具有系统发育信号。
白圈为性状的对照值；红三角为性状在气候变化下的值；虚线为性状的响应值即表型可塑性；
每小图下方为5个概念物种的系统发育关系，其中a和b关系最近，其次为c，再次为d和e。
2022-05-06
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近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所光子信息与能源材料研究中心杨春雷研究员团队以“a novel energy-resolved radiation detector based on the optimized cigs photoelectric absorption layer”为题，在journal of power sources（影响因子：9.127）上发表了基于铜铟镓硒（cigs）薄膜光电器件与gos闪烁体相结合的间接型x射线探测器研究进展，该探测器具有高灵敏度和能量分辨能力，该器件中使用的cigs薄膜光电材料具有低成本、高效率及可大面积制作等优势。
瞄准如何提高辐射探测器的探测率以及如何获得能量分辨这两个核心难题，本研究工作从材料和器件结构两个方面进行了创新设计。
降低cigs光电器件的暗电流从而提高信噪比，是cigs应用于探测器领域的核心挑战，本文系统研究了ga含量对cigs薄膜探测器的暗电流调控并获得了最优的组分设计，进一步结合表面态硫化处理和引入超薄al2o3层作为pn结界面电荷阻挡层，成功将器件的探测率从6×1013 jones升高至2.3×1014 jones，这是目前cigs光电器件的最好水平。基于优化的cigs光电功能层与gos闪烁体层制备的x射线探测器，探测灵敏度达到8 μcgyair-1cm-2，响应时间为0.23-0.28 ms。
为了获得对于x射线的能量分辨能力，本研究中提出了新的3d结构x射线探测器的几何构型，该新结构一方面可以利用x射线在穿透深度上的空间分辨获得能量分布信息，另一方面可以使闪烁体的可见光荧光信号传播方向与x射线传播方向垂直，成功解决了间接型x射线探测器在高灵敏度和高空间分辨率不可兼得的难题。
论文第一作者为博士后宁德博士，研究生胡明珠和马明副研究员为共同作者，通讯作者为李伟民副研究员、陈明副研究员和杨春雷研究员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市和广东省等科技项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231520
图1：a)3d结构间接型x射线探测器的示意图; b) cigs光电功能层的器件结构；c) 光电器件的照片。
图2：a) 本研究中使用的cigs薄膜的ga/(ga in)元素比；b) ga含量0.33的样品中各元素的空间分布；c) cigs吸收层的截面电子显微镜照片；d) cigs的晶体结构示意图；e) cigs薄膜的晶体x射线衍射图谱；f) cigs薄膜的拉曼光谱；g) cigs光电器件的暗电流与ga组分关系；h) 表面钝化处理后的cigs器件的电流电压曲线。
图3：在不同深度上的x射线探测器像素对x射线能量的敏感度对比测量，像素的标号越大，其深度越深。
2022-05-06
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近日，中科院广州生物医药与健康研究院自主研发的1类新药奥雷巴替尼片再获殊荣，先后被纳入2022年版中国临床肿瘤学会(csco)恶性血液病诊疗指南，并入选中国2021年度重要医学进展，这充分显示了业界及临床对于该产品的原创性与临床价值的认可。
日前，中国临床肿瘤学会（csco）指南大会在线上召开，多部新版csco指南发布，广州健康院自主研发的第三代bcr-abl抑制剂奥雷巴替尼（gzd824）被成功纳入2022版《csco恶性血液病诊疗指南》，获明确推荐用于治疗伴有t315i突变的既往酪氨酸激酶抑制剂（tki）耐药慢性髓细胞白血病（cml）患者以及费城染色体阳性(ph )的急性淋巴细胞白血病（all）患者。
《中国2021年度重要医学进展》收集2021年度我国研究者的论文、专利、获批药物等基础数据27.6万余条，经过量化分析、专家评价和综合研判，形成77个备选项，经学部委员推荐、审核委员会审核、执委会审定，最终产生31项年度重要进展，其中药学领域共有8项进展。奥雷巴替尼作为药学领域的重要进展荣幸登榜！
奥雷巴替尼片是健康院丁克研究团队开发，2013年经实验室初步验证，确定gzd824为候选药物，并将相关专利转让给广州顺健生物医药科技有限公司进行产业化开发；2016年，奥雷巴替尼获得1.1类新药临床批件，后由广州顺健的母公司江苏亚盛推进临床试验；2021年11月25日奥雷巴替尼被nmp批准上市，历时13年。 2021年12月31日奥雷巴替尼在全国多地同步开出首批处方，正式应用于临床。据亚盛医药发布的新闻通稿，截至2022年2月底，奥雷巴替尼的销售额达5041万元人民币（未经审计含增值税金额）。
奥雷巴替尼是健康院建院以来第一个获批上市的1类新药，也是中国首个且唯一获批上市的第三代bcr-abl抑制剂，填补了国内临床空白，并在全球层面有潜在同类最佳（best-in-class）优势。该药物的正式上市打破了携t315i突变的耐药cml患者此前无药可医的生存困境，具有重大的社会和临床价值。
2022-05-06
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海洋氮循环影响着海洋生态系统的结构与功能，并和全球气候变化有着密切的联系。在全球变化和人类活动背景下，海洋氮循环的演变过程成为当前国内外海洋科学和全球气候变化等研究领域关注的焦点问题之一。由于人类活动已经成为地球上重要的地质营力，从近现代沉积记录中过滤掉人类活动的影响而凸显自然变化的信息是一项困难的工作。尤其是工业化革命以来，河口及近海地区的富营养化程度日益加重，进而引发了一系列的海洋生态环境问题，而氮输入增加在其中起到了关键作用。为厘清自然气候变化和人类活动胁迫下海洋氮循环过程，需要在更长时间尺度上重建海洋氮循环演化历史，探究其对气候变化和人类活动响应的机制，特别是与人类社会发展关系密切的全新世时期。海洋沉积物的氮同位素(δ15n) 能够反演氮的来源及其经历的生物地球化学转化过程的信息，被广泛应用于重建古海洋氮循环的历史中。然而在南海及其它的陆架边缘海区，由于受到大量复杂来源的陆源无机氮（主要为矿物晶格氨）的影响，其总氮同位素(δ15nbulk) 往往存在一定程度上的“失真”，对古海洋氮循环历史的重建工作造成了很大的干扰。
针对以上问题，中国科学院广州地球化学研究所稳定同位素地球化学学科组的王利伟博士生、叶丰副研究员和韦刚健研究员等人采用无机和有机形态氮的化学分离法，对南海北部陆架泥质区获得高分辨率的沉积岩芯 (yj core) 样品进行了综合的氮同位素分析，并结合其他地球化学指标对该区域全新世以来的海洋氮循环演化记录及其对东亚季风和人类活动的响应机制进行了细致刻画和深入探讨。研究结果表明：(1) 在南海北部的近岸沉积物中，有机氮主要来源于水生浮游植物和陆源土壤，其同位素组成（δ15norg）变化指示着浮游植物来源贡献和水体硝酸盐利用率的演变（图1）；(2) 无机氮主要来自于陆源黏土矿物，其同位素组成可能包含了矿物形成源区的气候（特别是降水）信息；(3) 7500至2000年以前，有机氮同位素组成的变化主要受东亚夏季风的强度的控制，当东亚夏季风盛行（强度高）时，丰富的陆源营养物质和较高的海表温度导致浮游植物生物量和硝酸盐利用率增加，并推高有机质的δ15norg，而这段时间δ15norg值的下降是对夏季风强度不断减弱的响应；(4) 近2000年以来，珠江流域的人类活动（农业活动）不断增强，并逐渐取代东亚夏季风成为近海氮循环过程的重要推动力（图2）。
该研究受南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项、国家重点研发计划项目、广州市科技计划项目、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等项目的联合资助，研究成果近期发表于国际地学期刊palaeogeography, palaeoclimatology, palaeoecology上。
论文信息: liwei wang; feng ye*; gangjian wei; chao huang; fajin chen; zhiyang li; yancheng zhang; xuesong shi. 2022. east asian summer monsoon and human activity imprint on δ15norg records at the northern coast of the south china sea over the last 7500 years. palaeogeography, palaeoclimatology, palaeoecology, 595, 110976. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2022.110976.
图1 yj钻孔沉积物有机氮的来源及其变化
图2 沉积物δ15norg对过去2000年人类活动的响应
2022-05-06
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矿物在石油和天然气生成过程中对油气的产率及其组成具有较大的影响，黄铁矿是烃源岩及煤中的常见矿物，也是沉积有机质和多种固体矿床中普遍存在的一种金属硫化物，超过岩石总体积的5%，其作用不容忽视。但黄铁矿对有机质生烃的催化作用存在不同的观点，至今仍缺乏统一的认识。前人相关研究都是将外加的黄铁矿与干酪根进行简单的物理混合进行模拟，由于额外加入的黄铁矿很难保证与有机质的密切接触，而且还受到加入黄铁矿的量、粒度和孔隙度等多种因素影响，因此难以准确模拟烃源岩内部黄铁矿对有机质生烃的影响。针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士生李亢在导师卢鸿研究员指导下，选取富含黄铁矿且成熟度低的alum海相页岩提取的干酪根为研究对象，利用crcl2溶液有效去除干酪根中的黄铁矿，并将内含黄铁矿和去除黄铁矿的两种干酪根作为反应物，开展黄金管模拟实验对比研究，通过实验产物的产烃量和组成变化及残渣对比研究，探究内生黄铁矿对干酪根的生烃特征的影响及其催化机理。
通过对模拟实验热解残渣的定性及半定量分析发现，黄铁矿在热解过程中伴随着向磁黄铁矿（fe7s8）发生转变，特别在432~528℃范围内具有最高的转化速率（图1），这必然伴随着新生s的生成。与以往黄铁矿对重烃生成具有促进作用的结论相反，内生黄铁矿显著降低了重烃产率，这可能是因为内生黄铁矿与干酪根的密切键合作用限制了重烃的排出而致。实验室条件下含黄铁矿系列轻烃组分峰值温度前移近50 ℃，表明内生黄铁矿的存在加速了轻烃的生成，这主要是因为黄铁矿分解过程中生成的新生s加速了重烃向轻烃的裂解。含黄铁矿系列湿气组分产率（∑c2-5）显著降低，但h2s产率显著增加，这是由于新生s对干酪根中可用氢源具有较强的夺取能力，从而限制了湿气生成，而促进了h2s生成。
图1 左：含黄铁矿干酪根热解残渣在不同温度点的xrd图谱分析（圆圈：fes2；三角：fe7s8）；右：含黄铁矿干酪根中黄铁矿与磁黄铁矿相对含量变化
上述实验揭示了内生黄铁矿对ⅱ型干酪根产烃影响及催化机理，对于自然条件下富含黄铁矿的海相干酪根生烃模式的研究与评价具有重要的理论意义。研究成果发表在国际期刊fuel杂志，研究得到了国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项及中国科学院战略性先导科技专项a类的资助。
论文信息：li, kang; zhao, zhongfeng; lu, hong; liu, xinran; peng, ping'an; hsu, chang samuel. effects of inherent pyrite on hydrocarbon generation by thermal pyrolysis: an example of low maturity type-ii kerogen from alum shale formation, sweden. fuel, 2022, 312: 122865. doi: 10.1016/j.fuel.2021.122865
论文链接
2022-05-06
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近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成所严飞研究员团队与深圳市第二人民医院团队合作的最新成果以“ultrasound molecular imaging for multiple biomarkers by serial collapse of targeting microbubbles with distinct acoustic pressures”为题在线发表于材料科学国际知名期刊small (if = 13.281)。深圳先进院合成所严飞研究员为该文章的通讯作者，深圳市第二人民医院的李振洲主任医师和深圳大学的硕士研究生赖曼琳以及安徽医科大学附属宿州医院的赵帅医师为该文章的共同第一作者。
论文上线截图
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202108040
超声分子成像（ultrasound molecular imaging）是利用靶向微泡与血管内皮细胞表面过表达的分子标志物特异性结合以实现其超声成像检测的新技术，在疾病早期诊断与疗效评价方面具有重大的应用前景。然而，由于超声造影成像信号的单色性，传统超声分子成像技术往往只能针对单个靶点进行成像，而在肿瘤等疾病的病变过程中，肿瘤细胞的突变往往涉及多个靶标及信号通路在时间和空间上的协同改变，要实现从多个分子事件的网络层面整体把握疾病的恶性状态及进展情况，往往需要在实施分子成像过程中能时空同步地反映这些分子的即时关联与功能状态。为此，严飞研究员团队发展了一种基于梯度声压爆破实现双靶点同步超声分子成像的新方法，通过设计不同声压爆破性能的l-mbα和lp-mbv两种靶向微泡（分别靶向αvβ3整合素和vegfr2血管内皮细胞生长因子受体），静脉注射后使其与各自靶标结合，接着采用不同声压分别对这两种探针进行爆破消除其信号，再借助信号减影的方法分别提取不同探针的超声分子影像信号，从而可以实现在同一视野对两个靶标的同步分子成像检测。
图1：体外l-mbα和lp-mbv靶向微泡在不同声压条件下的爆破清除
研究团队首先测试了l-mbα 和lp-mbv两种靶向微泡在水溶液混合条件下的声压爆破性能，发现红色荧光标记的l-mbα在0.65mpa声压条件下可以全部爆破清除，而绿色荧光标记的lp-mbv 基本不受影响，采用1.52mpa声压则可以将lp-mbv爆破清除；接着，研究团队将两种混合靶向微泡与血管内皮细胞孵育，使它们一同结合在血管内皮细胞（蓝色）的表面，通过采用0.65mpa声压可以将结合在血管内皮细胞表面的l-mbα选择性爆破，进一步提高声压至1.52mpa 则可以将残留的lp-mbv 微泡爆破，由此实现了采用梯度声压逐个爆破清除靶向微泡的方法（图1）。
接着研究团队利用该方法应用到乳腺癌荷瘤小鼠双靶点的超声分子影像检测，通过尾静脉同时注射等比例混合的l-mbα 和lp-mbv两种靶向微泡，待靶向微泡与肿瘤血管内皮细胞结合后，首先采用0.65mpa声压爆破清除与肿瘤血管内皮细胞结合的l-mbα，接着提高声压至1.52mpa声压将肿瘤血管内皮细胞结合的lp-mbv爆破清除，通过信号减影分别对第一次和第二次爆破前后的影像信号进行处理可分别提取出l-mbα 和lp-mbv两种靶向微泡的超声分子影像信号（图2）。由于l-mbα和lp-mbv的分子影像信号来自于肿瘤同一视野的相同时刻，由此成功实现了在活体水平相同视野里乳腺癌肿瘤新生血管内皮细胞整合素αvβ3和 vegfr2的同步超声分子成像检测，研究团队通过进一步分析肿瘤不同阶段肿瘤新生血管αvβ3/vegfr2的超声分子影像信号比值，发现分析 αvβ3/vegfr2 比值比分析单个αvβ3和vegfr2 的表达能更好地反映乳腺癌的恶性状态。
图2：基于梯度声压爆破同步超声分子成像检测αvβ3和vegfr2的效果
该工作获得了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市科创委以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。
zhenzhou li; manlin lai; shuai zhao; yi zhou; jingna luo; yongsheng hao; liting xie; yaru wang, fei yan. ultrasound molecular imaging for multiple biomarkers by serial collapse of targeting microbubbles with distinct acoustic pressures. small, 2022, doi: 10.1002/smll.202108040
2022-05-05
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crocetane（2，6，11，15——四甲基十六烷），又称为藏花烷或番茄烷，是重要的脂质生物标志化合物，可作为甲烷厌氧氧化古菌anme-2与硫酸盐还原菌（srb）共养耦合的重要证据，对于判断海底甲烷渗漏环境与微生物活动具有重要作用，其含量与碳同位素组成是指示甲烷厌氧氧化过程的有力证据。crocetane的碳同位素组成已被广泛应用于油气地球化学、生物地球化学和海洋科学等研究领域。
然而，由于crocetane与植烷互为同分异构体且均为类异戊二烯类化合物，它们的结构和性质较为相似，导致常规色谱柱很难将它们分离，严重阻碍了crocetane单体碳同位素指标的应用。已报道的针对二者的分离多采用复杂前处理（例如进行尿素络合等）或增加色谱柱长度的方法，但在实际应用中前述方法并在低含量地质样品的测定时，且会导致色谱峰过宽、运行时间过长等问题；而前人使用过的计算方法在实验中会由于仪器响应的变化而产生较大误差。
针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室硕士生陈浩冬在导师熊永强研究员、李芸副研究员、蒋文敏副研究员的指导下，利用deans-switch技术优势，开发了全新的2d-gc-irms方法（图1），实现了地质样品中crocetane和植烷的有效分离和后续单体碳同位素的准确测定。gc1和gc2根据不同分离要求，配置了性质不同的气相色谱柱，在gc1中利用cyclosil-b色谱柱将crocetane和植烷从样品中分离并使用deans-switch阀切换至gc2，在gc2中利用b-ph色谱柱实现二者的完全分离。对正构烷烃和crocetane及植烷的混合标样的分析表明二者经该方法分离后分离度可达1.5以上（图2），且分离后crocetane和植烷的单体碳同位素组成与其的标准值相比并无明显分馏。整个分离过程无需繁琐的前处理步骤，避免了低含量地质样品的损失；同时也避免了利用加长色谱柱的分离方法导致的测试时间过长和色谱峰过宽的问题，在实验效率和分离效果上都有极大优势。
图1 2d-gc-irms装置示意图，其中ds表示deans-switch，pcm表示气动控制模块
利用该方法对具有不同crocetane和植烷含量比的海底沉积物样品的测试均实现了crocetane和植烷的基线分离，分离度>1.5（图3），说明化合物群中crocetane和植烷的响应值并不影响该2d-gc-irms方法的分离效果，并首次准确报道了两个海底沉积物样品的crocetane碳同位素组成，对甲烷厌氧氧化菌的来源与aom的活跃层段提供有效信息。
图2 通过2d-gc-ms系统对混合标样进行分析，其中（a）未经过deans-switch切割的色谱图；（b）植烷和crocetane经过deans-switch切割的色谱图； (c) 植烷和crocetane的 irms图。
图3 海底沉积物样品d1 和 d2 的 2d-gc-irms 分析。其中（a）未经过deans-switch切割的色谱图；（b）植烷和crocetane经过deans-switch切割的色谱图； (c) 植烷和crocetane的 irms图。
该研究受到中国科学院青年创新促进会（批准号：2018386）的资助，成果发表在journal of chromatography a上。
论文信息：chen h, li y, jiang w, xiong y. determination of carbon isotopic composition of crocetane in sediments by heart-cutting two-dimensional gas chromatography–isotope ratio mass spectrometry [j]. journal of chromatography a, 2022, 1666: 462878.
2022-05-05
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4月27日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所司同课题组在国际知名学术期刊current opinion in biotechnology在线发表特邀综述文章 “towards one sample per second for mass spectrometric screening of engineered microbial strains”。文章聚焦工程菌株的高通量质谱筛选方法（1秒/样品），从微生物培养体系、自动化样品制备、高通量质谱仪器、菌株开发应用等方面进行了综述，并对关键挑战和未来趋势进行了展望。司同研究员和陈永灿助理研究员为本文共同通讯作者，付立豪博士生和郭二鹏研究助理为共同第一作者。
论文上线截图
全文开源链接：https://authors.elsevier.com/a/1e~aa3ptav1nzh
（有效期至2022年6月16日）
微生物细胞工厂有望实现燃料、化学品和材料等产品的可持续生产，但需要对菌株进行系统性工程改造才能够符合工业化生产需求。目前，细胞工厂理性设计成功率低，菌株开发需要依赖高通量的文库构建和筛选。尽管质谱分析具有高灵敏度、高特异性、高准确度、无标记等优点，但传统色谱-质谱方法通量低、周期长，无法满足菌株快速筛选的需求。
文章提出，省略色谱分离步骤对提高质谱分析通量至关重要。微生物样品可通过自动进样器、激光/离子/气体束、超声波、微流控等手段直接进入质谱仪；而样品制备是连接各类培养体系与质谱平台的关键步骤（图1）。
针对琼脂板菌落、微孔板和微流控液滴等常用微生物培养体系，文章从样品制备、质谱装备和数据分析等方面对该领域最新进展进行了重点阐述。作者精选了一系列商业化或经过应用验证的质谱方法进行介绍和比较，并对筛选通量和应用举例进行了总结（表1）。举例说明了高通量质谱筛选在鼠李糖脂、中链脂肪酸、赖氨酸、甜味蛋白等生产菌株开发中的应用。
图1：不同培养物的高通量质谱分析方案
表1：微生物筛选高通量质谱分析平台
文章最后分析了微生物培养体系对高通量质谱筛选方法的独特挑战，指出在方法开发时应着重权衡筛选通量、化学覆盖率、以及定量准确性等因素，针对特定应用选择和开发最适的培养体系、样品制备方法和质谱装备。
pi与课题组简介：
司同，中科院深圳先进院合成生物学研究所研究员，博士生导师。国家重点研发计划合成生物学项目首席科学家，国家高层次人才（青年），深圳合成生物研究重大科技基础设施总工艺师。课题组方向为自动化合成生物技术，包括机器学习指导蛋白工程、高通量质谱筛选等，用于开发微生物细胞工厂研究和生产燃料、化工品、药物等重要分子，前期成果在nature communications, jacs, angew chemie，metabolic engineering等国际著名学术期刊发表论文40余篇，“谷歌学术”引用超过2200次。
课题组长期致力于面向合成生物研究开发高通量质谱仪器和新方法，现招聘质谱、仪器分析方向博士后、工程师和访问学生等，有意申请者请将个人简历以邮件方式发送至tong.si@siat.ac.cn。
实验室凯发88主页:
http://isynbio.siat.ac.cn/sitonglab/
2022-05-05