本周，这所双非学校在Nature连下三城？

编者按：3月22日晚间，北京大学三项学术成果同时在Nature官网发表，上演了“帽子戏法”。几乎在同一时间段，地处深圳的南方科技大学也在Nature连发三篇论文。

作为一所成立仅仅十多年的“双非”高校，南方科技大学自带一种“特区气质”，改革创新，高歌猛进，每一个来到这里的科研人都带着一种使命感在分秒必争，砥砺前行。最近，不懈的努力终于结出了累累硕果，从3月20-22号，南科大有三篇Nature文章上线（分别由量子院俞大鹏院士、化学系刘心元教授、生科院刘晓天博士作为通讯作者），多点突破，全面开花，这是值得纪念的一周，也是值得每个南科人为之自豪的一周！

南科大俞大鹏院士团队

基于离散变量编码的逻辑量子比特突破盈亏平衡点

南科大刘心元团队

铜催化烷基胺的立体汇聚式N-烷基化反应

南科大张明杰团队、助理教授刘晓天

解析真菌细胞壁合成关键蛋白质机器的三维结构

南科大俞大鹏院士团队

基于离散变量编码的逻辑量子比特突破盈亏平衡点

在俞大鹏院士的带领下，深圳量子研究院超导实验室的助理研究员徐源课题组联合福州大学郑仕标教授、清华大学孙麓岩教授等团队攻坚克难，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域一举取得突破性重大实验进展。联合研究团队通过实时重复的量子纠错技术延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。这一里程碑式的突破代表了迈向实用化可扩展通用量子计算的关键一步，相关研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”为题，于2023年3月23日（北京时间）在线发表在国际顶尖学术期刊Nature上。

传统的量子纠错方案编码一个逻辑量子比特需要多个冗余的物理比特，不但需要巨大的硬件资源的开销，发生错误的通道数也会随着比特数的增加而显著增多，可能会呈现“越纠越错”的尴尬局面。虽然这种量子纠错方案已经有多个演示性的实验研究工作，可仍然无法解决量子纠错过程中“越纠越错”的问题，未真正实现超越盈亏平衡点。也就是说，量子纠错之后的效果还远没有达到该系统中不纠错情况下的最好值，无法真正产生正的量子纠错增益。这也成为当前量子纠错技术无法实用化可扩展发展的核心瓶颈。

图1. 量子纠错过程示意图

为攻克上述难题，联合研究团队利用微波简谐振子或玻色模式系统中的无穷维希尔伯特空间，实现量子信息的冗余编码与量子纠错。在超导量子线路系统中，基于玻色编码的量子纠错方案具有错误类型简单、错误探测方便、相干性能好、硬件更高效、反馈控制易实现等优点。本研究工作中，研究团队通过开发高相干性能的量子系统，设计和实现低错误率的错误症状探测方法，以及改进和优化量子纠错技术等实验手段，最终在玻色模式中实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特，并通过实时重复的量子纠错过程，延长了量子信息的存储时间，相关结果首次超过该系统中不纠错情况下的最好值，也就是突破了盈亏平衡点。这也是国际上首次通过主动的重复错误探测和纠错过程实现延长量子信息的存储时间超越盈亏平衡点，具有里程碑式的重要意义。

图2量子纠错操作的实验表征结果

本研究工作中，南方科技大学博士生倪忠初为论文第一作者。南科大量子院徐源助理研究员为论文主要通讯作者，清华大学孙麓岩教授、福州大学郑仕标教授为论文共同通讯作者，南科大俞大鹏院士为最后通讯作者。其他合作者包括南科大刘松副研究员、燕飞副研究员、邓晓玮助理研究员，中国科学技术大学邹长铃教授，北京量子信息科学研究院于海峰研究员和福州大学杨贞标教授等。南方科技大学量子科学与工程研究院为论文第一完成单位。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委和南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05784-4

南科大刘心元团队

铜催化烷基胺的立体汇聚式N-烷基化反应

南方科技大学刘心元团队报道了铜/手性三齿阴离子配体催化烷基胺的立体汇聚式N-烷基化反应，该方法可以在温和的条件下将各种工业原料胺、含胺药物分子甚至氨直接一步转化为非天然手性α-氨基酸衍生物，具有优秀的对映选择性和官能团耐受性。该反应实用性强：手性配体可以百克级大量合成且无需纯化，可以将复杂药物分子拼接合成孪药等。相关成果以“铜催化烷基胺的立体汇聚式N-烷基化反应（Enantioconvergent Cu-catalyzed N-alkylation of aliphatic amines）”为题，发表在Nature上。

手性胺在医药，农药和催化领域中具有广泛应用，手性胺的大量需求，使得不对称合成手性胺领域成为研究热点。Hofmann N-烷基化反应可以直接将廉价易得的工业胺合成更具价值的胺，是一种常用的高效合成高附加值胺的方法。

刘心元团队设想能否设计一种对过渡金属具有较强螯合能力的可精细调控的手性多齿阴离子配体，在解决烷基胺毒化金属铜的问题的同时，克服SN2背景反应的影响。在此基础上，通过课题组多种手性诱导催化模式，实现烷基胺的立体汇聚式 N-烷基化反应。基于上述设想，刘心元团队报道了铜/手性三齿阴离子配体催化烷基胺的立体汇聚式N-烷基化反应（图1C）。该方法可以在温和的条件下将各种工业原料胺、含胺药物分子甚至氨直接一步转化为非天然手性α-氨基酸衍生物，具有优秀的对映选择性和官能团耐受性。该反应实用性强：手性配体可以百克级大量合成且无需纯化，可以将复杂药物分子拼接合成孪药等。机理研究表明：反应经历了球外机制的机理，胺源无需去质子化直接进攻手性四元环过渡态中间体，解决了烷基胺去质子化困难及立体选择性控制的问题; 手性多齿阴离子配体的强螯合作用，是解决过渡金属催化剂毒化问题的关键所在。

图2. 反应条件的优化和配体放大

手性胺在医药，农药和催化领域中应用广泛，需求量大但合成策略有限。刘心元团队发展的铜催化的立体汇聚式N-烷基化反应简单高效，条件温和，底物兼容性广，实用性强，为医药研发及其他领域提供了一个有效实用的工具。

此研究工作南方科技大学为唯一通讯单位；陈继君，方家恒和杜炫毅为共同第一作者；董哲教授参与讨论和修改文章；刘心元教授为唯一通讯作者。该课题组所有研究项目都得到了国家自然科学基金委员会、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委、深圳市诺贝尔奖科学家实验室等项目的大力资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05950-8

南科大张明杰团队、助理教授刘晓天

解析真菌细胞壁合成关键蛋白质机器的三维结构

南方科技大学生命科学学院院长、讲席教授、中国科学院院士张明杰团队研究助理教授刘晓天与华中科技大学基础医学中心教授于洪军、副研究员张敏深度合作，解析真菌细胞壁合成关键蛋白质机器的三维结构，并揭示了抗真菌药物的全新潜在作用机制。相关成果以长文（research article）的形式发表在国际顶尖期刊Nature上，题为“Structural and mechanistic insights into fungal β-1,3-glucan synthase FKS1”。

β-1,3-葡聚糖是真菌细胞壁特有的核心组成成分，对多种致病真菌的生存能力发挥至关重要的作用。以破坏β-1,3-葡聚糖合成为目标而开发出的棘白菌素类药物自19世纪问世以来就成为临床上广泛使用的一线抗真菌药物。然而，真菌细胞壁β-1,3-葡聚糖的合成机理以及棘白菌素类抗真菌药物的作用机制，临床上广泛出现的耐药性来源等一系列问题，至今仍然困扰科学领域的发展，严重阻碍了靶向β-1,3-葡聚糖合成的新型抗真菌药物开发。

针对上述问题研究团队应用单颗粒冷冻电镜技术（Cryo-EM）解析了真菌β-1,3-葡聚糖合成酶FKS1的高分辨率结构（3.4埃），首次报道了其独特的分子全貌，揭示了其参与β-1,3-葡聚糖合成的关键元件。系统性的突变结合体内、体外的功能分析进一步验证了FKS1的催化合成和转运机制，并揭示了在多种致病真菌中保守的关键氨基酸位点。接下来，研究人员解析了临床上最常见的代表性耐药突变体FKS1-S643P的高分辨率电镜结构（3.5埃），结构比对分析发现该位点突变会引起耐药突变热点区域的Y638和F639发生明显的构象变化，并最终引起附近脂分子的重排，提示了一种耐药性产生的独特分子机理。

图1：FKS1三维结构示意图

本研究描绘了真菌葡聚糖合成酶FKS1的三维结构，成功阐释了其分子机制，鉴定了发生耐药性突变的关键氨基酸及其潜在的耐药机制，为今后研究以及开发新型抗真菌药物夯实了基础。审稿人一致对于此工作给予了高度评价，认为它是领域内的重要突破（major breakthrough in the field）。

于洪军、刘晓天、张敏为本文共同通讯作者，研究工作得到了南方科技大学生命科学学院助理教授闫凯歌、冷冻电镜中心吴静博士的大力协助。该研究得到了国家自然科学基金委基础科学中心项目、面上项目以及深圳市高层次人才团队等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05856-5