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导读

近日，上海有机所用机械力激活OSCA/TMEM63发现一种全新“蛋白-磷脂”离子孔道，大连化物所实现二维金属碲化物材料宏量制备，东华大学科研团队在智能纤维领域取得重要突破，南科大团队合作首次合成二维全有机钙钛矿晶体揭示其超低电子剂量有机官能团结构表征，以上相关研究分别在 Nature 和 Science 期刊发表。

Nature| 上海有机所用机械力激活OSCA/TMEM63发现一种全新“蛋白-磷脂”离子孔道

机械力信号在生活中无处不在，参与介导多种感知觉的形成，比如手指触摸书本产生触觉，声波传递到耳内引起震动产生听觉。这些机械力信号的感知与传导主要通过机械力敏感离子通道来完成。机械力信号能够激活这些通道，从而允许离子通过，将机械力信号转化为电化学信号，通过下游信号传导介导多种重要的生理活动。OSCA/TMEM63家族是目前已知的最大的一类机械力敏感离子通道家族，在植物和动物界中均承担着重要的生理功能，比如逆境响应、听觉、渴觉及湿度感知等1-5。然而，由于在结构解析的过程中模拟机械力环境非常困难，OSCA/TMEM63家族蛋白的机械力激活的分子机制尚不明确，是机械力通道研究领域的一大技术难点。下载化学加APP到你手机，收获更多商业合作机会。

2024年4月3日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心、生命过程小分子调控全国重点实验室张一小课题组联合澳大利亚Vitor Chang心脏研究所Charles Cox课题组以及澳大利亚国立大学Ben Corry课题组在Nature上发表了题为Mechanical activation opens a lipid-lined pore in OSCA ion channels的文章。研究团队通过将OSCA蛋白组装到纳米磷脂盘及脂质体中模拟机械力环境，捕捉到了OSCA蛋白激活态的三维构象，阐释了其机械力激活的分子机制，并发现了一种全新的有磷脂排列的离子孔道组成形式（图1），为机械力通道的研究提供了全新的范式，也为机械力感知异常相关药物研发提供了理论和结构基础。

图1. OSCA受机械力激活动态变化过程

本文的主要亮点包括：

1.通过多种不同的策略来捕捉OSCA蛋白激活态的三维构象；（图2）

2. 利用纳米磷脂盘发展了一种简单易用的“lipid titration”机械力模拟方法来进行“force-resolved” 的结构研究；

3. 实现了分子量小于200kDa的膜蛋白在脂质体中的高分辨三维结构解析；

4. 揭示了不同磷脂在OSCA机械力感知过程中的重要作用；

5. 发现细胞膜中的磷脂可以通过其headgroup形成“lipid wall”来参与离子孔道的组成；

6. 对结构相似的TMC1及TMEM16家族蛋白的分子机制研究有很大的启发。

在本文的研究中，作者首先尝试将OSCA1.2蛋白组装在纳米磷脂盘中（nanodiscs，由膜支架蛋白围成的磷脂双分子层小圆盘）并使用β-环糊精抽提其中的脂质来引起剩余脂质的扩张，进而在蛋白周围产生拉力环境。在冷冻电镜的结构解析过程中，作者发现蛋白颗粒高度动态，虽然能够观察到与关闭状态不同的构象变化，但是难以获取清晰的高分辨率三维结构，推测是与环糊精从每个nanodisc中抽取出来的脂质含量不同有关。此时，作者猜想， 如果从一开始组装nanodiscs的时候，就用不同量的磷脂来组装，这样更容易控制每个nanodisc中磷脂的含量，从而可能调节蛋白周围拉力的大小。通过这种“lipid titration”的方法，作者对蛋白构象变化进行了“滴定”，捕捉到了OSCA1.2单侧激活的构象。但是在这个结构中，有两根跨膜螺旋密度缺失，并且离子孔道面向细胞膜有很大的开口，因此无法确认离子通过路径。接下来，作者通过电生理实验验证了曲率变化可以激活OSCA蛋白，而在之前的研究中，肖百龙教授团队成功的用脂质体与蛋白之间的曲率错配来捕捉Piezo1蛋白在激活态的三维结构，提示了脂质体可以用于其他机械力通道的研究6。但是OSCA蛋白总分子量只有175kDa，并且大部分包埋在细胞膜当中，给结构解析带来了很大困难。作者通过样品的优化，成功将OSCA1.2组装到大小较为均一的脂质体中，并在inside-in的取向中捕捉到了OSCA蛋白完全激活的高分辨三维结构。通过结构分析和电生理实验，揭示了OSCA蛋白机械力感知的关键元件，以及发现二聚化对于稳定OSCA蛋白的激活状态十分重要。可是在此开放构象中，虽然所有的跨膜螺旋都被清晰的解析，但离子孔道仍旧向细胞膜侧有较大的开口。有意思的是，在电镜密度图中作者发现该开口刚好被一段由细胞膜磷脂组成的lipid wall所覆盖。结合分子动力学模拟和电子密度特征，作者发现该lipid wall主要由磷脂的head group构成，而电生理实验也发现改变head group的电性特征，会影响OSCA1.2的离子选择性，进一步支持这一全新的“proteo-lipidic pore”。同时，作者还在OSCA3.1蛋白中发现了多个稳定结合的lipids，结构研究和电生理实验均发现通过突变移除一个interlocking lipid能够引起OSCA3.1的自发开放，提示了磷脂在机械力感知过程中的重要作用。

图2. 通过不同的策略捕捉OSCA蛋白激活态的三维构象并发现新的离子孔道组成形式

总的来说，本篇文章中作者通过多种策略模拟机械力环境，结合冷冻电镜、电生理、分子动力学模拟等手段，首次揭示了OSCA/TMEM63家族蛋白在机械力激活状态下一种全新的“蛋白-磷脂”离子孔道组成形式。由于OSCA/TMEM63家族蛋白与介导听觉形成的TMC1机械力敏感通道及具有离子通道和脂质翻转酶活性的TMEM16家族蛋白在结构上具有高度相似性，该研究也对这些结构相似家族蛋白的分子机制有很大的启发。此外，该研究发展了新的基于nanodiscs的机械力环境模拟方法，同时扩展了小膜蛋白在脂质体中进行结构解析的可行性，为包括机械力通道在内的其他膜蛋白研究提供了新的思路。

中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生韩瑶瑶，澳大利亚Victor Chang心脏研究所博士后周子晶与澳大利亚国立大学博士后金瑞涛为本文共同第一作者。张一小研究员，Charles Cox教授与Ben Corry教授为本文共同通讯作者。上海科技大学孙亚东研究员，浙江大学杨巍教授、岳晓敏研究员，上海有机所生物与化学交叉中心陈忠文研究员以及本文其他作者也对做出了重要贡献。该工作得到了科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金海外优青项目、中国科学院上海分院青年英才培育计划、上海脑中心求索杰出青年项目及上海市科委的资助。

张一小研究员长期招聘细胞生物学、神经生物学、分子生物学和结构生物学方向博士后和科研助理，欢迎申请。对于优秀的博士后人选，将推荐申请中国科学院生物与化学交叉研究中心 “博士后独立PI培育”计划 （ https://www.ircbc.ac.cn/view.do?id=2747 ）。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07256-9

Nature|大连化物所实现二维金属碲化物材料宏量制备

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队，与中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院金属研究所成会明院士团队，以及北京大学康宁副教授团队合作，在二维过渡金属碲化物材料的宏量制备方面取得重要进展，为金属碲化物二维材料的物性研究与能源应用等提供了可能性。

二维过渡金属碲化物（TMT）是一类新兴的二维材料，是国际公认的基础性、前瞻性和战略性材料体系。TMT材料如WTe2和MoTe2，属于经典的量子材料，可以用于研究多种新颖物理性质。例如，WTe2具有极大的磁阻和拓扑非平凡相，MoTe2具有铁电和超导特性等。

目前，“自上而下”的方法通常被用来大规模生产纳米片，但该方法制备TMT纳米片存在插层反应能垒高、插层反应低效、剥离效率低、安全性差等问题。例如，球磨和液相剥离制备的纳米片具有亚微米横向尺寸和较差的可重复性，总体质量不高导致其应用受限。电化学插层剥离需要制备的电极为大块单晶或者将层状材料刮涂在导电衬底上，难以实现大规模制备。化学插层剥离涉及到有机锂作为插层试剂，但有机锂具有易燃易爆的性质并且需要在负压或者手套箱中操作，这对实验设备要求非常高并且不安全。因此，安全、可重复和可扩展的合成技术是将TMT纳米片从实验室推广到实际应用的技术瓶颈。下载化学加APP到你手机，收获更多商业合作机会。

本工作中，吴忠帅团队提出了一种固相化学插层剥离新方法，通过高温固相反应降低插层反应的活化能，创新性地筛选出了一种固相插层试剂——硼氢化锂，硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于实现高温固相插锂反应，克服了插层反应速度慢的问题，从而实现安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需短短10分钟，可宏量制备出百克级（108克）的碲化铌纳米片，与此前研究制备量均小于1克比，提升了两个数量级。重要的是，该方法具有普适性，此方法成功制备出了五种不同过渡金属的碲化物纳米片（MoTe2、WTe2、NbTe2、TaTe2和TiTe2）和十二种合金化合物纳米片，丰富了二维材料体系库，实现了材料功能化、定制化制备。此外，团队还观察到多种有趣量子现象，例如MoTe2纳米片具有依赖于厚度的金属-绝缘体相变，WTe2纳米片具有巨磁电阻和舒勃尼科夫-德哈斯效应等。

该工作制备出来的系列二维碲化物和合金化合物纳米片有望为能源化学、材料科学、凝聚态物理等的研究提供新的平台材料体系。值得注意的是，二维过渡金属碲化物纳米片具有良好的加工性能，可进一步加工成溶液、薄膜、丝网印刷墨水、3D打印器件、光刻的微型超级电容器等，研究团队进一步验证了该类二维材料在高性能量子器件、微型超级电容器、先进电池、能源催化、电磁屏蔽、复合材料等领域的重要应用潜力。

相关成果以“Metal Telluride Nanosheets by Scalable Solid Lithiation and Exfoliation”为题，于4月3日以长文（Research Article）的形式发表在《自然》（Nature）上。同期《自然》还以“Scalable, high-quality 2D telluride nanosheets for energy and catalysis applications”为题，在研究简报（Nature Brief）专栏中报道了该研究成果。

该工作的共同第一作者是中国科学院大连化学物理研究所博士后（已出站）张良柱和北京大学研究生杨子萱。该成果球差电镜表征部分工作得到了中国科学院大连化学物理研究所五室李名润研究员的支持。上述工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金委“六元环无机材料”基础科学中心项目、国家重点研发计划、国家博士后国际交流引进计划、中国博士后科学基金、上海市浦江人才计划等项目的资助。（文/图 张良柱、侯晓城）

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07209-2

Science| 南科大林君浩课题组合作首次合成二维全有机钙钛矿晶体，揭示其超低电子剂量有机官能团结构表征

2024年4月5日，南方科技大学物理系、粤港澳大湾区量子科学中心林君浩副教授课题组与香港理工大学应用物理学系讲席教授Kian Ping Loh、助理教授冷凯、助理教授殷骏团队合作，在二维全有机钙钛矿的设计、合成和结构解析方面取得重大突破，相关研究成果以“分子厚度的二维全有机钙钛矿（Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites）”为题发表在国际顶级期刊Science上。该成果突破了二维（2D）全有机钙钛矿结构难以稳定的难题，采用独特的配位策略成功合成多种二维全有机钙钛矿晶体，助力该领域发展，对丰富钙钛矿材料家族具有重要价值。

传统的钙钛矿材料在太阳能电池、光电器件、催化剂、铁电材料和量子材料等领域拥有广阔的应用前景。近年来，三维全有机钙钛矿材料的出现进一步丰富了钙钛矿家族，拓展了其潜在应用范围。然而，二维全有机钙钛矿的制备一直未见报道，主要原因是缺乏相应的设计原则和合成方法。二维全有机钙钛矿的设计面临电荷平衡和结构稳定两大挑战，这涉及到大阳离子A、小阳离子B和阴离子X的选择和位点匹配等问题。Kian Ping Loh团队提出了一种新策略，使用N-氯甲基-1,4-二氮杂环[2.2.2]辛铵（CMD+）作为A位阳离子，用NH4+占据B位点，PF6-占据X位点，同时在晶胞边心的间隙添加另一个NH4+作为E位点（图1）。CMD+可以与E位点的NH4+阳离子在横向和纵向都形成氢键，有效地平衡电荷，增强结构稳定性。具体来说，CMD+的氮原子孤对电子与NH4+形成N-H···N横向氢键，而相邻层的氯甲烷与NH4+形成N-H···Cl纵向氢键，从而通过形成NH4+-边[PF6]3[N]2[Cl]全有机八面体结构来稳定二维构型。研究团队还用BMD+阳离子替换CMD+阳离子，合成了CMD-N-P2和BMD-N-P2等一系列A2B2X4结构的二维全有机钙钛矿。下载化学加APP到你手机，收获更多商业合作机会。

图1. CL-v相2D全有机钙钛矿晶体的结构描述

为了直接证明这种全新的有机钙钛矿材料中各种分子以钙钛矿型结构组装排布形成纯有机晶格，需要进行原子分辨的实空间结构表征和元素检测。高分辨透射电镜是目前最为广泛的一种应用于材料原子结构表征和化学成分分析的技术。传统的透射电镜要获得高分辨率的图像，需要累积大量穿透样品的高能成像电子。举例来说，想要获得一张原子分辨率的扫描透射电镜图像，所累积的电子剂量通常高达数十万（105量级）电子每平方埃。因此，能够进行透射成像的样品通常被限制在那些能够耐受高能电子轰击的无机材料。显然，由轻元素共价连接成有机配体，再以脆弱的氢键连接形成的有机分子材料，并不属于能够承受电子辐照的材料类型。与生物材料一样，有机分子材料极易受到电子束诱导的损伤，快速出现不可逆的结构损坏。

图2. CL-v相2D全有机钙钛矿晶体的高分辨冷冻结构和元素表征

为了克服传统透射电镜无法应用于有机分子材料结构表征的挑战，林君浩团队拓展了有机晶体材料的冷冻制样技术和超低电子剂量的冷冻成像方法。鉴于有机分子发生辐照分解的强烈温度依赖性，团队首先利用冷冻透射电镜的液氮低温环境抑制分子热振动，提高电子束敏感材料的耐受剂量；然后，借助高探测效率的直接电子计数相机和精确的样品搜索方法，最大程度降低电子暴露；林君浩团队与华南农业大学副教授林芳团队合作，开发低剂量透射图像的滤波算法，对数据进行精细滤波处理。通过上述方法，团队最终实现了在约1.1个电子每平方埃的超低剂量下对二维全有机晶体的近原子级直接成像，在维持分辨率的同时比常规传统透射电镜原子成像需要的电子剂量降低了5个数量级，逼近单电子剂量成像极限。图2展现了全有机二维钙钛矿单晶通过共价键连接的有机基团，以及氢键驱动组装的完美立方钙钛矿晶体结构。电子能量损失谱测试证明了二维有机钙钛矿的化学组分。

图3. CL-v相2D全有机钙钛矿的介电性能和使用CMD-N-P2作为介电层的FET器件

由于层状特性，该二维全有机钙钛矿材料能够形成大面积的分子薄膜，并具有绝缘性质，其介电常数优于六方氮化硼等众多2D介电材料。CMD-N-P2和BMD-N-P2两种二维全有机钙钛矿薄膜的介电常数分别为4.86和5.53，展现了在柔性2D电子器件中作为介电层的潜力。为了展示CL-v相作为介电层的效果，香港理工大学冷凯助理教授团队通过干法转印技术将薄层CMD-N-P2或BMD-N-P2作为顶层栅介电层转移到MoS2上，使用Cr/Au金属作为源和漏极电极，制作了场效应晶体管。测试结果表明在不同Vds下测量的传输曲线显示出FET n型行为，当Vds为0.5 V时，开关比大于107，这足以符合104的实际逻辑电路标准。传输曲线中可忽略的滞后性说明全有机钙钛矿介电层和无机二维材料通道材料之间形成了良好的接触。此外，从传输曲线中提取出的低亚阈值摆幅为158 mV dec-1，低于通过原子层沉积生长的Al2O3。漏极电流-电压（Id-Vd）输出曲线在低偏压下呈现线性特性（图3）。

该工作提出了一种崭新构建二维全有机层状钙钛矿的设计策略，并成功合成了多种新型分子层厚的全有机二维晶体。这种不需要金属的二维全有机钙钛矿为钙钛矿材料开辟了一个全新的分支，为开发新型全有机二维钙钛矿材料提供了重要基础。此外，冷冻透射电镜（Cryo-TEM）在表征二维全有机钙钛矿晶体结构的过程中发挥了关键作用，为研究人员深入理解这种新型材料提供了重要支撑，开辟了生物冷冻电镜技术用于化学有机材料有机基团表征的全新领域。

香港理工大学博士后Hwa Seob Choi、博士后林均、南方科技大学物理系博士后王刚为本论文的共同第一作者，香港理工大学讲席教授Kian Ping Loh、助理教授冷凯和助理教授殷骏，南方科技大学副教授林君浩为本论文的共同通讯作者。该工作的开展和完成得到国家自然科学基金、“珠江人才计划”创新创业团队、深圳市高层次人才团队、深圳市高校稳定支持、深圳市重点实验室、粤港澳大湾区量子科学中心广东省量子科学战略专项等项目以及南方科技大学冷冻电镜中心的大力支持。

文章链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8912

Science| “不插电”的发光发电纤维 东华大学科研团队在智能纤维领域取得重要突破

4月5日，东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组在Science（《科学》）上发表了题为“Single body-coupled fiber enables chipless textile electronics”的研究论文。

该研究提出了基于“人体耦合”的能量交互机制，并成功研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维，由其编织制成的智能纺织品无需依赖芯片和电池便可实现发光显示、触控等人机交互功能，这一突破性成果为人与环境的智能交互开辟了新可能，具有广泛应用前景。

东华大学材料科学与工程学院博士研究生杨伟峰为论文第一作者，纤维材料改性国家重点实验室（东华大学）王宏志教授、侯成义研究员，以及东华大学材料科学与工程学院张青红研究员为论文通讯作者。该研究工作由东华大学作为唯一通讯单位主导完成，合作单位包括新加坡国立大学与安徽农业大学。

随着科技不断发展，智能可穿戴设备正逐渐成为我们生活的一部分，并在健康监测、远程医疗和人机交互等领域发挥着越来越重要的作用。相较于传统刚性半导体元件或柔性薄膜器件等，由智能纤维编织而成的电子纺织品具有更好的透气性和柔软度，被视为理想的可穿戴设备载体。目前，智能纤维的开发多基于“冯·诺依曼架构”，即以硅基芯片作为信息处理核心开发各种电子纤维功能模块，如信号采集的传感纤维、信号传输的导电纤维、信息显示的发光纤维、能量供应的发电纤维等。尽管这些功能单元可组合制成织物形态，但这种复杂的多模块集成技术还面临着一系列挑战。现阶段的智能纺织品仍依赖于芯片和电池，体积、重量和刚性大，难以同时满足人们对纺织品功能性和舒适性的需求。

（“人体耦合”智能纤维的工作机制及其与传统电子织物的对比）

该研究中，东华大学科研团队开创性地提出了“非冯·诺伊曼架构”的新型智能纤维，有效地简化了可穿戴设备和智能纺织品的硬件结构，优化了它们的可穿戴性。该工作实现了将能量采集、信息感知、信号传输等功能集成于单根纤维中，并通过编织制成不依赖芯片和电池的智能纺织品。

“不插电”就能发光发电的纤维，其中到底有怎样的奥妙呢？在我们的日常生活中，电磁场和电磁波无处不在，散布在环境中的这些电磁能量就是这种新型纤维的无线驱动力。而这些能量又是如何“传递”到纤维上面的呢？答案就是我们的身体。该工作提出把人体作为能量交互的载体，开辟了一条便捷的能量“通道”，原本在大气中耗散的电磁能量优先进入纤维、人体、大地组成的回路，恰恰就是这一“日用而不觉”的原理，促成了“人体耦合”的新型能量交互机制。在添加特定功能材料以后，仅仅经过人体触碰，这种新型纤维就会展现发光发电的“神奇一幕”。

（人体耦合电磁能量收集示意图）

“这款新型纤维具有三层鞘芯结构，所采用的均是市面上比较常见的原材料。芯层为感应交变电磁场的纤维天线（镀银尼龙纤维）、中间层为提高电磁能量耦合容量的介电层（BaTiO3 复合树脂）、外层为电场敏感的发光层（ZnS复合树脂）。原材料成本低，纤维和织物的加工都能够用成熟的工艺实现，已具备量产能力。”杨伟峰说。下载化学加APP到你手机，收获更多商业合作机会。

（触控发光纤维与织物、无线游戏操控的演示）

该工作还展示了这种基于人体耦合原理的智能纤维的几种应用：在不使用芯片和电池的情况下，实现了纤维触控发光、织物显示以及无线指令传输等功能。侯成义研究员表示，“这种新型纤维能够运用到服装服饰、布艺装饰等日用纺织品中，当它们与人体接触时，通过发光进行可视化的传感、交互甚至高亮照明，同时它们还能对人体不同姿态动作产生独特的无线信号，进而对智能家电等电子产品进行无线遥控。这些新颖的功能有望拓展电子产品的应用场景，甚至改变人们智慧生活的方式。”

（对智慧生活场景的展望）

创新成果的背后是对未知的执着追求和创新人才培养的不懈探索。“学科交叉融合是当前科研创新的新趋势，这项研究涉及到材料、信息、纺织等多个学科，在学生培养过程中我们一直坚持因材施教，根据学生不同兴趣，突出差异化指导，尤其是鼓励引导学生聚焦学术前沿，开展多学科交叉融合创新研究，这样才能产出更多具有突破性的成果。”杨伟峰的博士生导师张青红研究员说。

（先进功能材料课题组部分师生）

科研突破的取得更是长期积累的结果。据课题组组长王宏志教授介绍，东华大学先进功能材料课题组一直致力于智能纤维材料与器件的研究，从2012年研究石墨烯导电纤维开始，到2016年研发出电致变色纤维，再到2018年搭建成了首条电致变色和力致发电纤维生产线，实现连续化、规模化制备；随后，团队相继研发出可连续制备的传感纤维、发光纤维、调温纤维，……一系列成果为深化智能纤维领域研究奠定了基础。“下一阶段工作，我们将深入研究如何让这种新型纤维能够更有效地从空间中收集能量，并以此驱动更多功能，包括显示、变形、运算、人工智能等，相信在不久的未来，智能服装能做更多事，人会变得更加强大，对于环境也会有更好的适应性。”

同期，Science还邀请美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、麻省理工学院的专家对该成果进行了评述报道。该成果被认为有望改变人与环境以及人与人之间的交互方式，对功能性纤维的开发以及智能纺织品在不同领域的应用具有重要的启发意义。在基础研究方面，因为该智能纤维和纺织品能够在不干扰人们日常活动的情况下“不知不觉地”大规模采集身体触觉数据，因此能够更高效和便捷地收集人体与外界交互过程中的物理信息，这将有望影响人体物理交互研究用基础模型的发展。

全文链接https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk3755

来源：化学加综合上海有机所、大连化物所、南科大、东华大学