浙江大學(xué)科研團(tuán)隊在國際頂級刊物發(fā)表多篇有趣又重磅的科研成果

浙江大學(xué)科研團(tuán)隊在國際頂級刊物發(fā)表多篇有趣又重磅的科研成果很多朋友對這方面很關(guān)心，大學(xué)路整理了相關(guān)文章，供大家參考，一起來看一下吧！

強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，夯實(shí)創(chuàng)新之基

浙大科研團(tuán)隊鉆研學(xué)術(shù)、潛心探索

催生出一個個令人矚目的創(chuàng)新突破

近日，科學(xué)家們又在國際頂級刊物

發(fā)表了多篇有趣又重磅的科研成果

讓我們一起來看！

　　要點(diǎn)速覽：

　　浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院林世賢研究員團(tuán)隊在《科學(xué)》發(fā)文，探究了一條讓生物體能夠自主編碼非天然氨基酸的全新路徑，為在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造編碼非天然氨基酸的人造生命體的可能性研究按下了啟動鍵。

　　浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蔣明凱研究員在《自然》發(fā)文，在全面構(gòu)建了第一個森林生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)核算的基礎(chǔ)上，揭示了生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)限制森林碳匯響應(yīng)大氣二氧化碳濃度升高的關(guān)鍵機(jī)制。

　　浙江大學(xué)物理學(xué)院/關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心袁輝球團(tuán)隊在《自然-物理》發(fā)文，利用自己發(fā)展的金剛石對頂砧準(zhǔn)靜水壓技術(shù)，成功觀測到了超導(dǎo)體的零電阻，確認(rèn)了鎳氧化物的高溫超導(dǎo)；揭示了超導(dǎo)與奇異金屬行為之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)載流子濃度在進(jìn)入超導(dǎo)相區(qū)時大幅增加。

　　浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院沈星星課題組、黃健華課題組等在《自然-衰老》發(fā)文，精準(zhǔn)識別出一個在動物中全新的長壽基因，該基因不僅能夠顯著延長昆蟲和線蟲的壽命，還對人細(xì)胞具有顯著的抗衰老能力。

　　研究詳情：

　　人造生命體是否能在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造？

　　女媧造人，關(guān)于自然萬物的無限可能，在神話故事中都有著奇妙的遐思。而隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)承擔(dān)著生命活動功能的蛋白質(zhì)，基本都是由20種天然氨基酸組合構(gòu)成的。

　　然而，氨基酸的種類遠(yuǎn)不止這20種，近年來通過各種研究手段科學(xué)家們得到了各種人工合成的非天然氨基酸。于是科學(xué)家們就開始遐想：能否讓生物體自主編碼這些非天然氨基酸，從而讓生物蛋白的設(shè)計和功能擁有更多的可能？

　　這一研究設(shè)想的真實(shí)難度遠(yuǎn)超想象！北京時間6月7日，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院林世賢研究員團(tuán)隊在國際頂級期刊《科學(xué)》上發(fā)文，探究了一條讓生物體能夠自主編碼非天然氨基酸的全新路徑。這為在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造編碼非天然氨基酸的人造生命體的可能性研究按下了啟動鍵。

　　論文第一作者為浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院的前博士后丁文龍、博士生于微和浙江大學(xué)紹興研究院的博士后陳宇霖，論文的通訊作者為林世賢。

　　找到盲區(qū)里的“軟肋”

　　已有研究表明，自然生命體的翻譯系統(tǒng)通過識別通用的64個三聯(lián)遺傳“密碼子”，按照基因編碼的信息，將20種天然氨基酸聚合成蛋白質(zhì)，進(jìn)而不斷演化成為復(fù)雜的生命體。

　　自從發(fā)現(xiàn)了生命體的翻譯規(guī)律，科學(xué)家們就一直在探索，能否通過改寫遺傳密碼表，從而使得生命體能夠編碼20種氨基酸以外的非天然氨基酸？

　　在64種原有的密碼子中，61種有義密碼子肩負(fù)著合成氨基酸的任務(wù)，3種終止密碼子用于合成進(jìn)程的終止。

　　61種的有義密碼子理論上不能用于編碼非天然氨基酸，過去的科研團(tuán)隊一直處于“燈下黑”，在3種終止密碼子中尋找突破，是領(lǐng)域內(nèi)的共識，但這一研究思路始終存在著關(guān)鍵瓶頸……

　　部分科學(xué)家嘗試采用四聯(lián)密碼子、非天然堿基等新型無義密碼子實(shí)現(xiàn)遺傳密碼的拓展，但在工作效率、通用領(lǐng)域和便捷性等方面存在著更大的挑戰(zhàn)。

　　浙大科研團(tuán)隊通過化學(xué)設(shè)計合成，合成生物學(xué)重構(gòu)、大數(shù)據(jù)模型預(yù)測等交叉學(xué)科的研究手段，在61種有義密碼子中發(fā)現(xiàn)在哺乳動物細(xì)胞中使用頻率最低的TCG密碼子是整個翻譯系統(tǒng)的“軟肋”——一個新的突破口。

稀有密碼子重編碼體系的原理示意圖

　　這個突破口為高效和特異的遺傳編碼非天然氨基酸開辟了新方向。

　　用“特洛伊木馬”創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)

　　氨基酸的合成需要tRNA和合成酶作為催化中介。要想引入非天然氨基酸，只找到翻譯系統(tǒng)的新突破口是不夠的，必須“挾天子以令諸侯”，挾持這個TCG稀有密碼子進(jìn)行突破。

　　“我們團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)，密碼子周圍的序列對于挾持它很重要。所以我們對其進(jìn)行了特異性的改造，來更好地挾持它?！绷质蕾t說。

　　浙大科研團(tuán)隊針對這個突破口，設(shè)計了一套“特洛伊木馬”，將非天然氨基酸裝載在自主設(shè)計的重編碼tRNA上，并利用翻譯系統(tǒng)的“軟肋”植入到目標(biāo)蛋白質(zhì)上。

　　于是，這個裝載著非天然氨基酸的“特洛伊木馬”，就成功“混進(jìn)”了翻譯系統(tǒng)的合成車間當(dāng)中，用于在翻譯工廠的幾乎任意蛋白質(zhì)上插入對應(yīng)的非天然氨基酸。

　　林世賢說，團(tuán)隊通過大量的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)推測，以提高非天然氨基酸的編碼選擇性，使之既能夠高效地合成非天然氨基酸，又不影響天然序列正常的合成進(jìn)程?！拔覀児苓@個技術(shù)叫稀有密碼子重編碼技術(shù)，這與所有基于無義密碼子的遺傳密碼拓展技術(shù)有本質(zhì)上的不同！”

　　其中一位匿名審稿人提到“這項(xiàng)工作是分子生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)的一次偉大創(chuàng)舉，為非天然氨基酸工具包增添了新的內(nèi)容。此外，該方法既目標(biāo)明確又設(shè)計巧妙，實(shí)驗(yàn)過程扎實(shí)全面，數(shù)據(jù)和結(jié)果引人入勝?！?/p>

　　未來有望構(gòu)建出全新的生命體？

　　人與小鼠，都是由同樣的20種天然氨基酸構(gòu)成的。但是，為什么人與小鼠有這么大的差別？

　　“人體的蛋白質(zhì)在由氨基酸單體聚合后，會經(jīng)歷乙酰化、磷酸化、泛素化等近千種翻譯后修飾，使之比小鼠、真菌、細(xì)菌等其他生物復(fù)雜得多?！绷质蕾t解釋道，非天然氨基酸的引入，可以使我們更好地理解蛋白質(zhì)修飾是如何發(fā)揮其生物學(xué)功能，為理解復(fù)雜的生命過程提供了便捷的研究手段。

　　除此之外，利用非天然氨基酸材料實(shí)現(xiàn)新型蛋白質(zhì)藥物的智造，將增強(qiáng)藥物的功能甚至設(shè)計出全新功能的蛋白質(zhì)藥物，用于加強(qiáng)藥物和靶點(diǎn)的結(jié)合、延長藥物在血液中的半衰期、增強(qiáng)藥物的活體可視性等。

　　林世賢暢想，在未來能基于這一突破設(shè)計一種由21種氨基酸、甚至30種氨基酸構(gòu)成的細(xì)胞，并基于此構(gòu)建出一個全新功能的人造生命體，“我們這個技術(shù)為做這件‘不可能的’事情打下了一個很好的基礎(chǔ)，這是大家以前不敢想象的。”

浙大學(xué)者《自然》發(fā)文揭示誰是森林碳匯增長的“攔路虎”

　　森林是大氣二氧化碳的吸收器、貯存庫。那么當(dāng)未來大氣中的二氧化碳濃度升高時，陸地森林生態(tài)系統(tǒng)是否會產(chǎn)生額外碳匯？人類能否通過植樹造林持續(xù)增加碳匯？以往的主流答案是“YES”。但基于6年的田間監(jiān)測，科學(xué)家們用強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)分析反駁了這一主流觀點(diǎn)。

　　在全面構(gòu)建第一個森林生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)核算的基礎(chǔ)上，研究揭示了生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)限制森林碳匯響應(yīng)大氣二氧化碳濃度升高的關(guān)鍵機(jī)制。并指出，應(yīng)對未來氣候變化，植物需要更加積極的磷獲取策略，來提升土壤中磷元素的植物可利用率。

　　這項(xiàng)研究成果于北京時間6月5日發(fā)表在國際頂級期刊《自然》，題目為“Microbial competition for phosphorus limits CO2 response of a mature forest”。研究團(tuán)隊包括了中國、澳大利亞、瑞士、挪威、西班牙、荷蘭、美國、英國、德國等國的科研人員。論文的第一作者為浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蔣明凱研究員，第一單位為浙江大學(xué)。

　　磷在哪兒，磷去哪兒了？

　　眾所周知，綠色植物可以通過光合作用，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣。森林碳匯作用指的就是，森林植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中，從而減緩溫室效應(yīng)的作用。

　　隨著全球氣候變化，森林的碳匯功能愈加重要，但這一功能的發(fā)揮受到土壤養(yǎng)分的限制?！盁釒Ш蛠啛釒值纳a(chǎn)力普遍受到土壤磷元素可用性的限制，但是生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)如何限制森林生產(chǎn)力，進(jìn)而限制其在大氣二氧化碳濃度升高背景下的碳匯潛力，仍存在一定研究不足，而該不確定性是地球系統(tǒng)模式預(yù)測未來陸地-大氣碳循環(huán)反饋的關(guān)鍵瓶頸之一?！笔Y明凱說。

　　為更清晰地了解森林的碳匯功能以及磷元素在其中的作用，科學(xué)家們進(jìn)行了一項(xiàng)長達(dá)六年的探索。他們基于國際大科學(xué)裝置 ——位于澳大利亞的成熟森林露天二氧化碳倍增實(shí)驗(yàn)平臺，對位于西悉尼坎貝蘭平原的一片超過100年樹齡的成熟桉樹森林進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來探究生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)如何響應(yīng)大氣二氧化碳濃度的升高。

正常(a)和二氧化碳(b)升高環(huán)境下生態(tài)系統(tǒng)磷預(yù)算

　　科學(xué)家們開展了一項(xiàng)精細(xì)的“審計”工作。他們?nèi)鏈y量了冠層植被、林下植被、凋落物、土壤、土壤微生物等成熟森林生態(tài)系統(tǒng)中所有主要磷庫的大小，并追蹤了磷在這些磷庫之間移動的速率，構(gòu)建起一個全面詳實(shí)的全生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)核算?！熬拖褡粉欍y行賬戶的資金流動一樣，我們追蹤了磷在森林中的循環(huán)方式，并評估磷有效性對植物生長響應(yīng)的限制?！笔Y明凱介紹。

　　有去無回，投資失敗！

　　在陸地森林這個巨大的生態(tài)系統(tǒng)中，植物、微生物和土壤共同構(gòu)成了一個復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)。植物通過光合作用吸收二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為自身的養(yǎng)分，同時也從土壤中吸收磷元素，以維持自身的生長。微生物可以將土壤中的有機(jī)物分解成無機(jī)物，釋放出磷元素，供植物吸收。然而，當(dāng)土壤中磷元素不足時，微生物就會與植物展開爭奪。

　　磷核算顯示，土壤中很大一部分的磷都被微生物占據(jù)，并且它們對磷元素的競爭非常激烈。在二氧化碳濃度升高的情況下，植物會通過根系釋放更多的碳到土壤中，但微生物并沒有釋放更多的磷元素以支持植物的生長。植物所期待的“用碳換磷”投資遭遇失敗，他們沒有獲得額外的生長量。

　　科學(xué)家們分析了植物對磷的吸收、分配和利用效率，并比較了二氧化碳濃度升高組和對照組之間的差異。結(jié)果表明，土壤微生物是限制成熟森林生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)和植物磷吸收的關(guān)鍵因素。森林中的冠層樹木在漫長的生態(tài)系統(tǒng)演替中擁有了極高的磷利用效率。當(dāng)二氧化碳濃度升高時，植物對磷的利用效率也有所提高，但土壤中磷元素的有效性并沒有明顯變化。

　　“土壤微生物對土壤磷的礦化和固持限制了冠層樹木在大氣二氧化碳濃度升高下的磷吸收速率，從而限制了森林的額外固碳能力。植物需要更加積極的磷獲取策略，如根系分泌物所產(chǎn)生的潛在激發(fā)效應(yīng)，來提升土壤磷元素的植物可利用率，進(jìn)而更好實(shí)現(xiàn)‘固碳’目標(biāo)?！笔Y明凱說。

　　研究對改進(jìn)陸地系統(tǒng)模式中的碳磷交互關(guān)系的預(yù)測機(jī)制提供了理論支撐，對氣候變化緩解政策提供了重要數(shù)據(jù)支撐。“接下來，我們將針對土壤微生物的群落和功能開展研究，探究土壤微生物是如何限制森林碳磷交互關(guān)系及其在大氣二氧化碳濃度升高背景下的碳匯潛力?！笔Y明凱說。

　　該研究受到了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2022YFF0801904)、浙江省自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ23C030001)、基金委青年項(xiàng)目(32301383)等經(jīng)費(fèi)支持。

浙大團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)鎳氧化物高溫超導(dǎo)存在的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)

　　北京時間2024年6月6日，Nature Physics在線發(fā)表了浙江大學(xué)物理學(xué)院/關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心袁輝球團(tuán)隊在鎳氧化物高溫超導(dǎo)方面的最新研究成果。他們利用最新發(fā)展的金剛石對頂砧準(zhǔn)靜水壓技術(shù)，成功觀測到了 La?Ni?O? 超導(dǎo)體的零電阻，確認(rèn)了其高溫超導(dǎo)電性。此外，該工作還揭示了超導(dǎo)與奇異金屬行為之間的內(nèi)在聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)載流子濃度在進(jìn)入超導(dǎo)相區(qū)時大幅增加。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為鎳氧化物高溫超導(dǎo)提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，奠定了研究基礎(chǔ)。

　　新材料展露高溫超導(dǎo)跡象

　　超導(dǎo)，是指在某些材料中電阻隨溫度下降而突然消失，電流可以在其中無損耗地傳輸。同時，超導(dǎo)還表現(xiàn)出完全抗磁性，即超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這種現(xiàn)象又被稱為邁斯納效應(yīng)。因此，零電阻和完全抗磁性是判斷超導(dǎo)是否存在的兩個關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

　　目前，大多數(shù)超導(dǎo)體的臨界溫度都低于液氮沸點(diǎn)(77K，即零下196攝氏度)，如最早被發(fā)現(xiàn)的汞、鉛等元素超導(dǎo)體，它們需要使用昂貴且稀缺的液氦作為低溫制冷劑來維持超導(dǎo)電性，從而限制了其大范圍應(yīng)用。

　　尋找具有更高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，特別是高于液氮溫區(qū)的新型高溫超導(dǎo)材料成為科學(xué)家們致力追求的一個目標(biāo)。然而在目前已知的超導(dǎo)材料中，唯有銅氧化物高溫超導(dǎo)體可以在常壓下實(shí)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)。

　　2023年5月，中山大學(xué)王猛團(tuán)隊等首次報道了雙層鎳氧化物L(fēng)a?Ni?O?中接近80K的壓致超導(dǎo)跡象，但零電阻的缺失使得學(xué)界對其超導(dǎo)電性仍存在懷疑。

　　高壓技術(shù)的發(fā)展助力超導(dǎo)零電阻的發(fā)現(xiàn)

　　袁輝球教授分析認(rèn)為，La?Ni?O?中零電阻的缺失可能是由于樣品和壓力的不均勻性等因素造成的。因此，小樣品和準(zhǔn)靜水壓等實(shí)驗(yàn)條件可能是實(shí)現(xiàn)零電阻的關(guān)鍵。據(jù)團(tuán)隊骨干焦琳研究員介紹，團(tuán)隊經(jīng)過數(shù)年的努力發(fā)展了金剛石對頂砧準(zhǔn)靜水壓技術(shù)，壓力可高達(dá)50GPa，恰好適合鎳氧化物高溫超導(dǎo)的研究。

　　2023年6月，在獲得王猛教授提供的La?Ni?O?單晶后，他們將樣品打磨至長寬100微米左右，厚度10微米左右，并使用兩個臺面直徑僅幾百微米的金剛石對頂砧對樣品施加壓力。為了獲得更好的靜水壓環(huán)境，他們選擇了壓力均勻性更好的液體作為傳壓介質(zhì)。為了減少導(dǎo)線接觸電阻，他們在約100微米長的樣品上用銀膠焊接了4-5根導(dǎo)線，用于電輸運(yùn)測量。事實(shí)證明，這些技術(shù)優(yōu)勢在當(dāng)前鎳氧化物高溫超導(dǎo)研究中尤為重要，后來也被其他同行紛紛效仿。

圖1：高壓測量裝置(左圖)以及高溫超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象。

　　得益于上述實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，研究團(tuán)隊很快就在中觀察到了零電阻現(xiàn)象，為確認(rèn)鎳氧化物高溫超導(dǎo)提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓強(qiáng)為20.5GPa時，La?Ni?O?在66K開始出現(xiàn)超導(dǎo)，在40K電阻完全消失，表現(xiàn)出近乎完美的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以上，其正常態(tài)電阻呈現(xiàn)出很好的線性溫度依賴關(guān)系，并且一直延伸至測量最高溫度270K，表現(xiàn)出與簡單金屬迥然不同的奇異金屬行為，說明鎳氧化物高溫超導(dǎo)體不可能是一類簡單的常規(guī)超導(dǎo)體。

圖2：不同壓力下的電阻曲線(左圖)以及壓力-溫度相圖(右圖)

　　奇特的高壓電子性質(zhì)

　　在該項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊還修正了先前報道的壓力-溫度相圖，并指出La?Ni?O?在低壓區(qū)間表現(xiàn)出金屬行為，而非先前報道的絕緣體行為。隨著壓力增加，該化合物中的自旋/電荷密度波迅速被抑制掉，并在13.7GPa附近同時觀測到壓力誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相變以及超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的證據(jù)。研究還發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上的線性電阻行為和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力增加而逐漸被抑制，呈現(xiàn)出與銅基和鐵基高溫超導(dǎo)相似的性質(zhì)，揭示了超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)奇異金屬行為之間的緊密聯(lián)系。通過霍爾電阻的測量，他們還發(fā)現(xiàn)La?Ni?O?在發(fā)生結(jié)構(gòu)相變后顯著增加，表明高壓結(jié)構(gòu)相改變了電子結(jié)構(gòu)，促成了高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)。

　　袁輝球表示，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不但確認(rèn)了鎳氧化物高溫超導(dǎo)的存在，增強(qiáng)了人們研究鎳基高溫超導(dǎo)的信心，同時還為發(fā)展相應(yīng)的理論模型提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　中國科學(xué)院大學(xué)卡弗里理論科學(xué)研究所所長張富春教授認(rèn)為，袁輝球教授團(tuán)隊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地確認(rèn)了鎳氧化物的高溫超導(dǎo)，是鎳基超導(dǎo)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。中科院理論物理研究所的李偉研究員曾表示，他是看到了袁輝球教授團(tuán)隊的零電阻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后才確信鎳基高溫超導(dǎo)的存在，并著手相關(guān)的理論研究。論文審稿人指出：“首次觀察到零電阻是極為重要的，它為雙層鎳氧化物超導(dǎo)的存在提供了強(qiáng)有力的支持?！?/p>

　　該項(xiàng)目獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委和浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)研究的主要實(shí)驗(yàn)測量都在浙江大學(xué)完成，中山大學(xué)王猛課題組提供了La?Ni?O?單晶樣品。浙江大學(xué)物理學(xué)院博士生張亞楠和蘇大鈞為論文共同一作，浙江大學(xué)袁輝球教授和焦琳研究員，以及中山大學(xué)的王猛教授為共同通訊作者。

浙大團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)一個全新長壽基因

　　從《山海經(jīng)》中的“蓬萊島”到希臘神話中的“金蘋果”，人類對健康長壽的追求自古就有、從未停止。如何對抗衰老、延年益壽，也是科學(xué)界、醫(yī)學(xué)界的長期關(guān)注?？茖W(xué)家的最新工作顯示，昆蟲核基因組中存在與線粒體共進(jìn)化的基因，他們還成功地識別并精確鑒定出一個在動物中全新的長壽基因，該基因不僅能夠顯著延長昆蟲和線蟲的壽命，還對人細(xì)胞具有顯著的抗衰老能力。

　　北京時間6月4日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院沈星星課題組、黃健華課題組聯(lián)合中國科學(xué)院王四寶課題組，在《自然-衰老》(Nature Aging)上發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。論文標(biāo)題為“Identification of a longevity gene through evolutionary rate covariation of insect mito-nuclear genomes”?！巴ㄟ^全球壽命基因數(shù)據(jù)庫的比對，我們發(fā)現(xiàn)該長壽基因是國際上第8個具有廣泛延長動物壽命的新基因?！鄙蛐切钦f。

　　獨(dú)辟蹊徑，精準(zhǔn)識別“遠(yuǎn)程”操控線粒體的核基因

　　線粒體作為真核生物體內(nèi)至關(guān)重要的細(xì)胞器，主要負(fù)責(zé)細(xì)胞的能量供應(yīng)。隨著年齡的增長，動物(包括人類)的線粒體功能往往會逐漸衰退。鑒于線粒體與衰老、神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、心血管疾病以及腫瘤等多種疾病的發(fā)生緊密相關(guān)，如何保持線粒體功能的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。近年來，通過優(yōu)化線粒體功能來延長壽命的研究得到廣泛關(guān)注。

　　“一臺計算機(jī)的待機(jī)時間不僅與電池容量大小有關(guān)，也與CPU處理策略有關(guān)。那衰老是否不僅與線粒體本身有關(guān)，也會受到其他能夠?qū)€粒體產(chǎn)生作用的物質(zhì)的影響呢？”沈星星說，“與以往研究大多集中在線粒體本身不同，我們將關(guān)注放在與線粒體長期共同進(jìn)化的細(xì)胞核上，并結(jié)合進(jìn)化生物學(xué)、計算生物學(xué)、功能基因組學(xué)等多個交叉學(xué)科，系統(tǒng)性地挖掘出‘遠(yuǎn)程’操控線粒體進(jìn)化的核基因。”

　　研究團(tuán)隊通過分析公共數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，收集了472種昆蟲的核基因組和線粒體基因組。運(yùn)用共進(jìn)化算法，構(gòu)建了線粒體基因組—核基因組之間的共進(jìn)化全局圖譜(圖1)。通過對這一圖譜的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)有75個核基因，盡管它們不定位于線粒體，卻與線粒體基因展現(xiàn)出顯著的共進(jìn)化模式。這75個共進(jìn)的核基因表現(xiàn)出不同的功能，包括端粒維持、核糖體生物發(fā)生、線粒體功能和DNA修復(fù)，而這些功能都與生命衰老和疾病顯著相關(guān)?！拔覀兛梢詫⑦@種共進(jìn)化模式理解為，有兩輛汽車以相同的速度并行行駛在道路上，彼此的速度變化緊密同步，一方的加速或減速會立即反映在另一方上。”沈星星說。

　　為了驗(yàn)證這75個核基因的功能，團(tuán)隊選擇了其中4個基因(CG13220, CG11837, Nop60B和CG11788)，在果蠅體內(nèi)進(jìn)行了基因活性降低的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，與對照組相比，這四個基因的活性降低均導(dǎo)致了線粒體形態(tài)的異常變化。

圖1 構(gòu)建線粒體基因組—核基因組之間的共進(jìn)化全局圖譜

　　逆向思維，發(fā)現(xiàn)全新長壽基因

　　團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，CG11837基因不僅影響線粒體形態(tài)，它的活力還與動物的壽命長短存在顯著的正相關(guān)性。他們提出一個關(guān)鍵問題：改變CG11837基因的活力是否會影響動物的壽命？

　　于是，研究人員首先在褐飛虱、果蠅、斯氏按蚊和秀麗隱桿線蟲等六種不同的動物中進(jìn)行了基因敲降實(shí)驗(yàn)。令人驚訝的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，降低CG11837基因的活力均顯著縮短了這六種動物的壽命，縮短幅度在25%至59%之間(圖2a)。

圖2 長壽基因CG1183在多個物種中的功能驗(yàn)證

　　敲降基因會縮短壽命，那逆向思維，激活基因是否可以延長壽命？

　　為了深入探究CG11837基因是否具有延長壽命的潛力，研究人員又在果蠅和線蟲中進(jìn)行了該基因的過表達(dá)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，與對照組相比，這兩種動物的壽命均顯著延長，延長幅度達(dá)到12%至35%。

　　這一發(fā)現(xiàn)促使研究人員思考，該基因是否也能延長人類的壽命？于是，他們對人類離體細(xì)胞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激活CG11837基因能夠提升抗衰老能力30%(圖2c)?！斑@一系列研究證實(shí)了CG11837基因在動物中具有廣泛的長壽效應(yīng)?！鄙蛐切钦f。(圖3)

圖3 論文總結(jié)圖

　　對于這項(xiàng)研究，《自然-衰老》三位匿名評審專家均指出，“過去，大家一直關(guān)注線粒體或定位到線粒體的核基因與衰老關(guān)系，從而忽視了不在線粒體定位的核基因與線粒體的關(guān)系。該研究方法獨(dú)特且新穎，從線粒體基因組—核基因組之間的共進(jìn)化角度出發(fā)，打破了傳統(tǒng)思維上的局限，挖掘到功能非常保守的新長壽基因，對衰老研究領(lǐng)域具有非常重要的科學(xué)價值和實(shí)踐意義”。

　　除了重要的理論價值，這項(xiàng)研究在實(shí)際應(yīng)用層面有何前景？沈星星介紹道:“在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，該基因可以成為控制害蟲的新靶點(diǎn)，進(jìn)而減少對化學(xué)農(nóng)藥的依賴，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的綠色防控；在公共衛(wèi)生領(lǐng)域，可以通過干擾該基因表達(dá)來縮短蚊蟲等傳播疾病媒介的壽命，從而降低瘧疾、登革熱等傳染病的傳播風(fēng)險，為蚊媒疾病防控和公共衛(wèi)生安全提供新的解決方案；在人類健康領(lǐng)域，CG11837基因的激活可能成為延長人類壽命的新策略，未來可能會有基于CG11837基因的藥物和治療方法問世，為延長人類健康壽命和提高生活質(zhì)量提供新的可能?！?/p>

　　浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院博士生陶妹、博士后陳佳妮、醫(yī)學(xué)院研究生徐延?xùn)|以及中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心崔春來博士(現(xiàn)為華東師范大學(xué)研究員)為共同第一作者，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院沈星星研究員、黃健華教授、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王四寶研究員為共同通訊作者。此外，趙陽研究員、陳學(xué)新教授和徐素宏教授給予大力支持和幫助，潘榮輝研究員、祝增榮教授和陳云教授等也參與了本研究。

　　該研究受到了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃青年科學(xué)家(2022YFD1401600)、浙江省自然基金杰出青年項(xiàng)目(LR23C140001)、新基石研究員項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。

以上就是大學(xué)路為大家?guī)淼恼憬髮W(xué)科研團(tuán)隊在國際頂級刊物發(fā)表多篇有趣又重磅的科研成果，希望能幫助到大家！