折叠过程

随着柔性电子产品的蓬勃发展对便携性、耐用性提出了更高的要去，因此折叠特性越来越受到关注。然而，这些产品的可折叠性取决于它们的旋转轴而不是电子材料，这极大地限制了它们的折叠方向和任意尺寸变化。为了满足未来柔性电子产品的各种折叠需求，能够实现任意重复真实折叠的导电材料是必要的，但很难获得。要实现上述折叠特性，首先要明确折叠（真折叠和伪折叠）的相关概念。真折是指压下折痕，使弯曲的两部分完全贴合。而伪折叠通常在折痕处打开。真折叠的最大应力可能比伪折叠大几个数量级。近年来，尽管研究人员已经付出了巨大努力来研究各种导电材料（如石墨烯、碳纳米管和MXene等）的组装和灵活性，但目前所有组装的导电材料仍然无法承受多次真实折叠而且折叠次数也通常以结构损坏为代价。鉴于此，同济大学吴庆生教授、吴彤研究员和上海师范大学万颖教授首次使用改进的静电纺丝/碳化技术成功设计并制备了一种超级可折叠导电碳材料（SFCM）。它可显着承受1,000,000次重复真折叠而无结构损坏和导电性波动。通过实时SEM折叠观察和机械模拟揭示了这种性能突破的根源。其具有适当孔隙、非交联连接、可滑动纳米纤维、可分离层和可压缩网络的结构可以协同作用在真折叠下的折痕处产生ε状折叠结构，通过凸起的层、分散的弧线完全分散应力，以及ε中的可滑动凹槽。因此，当整个材料真正折叠时，每根纳米纤维都避免直接面对180°折叠。这项工作体现了结构创新、性能突破和机制揭示，具有重大的科学意义和应用前景。相关工作以“A biomimetic conductive super-foldable material”为题发表在国际顶级期刊《Matter》上。SFCMs的制备和表征作者采用仿生定向场控静电纺丝技术制备生茧状聚合物结构，同时协同控制静电纺丝的参数。原位梯度-温度反应-保持技术与卷取过程一样，通过控制多级聚合物热解同时完成造孔、解结和层膨化，从而成功制备了SFCMs（图1）。SFCM的SEM图像显示其结构是由碳纳米纤维编织的多层网络。纳米纤维是直的、光滑的、多孔的，直径为200 nm，长度为毫米级，纵横比超过10,000。纳米纤维是逐层堆叠的但彼此之间没有粘连（图2）。非交联的编织层网络可以形成一个完整的应力传递和分散系统。这些微观结构特征与超柔韧的切茧高度相似。此外，SFCMs具有良好的导电性，在-1~ 0 V范围内具有稳定的电化学窗口，这对于超级可折叠的储能设备很有希望。图1 SFCMs的仿生合成图2 SFCM的结构表征超级折叠属性和机制作者设计并安装了一个设备对各种材料进行了大量折叠测试（图3）。平行实验表明，在整个折叠周期从1到1,000,000次，SFCMs的纳米纤维都完好无损，电导率没有明显波动，内侧只出现两个微槽，这是由于纳米纤维滑动造成的。外侧几乎没有结构变化。此外，进行不同形式的折叠，所有 SFCM 都可以保持结构完整性，甚至在展开后自动迅速反弹，这为超级可折叠性提供进一步支持。当 SFCM 完全折叠时会形成光滑的ε状结构。局部结构的放大观察表明所有纳米纤维都是无损伤的，这可能与它们在折叠过程中的上述结构调整密切相关。当SFCMs的厚度达到100 mm时，它们仍然可以通过形成ε折叠结构来保持超折叠性能。图3 SFCM 的超折叠特性以及与典型对照样品的比较除了弯曲（折叠），柔性指标还包括滚动、扭曲、拉伸和压缩，它们可能对超折叠性起到辅助作用（图4）。扭转和滚动测试表明SFCM没有纳米纤维损坏。在拉伸性能方面，SFCMs的应力-应变曲线表现出显着特征。在压缩测试中，SFCM 厚度的99.3%恢复可以在将压力逐渐增加到10 MPa后保持，结果反映了它们的高强度和弹性，这也有助于柔韧性。这些力学性能为并为超级可折叠性提供强有力的支持。图4 SFCM 折叠以外的灵活性特征SFCM的超折叠机制源于折痕处的ε折叠结构，其中包含三个典型区域：(1) 由层间分离和纳米纤维滑动引起的凸起层可以减少沿层的应力。(2) 由折痕正中层的凸起和凸起两侧的层的压缩所带来的两条分散弧，避免形成应力集中的0内角。(3) 由纳米纤维滑动引起的两个折叠微槽，垂直对应于两个分散弧的内部，可以分散厚度方向的应力。这三种协同的微观结构变化有效地分散了各个层次和方向的应力，实现了超折叠性（图5）。此外，对一些微观结构不满足超折叠性的要求的材料（如rGO膜、碳布以及织物等）折叠特性的研究间接支持了该原理。图5 折叠与相关材料对比小结：作者通过改进的静电纺丝/碳化技术制备了具有层状纳米纤维网络结构的超级可折叠导电碳材料。在折叠机上多次真实折叠过程中观察它们的结构变化和电导率波动来研究它们的超级折叠特性，并通过实时SEM折叠观察和机械模拟揭示了超级折叠机制。更重要的是，还根据这些结果总结了超折叠材料的构建原理，对制备其他超折叠材料具有重要的指导意义。全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238521003921

使用沃特世公司SYNAPT High Definition质谱系统， 利兹大学就所获得的结果发表文章 沃特世（Waters® ）公司(股票代码NYSE: WAT) 2007年12月3日宣布利兹大学爱斯布理Astbury结构分子生物学中心使用最近购买的沃特世公司SYNAPT High Definition MS™ (HDMS) 质谱系统，在Journal of the American Society of Mass Spectrometry (JASMS) 美国质谱协会杂志上发表了蛋白研究的成果。 Ashcroft实验室正在使用SYNAPT® HDMS质谱系统研究生物分子功能。在2007年12月刊的一篇文章中，利兹的研究人员描述了对几种蛋白，如细胞色素C和贝塔-2-微球蛋白，的成功分离和分析，Ashcroft希望该成就可以通向对某些生物过程的完全了解，如淀粉纤维形成，细菌纤毛集结以及病毒衣壳的装配，这些过程都与衰老症有关。 蛋白质被人体小心地折叠，经三维长链分子装配而成。当正确地被折叠时，蛋白调节正常身体功能。当某些蛋白被折叠成特殊形状而变成错误折叠时，引起一系列反应，可导致自身聚集和淀粉纤维形成，因此一些高发疾病可能发生，包括老年痴呆症，疯牛病和帕金森氏综合症。在利兹大学，Alison Ashcroft艾利森艾斯克劳福特博士和她的同事Sheena Radford诗娜拉德福德教授就是研究这样一种蛋白，贝塔-2-微球蛋白，试图探索它是如何形成纤维，在透析病人的关节聚集，并与透析相关的淀粉样变性病有关。对这些过程在分子水平的完全了解将有助于治疗方法的设计。 新型质谱为生物学研究带来新领域 作为工具，常规质谱是区分不同质量蛋白质的优秀方法。然而，一个特定蛋白的不同构象或不同的折叠形式具有同一质量数，使用常规的方法是无法区分开来的。这就是沃特世公司SYNAPT HDMS质谱系统和镶嵌其中的离子淌度技术帮助利兹大学的方式。 “一个蛋白可以折叠成紧密的三维结构，或者在某些条件下，蛋白可以打开成伸展的结构。即使这些三维结构拥有相同的质量和质荷比(m/z)，SYNAPT HDMS的离子淌度功能可以分离这些蛋白，并告诉您多少蛋白在折叠的形式而多少在非折叠的形式。而且，由于两种蛋白构象的横截面积不同，因为能够基于形状分离，SYNAPT HDMS质谱系统使我们能够区分各种不同的蛋白形状。 ”结果确实令人惊奇。”Alison Ashcroft艾利森艾斯克劳福特博士说，她是生物分子质谱研究员，质谱室主任。 来自沃特世公司的SYNAPT 质谱系统为实验室带来研究聚集过程的新的洞察力。“它为我们的研究提供新一维的空间。我们现在可以对原始状态的蛋白质定量，也可对非折叠或部分折叠的蛋白进行定量。我们也可以监测某种特定的蛋白构象在聚集过程被消耗。这为生物分子在分子水平如何工作提供了重要的新层面。”艾斯克劳福特博士补充道。 沃特世公司于2006年6月在美国西雅图美国质谱年会上推出SYNAPT HDMS质谱系统。它是第一台商业化的，在质量之外，基于尺寸，形状和电荷数分析离子的质谱。 一个管理万亿字节科学数据的决策 在生物技术和生物科学院(BBSRC) 和维尔康姆信托的资助下，艾斯克劳福特实验室拥有五台不同形式的质谱仪器，而管理其产生的数据是一个巨大的挑战。为了更有效地管理数据文件，该实验室选择沃特世公司NuGenesis Scientific Data Management System (SDMS)科学数据管理系统。 “每天在DVD上备份数据已经不需要了。科学数据管理系统SDMS 每天一次从五台质谱仪上将数据自动备份，我们的研究生和博士后可以直接从他们办公室的计算机上看到数据。存档文件对我们很重要，因为政府资助部门要求我们自建成之日起存储五或十年的数据。研究生花四年的时间拿到博士学位，所以他们需要四年或更长时间查看数据，特别是如果在拿到博士学位后要写文章” 艾斯克劳福特博士评论道。 “非分析化学背景的人们认为一台质谱就是一个复杂的称重机器。通常他们没有意识到使用这台仪器可以看到蛋白功能和行为。但是当他们发现了之后，会感到无比惊奇。”艾斯克劳福特博士说。 艾斯克劳福特博士在美国质谱协会杂志的文章全文参考: Monitoring co-populated conformational states during protein folding events using ESI-IMS-MS, D. P. Smith, K. Giles, R. H. Bateman, S. E. Radford,A. E Ashcroft, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2007 Dec 18 (12): 2180 – 90, DOI:10.1016/j.jasms.2007.09.017 文章再版要求请寄至A. E. Ashcroft 博士, Astbury Centre for Structural Molecular Biology, Astbury Building, Faculty of Biological Sciences, University of Leeds, Leeds LS2 9JT UK，或发电子邮件email: a.e.ashcroft@leeds.ac.uk 关于利兹大学生物科学系，请浏览(http://www.fbs.leeds.ac.uk/) 利兹大学的生物科学系是英国最大的生命科学研究团体之一，拥有将近一百五十名学者和四百多名博士后和研究生。该系目前活跃的研究基金约六千万英镑，资助者包括慈善，研究院，欧盟和企业。该系拥有杰出的研究成果，在上一期政府研究评价检查(HEFCE)中，所有主要评估项目均获得第五级。 关于利兹大学爱斯布理Astbury中心， 请浏览(http://www.astbury.leeds.ac.uk/) 爱斯布理Astbury结构分子生物学中心是利兹大学一个跨学科研究中心。成立该中心的目的是在结构分子生物学的各个领域从事国际水平的研究课题。Astbury中心汇集了五十多位来自利兹大学各学科的学者，拥有共同的学术兴趣。该中心以 W.T.Astbury 的名字命名，他是生物物理学家，在利兹大学长期从事科学研究(1928-1961)，工作期间在该领域成立了多个基金会。 艾利森艾斯克劳福特博士，(http://www.astbury.leeds.ac.uk/facil/mass.htm) 是生物分子质谱研究员，利兹大学，生物科学系，爱斯布理Astbury结构分子生物学中心质谱室主任。她的研究着重于开发和使用质谱方法探索生物分子功能。 诗娜拉德福德教授，(http://bmbsgi10.leeds.ac.uk/)，是利兹大学，生物科学系，爱斯布理Astbury结构分子生物学中心结构分子生物学教授。她的研究着重于蛋白质折叠，非折叠和聚集机理。 生物技术和生物科学研究院(BBSRC) (www.bbsrc.ac.uk)是英国生命科学资助机构。 政府投资的生物技术和生物科学研究院BBSRC 每年在很大范围的研究领域投资三亿八千万英镑，为英国国民的生活质量做出突出贡献。 维尔康姆信托(www.wellcome.ac.uk)是英国最大的慈善机构。它资助英国国内和国际创新生物医学研究，每年投资额在五亿英镑左右。 (Waters, SYNAPT, High Definition MS, High Definition Mass Spectrometry, NuGenesis 和 HDMS 是沃特世公司商标。)

“嘭！”“发射正常！”“机翼尾翼展开正常！”“螺旋桨最大功率推进！”“姿态改平正常！”“开始巡航！”“到达目标上空发现目标！”“目标锁定成功！”“完成打击！”。伴随着这一连串的指令，西北工业大学无人系统技术研究院副研究员昌敏负责的大仰角弹射长航时“游隼”管射折叠翼无人机（以下简称“游隼”长航时折叠翼无人机）捷联图像末制导闭环试验成功。管射折叠翼无人机是近年来兴起的新型巡飞与精确制导装备。由于考虑便携性和灵巧性，管射折叠翼无人机采用储存、运输、发射一体，发射管的有限空间约束极大限制了无人机机翼尺寸，从而影响了折叠翼无人机气动性能，是一门“螺蛳壳里做道场”的艺术。昌敏说：“单次折叠的串列翼布局是国际上主流的折叠翼无人机布局形式。”经过长期研究，昌敏团队发现串列翼布局对于有限尺寸的发射管来说，机翼面积更大些。但是受发射管长度限制，机翼展弦比不高。而且随着攻角的增加，串列翼布局的前后翼远距气动耦合诱导阻力增加得很快，串列布局的折叠翼无人机最佳升力系数不高，升阻比也较低，并且很难再有所提高，这意味着飞行器平台的飞行性能被这个天花板牢牢压制，因此这就成为了折叠翼无人机技术发展的瓶颈。在日以继夜的分析试飞数据和反推动力学模型后，团队发现多次折叠方案中“Z型折叠”总体上能够满足设计要求，但是其技术资料极少，其核心是高动态变体结构的气动、结构和动力学精确建模与预报技术。终于在团队不断攻关下，成功提出了“气动-结构协同的大展弦比折叠翼无人机设计技术”，首次将我国“由陆到空”“由海到空”折叠翼无人机升阻比大幅提升，将我国巡飞平台的气动性能提上了一个新的平台。在成功完成大展弦比折叠翼无人机设计后，昌敏团队又将目光投向了海空跨域飞行。由陆到空、由海到空是折叠翼无人机的主要跨域路径，而基于海面、陆地的高仰角发射飞行是约束折叠翼无人机使用范围的技术瓶颈。研究团队通过探明折叠翼面瞬时变体中的力系生成机制，揭示了变体几何布局-动力拓扑-气动力系架构-高仰角起飞瞬时转弯等时变耦合机理，突破了水面摇晃态垂直发射气动力系拓扑结构变体重构技术，实现“游隼”长航时折叠翼无人机国内首次深水释放、水面漂浮垂直冷发射无人机自主飞行验证与首次电动后推螺旋桨陆地垂直冷发射折叠翼无人机自主飞行验证。“游隼”长航时折叠翼无人机在陆地大仰角发射过程与末制导过程（西北工业大学供图）

近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授、宋清海教授课题组，提出一种基于像素编码的片上数字型超构透镜，因其灵活的设计自由度而具备强大的光场调控能力。该工作以折叠级联的方式构建了高度紧凑的色散元件，结合重构算法实现了片上集成的高分辨率光谱仪。文章提出的数字型超构透镜可显著提升面内光束聚焦、准直和偏转能力。所设计的级联折叠型超构透镜组能够很好地解决传统色散光谱仪尺寸和分辨率互为矛盾的问题。结合重构算法，该器件以100 μm ×100 μm的紧凑尺寸在近红外波段超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率，并且可以完成任意光谱的重构和解析。该光谱仪完全通过标准硅光工艺制造，在系统级集成和CMOS兼容性方面具有优势。所提出的超构透镜结构还可移植到氮化硅或其他光子集成平台，以轻松扩展到可见光或中红外波长等波段，为成像、光学计算等其他应用提供有力的光场调控方案。该研究成果以“Folded digital meta-lenses for on-chip spectrometer”为题于2023年4月11日在线发表在《Nano Letters》上。随着物联网、消费电子等应用领域的不断发展，对光谱仪的小型化提出了更高的要求。近40年里，光谱仪的微型化技术经历了从基于分立器件技术到集成光学技术的发展，逐渐趋于低成本和片上集成化。近年来，受到自由空间超构表面波前调控的启发，基于超构波导的一些平面内衍射光网络正在成为片上光波操纵的有力工具。目前已报道的片上超构系统都是基于各单元长度不等的传输阵列，结构规则简单但设计自由度受限，导致系统集成度和功能的局限性。如何突破设计自由度的限制，是提升片上超构表面光场调控能力以及拓展应用的关键。借助超构表面强大的光学操控能力，有望突破传统片上光谱仪分辨率和器件尺寸相互制约的矛盾。为了解决设计自由度受限的问题，文章提出了一种基于像素编码的数字型超构表面。基本思想为求解超构表面目标相位分布。为降低算力消耗，我们将目标区域划分为多个单元，通过逆向设计对每个单元图案分别进行编码，在平面任意区域实现任意相位响应。与数字型超构波导在局部区域内的原位控制不同，本文提出的数字型超构表面可以整体操纵面内波衍射及其在整个平板区域内的传播。这种特性使该结构能够设计连续大相位梯度的高色散数字型超构透镜，允许光束在紧凑的尺寸内实现聚焦、准直和大角度弯曲等类似几何光学透镜的功能。具体设计原理如图1所示。图1. 基于数字型超构表面的超构透镜逆向设计原理。(a)超构透镜在1550 nm处的光弯曲 (θ=45°)和聚焦(f = 19.5 μm)的射线光学演示。(b)透镜的理想相位轮廓曲线(φ)，可视为45°弯曲相位曲线 (φ1)和聚焦相位曲线(φ2)的叠加。I:计算的绝对相位，II:对应的菲涅耳相位。(c)每个单元的优化器件图案和对应的理想相位曲线(φ)。(d) 计算出的理想相位掩模（黑色实线）与所设计超构透镜的模拟相位响应（红色虚线）之间的比较。(e)所设计单个超构透镜的模拟光场分布。(f)模拟超构透镜的焦点AI不同波长下沿x'轴的偏移。插图为不同波长下焦点的横截面光场分布图。要实现更高的波长分辨率，需要累积色差和增加光程。为了验证设计效果，本文设计并制备了一种基于五层折叠超构透镜的光谱仪，器件尺寸仅为100 μm×100 μm。该器件的模拟光场和实测结果如图2所示。图2(a)中的五层超构透镜功能不同，透镜I用于准直扩束输入光同时转折光路，透镜II-IV则承担着累积色散和波长分束的作用。受到读出波导间距的限制，此时该器件直接读出的分辨率约为1 nm (图2(d))。为了进一步提高光谱仪性能以及器件的制备容差，在色散分光的基础上引入了光谱重构算法。图2. 基于五层折叠超构透镜的光谱仪。(a)五层折叠超构透镜光谱仪在1550 nm处的模拟光场分布。(b)器件尺寸为100 μm×100 μm的光谱仪显微镜图像。插图:超构透镜和输出波导阵列的局部电镜图像。(c)器件实测的输出强度与输入波长的映射图。(d)两个相邻输出通道11和12的透射光谱，通道间距约为1 nm。(e)谱相关函数C(δλ)的半高半宽δλ为0.108 nm，与光谱仪的估计分辨率相对应。为了体现光谱仪的性能，构造了几种不同类型的预编程光谱来测试光谱仪的性能。重构光谱见图3。结果表明，结合重构算法后，该光谱仪的光谱分辨率提升至0.14 nm(图3(a))，整体工作带宽覆盖1530 nm-1565 nm，且性能在边带依旧保持稳定(图3(c))。此外，对于同时具有宽高斯背景和窄带单峰特征的复杂频谱(图3(d))，本文提出的片上光谱仪依旧能与商用光谱仪保持良好的一致性。图3. 使用基于五个折叠超构透镜的片上光谱仪进行光谱重建（实线表示重建光谱，虚线表示商用光谱仪测试结果）。(a)两条相隔约0.14 nm的窄光谱线的重建光谱。(b)距离约20.61 nm的双峰重建光谱。(c)在工作带宽上分别重建7处不同波长的窄带光谱。(d)宽带光源入射的重建光谱。此文提出的基于数字型超构透镜的片上光谱仪在超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率。整体尺寸仅为100 μm ×100 μm，最小特征尺寸为120 nm，可通过标准硅光工艺大规模制造。该设计方案具有可移植性，使用氮化硅或其他集成平台，基于超构透镜的光谱仪可以扩展到可见光或中红外波长。目前器件的数据读出依赖于片外功率计，可以通过集成片上光电探测器阵列来改善。此外，片上数字型超构透镜作为一种功能强大的片上光场调控器件，在成像、光计算等领域也有应用潜力。

p style=" text-indent: 2em margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 经过多年的研究攻关，我国科学家在世界上首次实现了原子级精准控制的石墨烯折叠。这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠，对构筑量子材料和量子器件等具有重要意义，这一成果今天（6日）在国际学术期刊《科学》上发表。 /p p style=" text-indent: 2em margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 探索新型低维碳纳米材料及其物性是世界前沿的科学问题之一，相关研究曾两次获得诺贝尔奖。目前在单原子层次上精准构筑和调控基于石墨烯的低维碳纳米结构仍存在巨大挑战。中国科学院物理研究所的研究团队首次实现了对石墨烯纳米结构的原子级精准按需定制的可控折叠，构筑出一种新型的准三维石墨烯纳米结构。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 194px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/6c45d639-a4af-4ecb-8ae2-315a94ab2409.jpg" title=" 11.png" alt=" 11.png" width=" 500" height=" 194" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 550px height: 125px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/1ed31027-76c9-4f90-bfe0-2c48012aad5a.jpg" title=" 22.png" alt=" 22.png" width=" 550" height=" 125" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 193px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/be39c92a-43c7-4e00-831c-778c162810ab.jpg" title=" 33.png" alt=" 33.png" width=" 500" height=" 193" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 2em margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " 据了解，该研究成果是目前世界上最小尺寸的石墨烯可控折叠，高鸿钧院士讲到，经过折叠，这些新型的二维原子晶体材料，有可能由没有超导特性变为有超导特性，由无磁性变为有磁性，利用这些特性变化，可以去构造功能的量子器件，如量子计算等，对未来应用具有重要意义。 /p

2006年，国际两家光电子杂志Laser Focus World和Photonics Spectra的编辑曾分别主动在世界技术新闻专栏中特别介绍了复旦大学陈良尧教授课题组研发的多光栅二维折叠光谱技术，认为该技术的创新原理和方法将能够被拓广并应用于更具挑战性的高效率光谱获取和分析领域，以及推广到中远红外光谱分析领域。 　　上海市计量测试技术研究院的资深光学科学家袁海林教授也曾评论到，&ldquo 采用多光栅结构对成像光谱进行高密度折叠，在很宽的光谱区内实现高分辨率、快速和长时间可靠测量，将会成为现代光谱仪设计中一个主流技术和发展趋势&rdquo 。 　　究竟是怎样的技术让国内外一片赞誉之声?为了寻求答案，近日仪器信息网编辑采访了多光栅折叠光谱仪技术的研究者&mdash &mdash 复旦大学陈良尧教授。 复旦大学 陈良尧教授 　　&ldquo 原理性创新&rdquo 　　光谱分析仪器在科学研究和工业领域有着广泛的应用，为满足应用需求，国际上已经发展了各种类型的光谱分析原理和方法，其中最主要的是采用棱镜和光栅等光学色散元件，结合高灵敏度探测器对各种光谱(如反射、透射、吸收、散射、椭圆、荧光、拉曼等光谱)进行测量和分析。但受到光电探测器光谱响应、光栅色散和机械扫描等因素的制约，只能被迫在光谱工作区宽度、分辨率和速度等参数之间做出妥协，从而严重影响和限制了其在许多重要领域的应用。这是国际学术和产业界长期未能解决的瓶颈和难题。 　　&ldquo 传统的光栅光谱仪需要使用机械装置对色散元件进行位移和旋转，这将限制测量速度的提高，而且机械转动部件的定位精度低，可靠性差，容易在操作过程中发生故障 另外，由于国内机械加工水平所限，使得国产光栅光谱仪的机械部件精度和可靠性不高，从而影响了光谱仪的整体性能水平，&rdquo 陈良尧说，&ldquo 另外，一块光栅难以覆盖全光谱范围，衍射效率为非均匀性分布，在其光谱衍射工作区的两端效率较低，影响了仪器的信噪比质量。&rdquo 　　在长期的光谱分析研究中，为克服传统仪器的这两方面局限性困难是陈良尧当初决定研发&ldquo 多光栅折叠光谱分析仪&rdquo 的原因，他希望能够研制出一种没有任何移动部件、光谱工作区宽、测量速度快的光谱仪。基于这一想法，陈良尧于90年代末开始&ldquo 多光栅折叠光谱分析仪&rdquo 的研制。&ldquo 这是原理和方法的创新，并非是&lsquo 阳春白雪&rsquo ，它的物理概念清楚，技术可靠，易于普及推广，只不过很多人没朝这方面去想。&rdquo 　　但是，当前光谱仪技术可以说是非常成熟了，再要尝试原理性创新，可能并不像陈良尧说的那么容易。在10多年时间的持续研究努力中，陈良尧教授经历了很多，如最初虽有设想，但缺少研究经费支持，在市场上也买不到现成的关键元器件，业内对这类极具应用前景的新原理和新技术的认识也不统一等等。不过，&ldquo 梅花香自苦寒来&rdquo ，2012年，最终实现的研究成果被选为国家自然科学基金&ldquo 十一五&rdquo 优秀成果。至今已经推出了多种可供实用的样机，集成组合的光栅数也由最初的3块增加到了10块。日前，陈良尧教授的&ldquo 极高密度二维折叠光谱成像装置&rdquo 课题入选了2014年高校自然基金国家重大科研仪器研制项目。 已研制完成的二维折叠光谱分析仪的整体外形图，250mm焦距，优于0.1nm光谱分辨率，全谱测量时间小于0.1s，重约8.9公斤。 　　多光栅折叠光谱仪采用了时间并联模式的快速光谱信号获取的新原理和方法，利用二维面阵探测器的优点，在一台光谱仪中，同时满足宽光谱区、高分辨率和快速测量的三项关键功能要求。在10光栅二维折叠光谱分析仪中，是将具有不同闪耀角和色散特性的10块子构成一个光栅阵列，克服了面阵CCD信号接受面的张角限制，在200-1000nm光谱区将一维约276mm光谱探测区的近2万个光谱数据点进行二维10重折叠，快速成像在二维面阵探测器的焦平面上。由于无任何机械位移部件，使得最小的光谱获取时间仅受限制于将光谱从CCD传输到数据存储器件所需要的时间，实现了全光谱高精度快速测量和分析。 　　&ldquo 所有用到光谱测量分析的地方都可以用&rdquo 　　&ldquo 多光栅光谱是通用型光谱仪，所有用到光谱测量分析的地方都可以用，如可以应用于食品环境等领域的科研与日常检测，而且未来完全可能替代常见的紫外、红外等光谱分析仪器。&rdquo 陈良尧对多光栅光谱仪的应用前景非常乐观，&ldquo 随着高性能低成本面阵光电探测器的普及，二维折叠光谱将成为主流光谱分析技术在更多领域实现推广应用。&rdquo 　　&ldquo 而且，由于改进了传统光谱仪的一些不足，使得该仪器可以用于一些极端条件检测。&rdquo 例如：由于无任何机械转动部件，多光栅光谱仪的全谱扫描速度最快能达几毫秒至数十毫秒，所以在清华大学等离子体实验室中，能利用它在真空条件下对等离子体原子谱线进行原位全谱检测分析，在相同的实验条件下，对各种原子态谱线进行比较分析，获得较为可靠的实验数据和结果。&ldquo 并且，等离子体实验室还希望通过合作，研究该技术在真空紫外条件下的应用。&rdquo 　　多光栅光谱仪既可以作为一种标准配置的光谱仪独立使用，也可以成为一个载体&mdash &mdash 作为光谱分析仪器的核心部件，可以极大简化分析仪器的结构。&ldquo 光谱仪是光谱分析仪器的&lsquo 心脏&rsquo ，目前很多国产光学分析仪器采用的还都是传统扫描型光谱仪，如果多光栅光谱仪能够得到普及，将会显著促进国产光谱仪器的更新换代。&rdquo 　　&ldquo 探测器技术与成本亟待突破&rdquo 　　&ldquo 目前在10光栅集成的仪器中，使用的是美国PI公司的CCD面阵探测器，单价在7万美元左右。高性能光电探测器依然是限制我国先进光谱分析技术发展的瓶颈，也是成本无法降下来、难于大规模普及的主要原因。&rdquo 不过，陈良尧也高兴地说到，已有国内企业正从海外引进新一代CMOS光电传感器技术，&ldquo 我们将会成为他们产品的第一批实验室用户。&rdquo 　　另一个关键元件&mdash &mdash 光栅则可以根据具体需求，既可以购买进口产品，也可以选择国内生产的。&ldquo 我们已经在国内找到一家企业，可以研制和生产出我们所需的光栅和其他光学器件。&rdquo 　　对于下一步研发方向，陈良尧介绍到，&ldquo 当前最重要的是把研究项目做好，并努力将这一技术应用到不同领域 另外，组合的多光栅模块本身也可以成为一个产品，现在的组合光栅的方位角还需要人工调试，未来希望能够采用自动化激光准直技术，研制出已被封装好、不需要调节的光栅组，用户拿到手里可以直接使用。组合的光栅数也有可能进一步增大，由现在的3-10光栅增至40-50块光栅的组合，满足更高精度的光谱分析需求。&rdquo 　　经过持续的研究努力，多光栅光谱仪已能够被实际应用。据介绍，除了面阵探测器国内目前还做不出来，其它重要部件都实现了在自己的实验室或在国内找到企业进行加工生产。说到这里，显现出了陈良尧教授比较独特的研究态度和模式，陈良尧将项目研究经费的很大一部分用于改造实验室环境，如在高性能光学仪器研究中，将购买高精度数控机床，用于仪器核心零部件的高品质研制和加工，保证质量，这在目前中国大学的实验室还比较少，对此，陈良尧说，&ldquo 这么做一方面是希望提高科学仪器的研究水平和效率，掌握核心技术，另一方面也十分需要培养研究生们的实际动手能力，不仅进行原理和方法创新，还需要采用先进制造技术，在学生时期就有能力亲手把这些仪器做出来，可靠实现创新科学仪器的各种新功能，在这方面与发达工业化国家相比，我国在培养学生具有硬科学技术研究能力方面的差距还比较大。&rdquo 　　&ldquo 由于高性能探测器价格一直居高不下，不利于大范围普及，目前仅根据一些用户需求进行定制，需要不断解决问题，让用户满意，建立良好的声誉，&rdquo 陈良尧说到。 　　后记 　　据了解，在陈良尧教授的研究成果2003年正式发表后，2007年在美国Light Smyth公司的广告中也出现了采用4种不同光栅结构参数组合的二维折叠光谱分析技术。而关于这一中国自主创新原理和技术的产业化途径，陈良尧无奈的说到，&ldquo 产业化的路还会比较长。&rdquo 究其原因，一是关键部件技术的局限，另外国家的支持政策等也是重要原因。就像采访最后陈良尧所说的，&ldquo 希望能够获得国家较高强度的产业化应用研究项目的支持，并与工业界的合作伙伴一起，使得这项技术被产业化，促进我国高性能光谱分析仪器的进步和发展，将会在国际上有自己的地位，产生出中国乃至世界上最好的光谱仪。&rdquo 　　编辑：刘丰秋

海顿科克直线传动是直线传动领域的领军企业，最近公司又推出了一款180度折叠安装驱动电机的RGS导轨，这种设计可以很好的满足在狭小的空间需要精确定位的应用环境。 这种折叠式的RGS导轨包含一个传统直线系统应含的所有部件，包括一个步进电机，同步带，传动丝杆，底座支撑，导轨和负载块。在底座上还带有可以安装传感器等部件的U型槽，电机和丝杠之间的标准传动比有2：1，1：1和1：2，使用轻质铝带轮和玻璃钎维增强尼龙同步带。丝杠导程范围从0.050in/rev到1.2in/rev。当使用2：1传动比，0.050in/rev丝杠和200步每转的步进电机，位置分辨率可达到千分之0.125in。在高速应用中，1：2传动比的同步带和1.2in/rev的丝杠配合可提供的最大速度达到7in/s。 海顿科克所有的RGS和RGW直线导轨都配有带消隙螺母的负载滑块，消隙螺母可以有效的提高定位精度和重复定位精度，镁铝合金做成的花键形式的导轨和303不锈钢做成的螺杆都涂有Kerkote TFE涂层，终身免维护，该折叠式RGS导轨最大的负载能力可以达到35lbs。 更多信息请访问海顿直线电机（常州）有限公司网站http://www.haydonkerk.com.cn

2023中关村论坛重大科技成果专场发布会5月30日举行，发布了面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康的20项重大科技成果。面向世界科技前沿成果（共5项）硅基光电子集成芯片与多功能系统硅基光电子集成芯片是在同一硅基衬底上，集成光电子与微电子优势的微纳芯片，是在半导体领域的核心技术之一。北京大学科研团队首次研发由微腔光梳驱动的硅基片上集成系统，采用高稳定性的并行激光光源给芯片装上了“大脑”。根据应用需求，设计不同光子芯片架构，实现多通道海量信息传输、感知、计算，在超高算力密度、超高图像识别准确度等方面达到国际领先水平，广泛应用于云计算、自动驾驶等领域。（发布单位：北京大学）夸父卫星在轨获得世界一流天基太阳硬X射线图像等系列成果2022年10月9日，中国首颗综合性太阳探测卫星“夸父一号”成功发射。在轨测试期间，获得一系列重要科学观测成果。其中，全日面矢量磁像仪（FMG）首次实现我国在空间开展高时间分辨、高精度的太阳磁场观测，所获取的太阳局部纵向磁图的质量达到国际先进水平；太阳硬X射线成像仪（HXI）首次实现我国对太阳硬X射线成像，是目前唯一提供地球视角太阳硬X射线图像的专用设备；莱曼阿尔法太阳望远镜（LST）的子载荷之一，即太阳日面成像仪（SDI）首次实现在卫星平台上获取莱曼阿尔法波段全日面像，另一个子载荷—太阳白光望远镜（WST）观测到太阳上多个之前罕见的“白光耀斑”。卫星在轨表现为后续的科学运行打下良好的基础。（发布单位：中国科学院紫金山天文台、中科院国家空间科学中心）通用视觉大模型SegGPTSegGPT是国际首个利用视觉提示完成任意分割任务的通用视觉模型。SegGPT“一通百通”：给出一个或几个示例图像和意图掩码，模型就能get用户意图，“有样学样”地批量化完成同类物体分割任务，无论是在当前画面还是其他画面或视频环境中。SegGPT可以“分割一切，识别万物”，加速高级别自动驾驶和通用机器人等实体智能产业的发展。（发布单位：北京智源人工智能研究院）高能同步辐射光源直线加速器满能量出束高能同步辐射光源是探测物质微观结构的国之重器，电子束发射度达到世界顶尖水平，亮度比太阳光高一万亿倍，可为航空航天、能源环境、生物医学等多学科前沿领域，提供多维度、实时、原位表征的“探针”，解析物质结构生成及演化的全周期。2023年3月14日，作为电子诞生地的直线加速器成功加速第一束电子束，束流能量达到500兆电子伏特，标志着该设施进入科研设备安装与调束并行的阶段。该设施是在国家发展改革委支持下，中科院、北京市共建的大科学装置，建成后，将是中国首台高能量同步辐射光源，也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，为全球前沿基础科学和高技术领域的原始创新提供先进研究平台。（发布单位：中科院高能物理研究所）下一代云化开放无线网络新型空口试验验证平台基于6G“数字孪生、智慧泛在”的愿景与需求，中关村泛联院联合中国移动开发了下一代云化无线新型空口试验验证平台，为无线人工智能、通信感知一体化、智能超表面等6G前沿关键技术提供原型验证。该平台基带部分采用异构硬件开放架构，与5G基带相比，提升了近5倍的数据处理能力，并首次实现与多频段前端的灵活接入。该平台将为科研机构和企业提供开放的联合研发测试验证环境，支撑6G技术标准路线选型和系统方案验证，同时将协同带动芯片、器件等产业链研发布局和技术迭代。（发布单位：中关村泛联移动通信技术创新应用研究院）面向经济主战场（共5项）30微米厚度柔性可折叠玻璃超薄柔性可折叠玻璃是全球柔性显示技术与终端发展的焦点，可广泛应用于折叠手机、卷轴电视机、柔性医疗检测装备、5G天线等领域。中国建材集团科研团队成功开发出厚度30-70微米超薄柔性可折叠玻璃，其中30微米产品厚度仅为A4纸厚度的四分之一，弯折半径小于0.5毫米，弯折寿命突破100万次，核心性能指标达到全球领先，打造了超薄柔性可折叠玻璃全流程的工业化产业链。（发布单位：中国建材集团玻璃新材料研究总院）先进压缩空气储能技术中国科学院工程热物理研究所完成先进压缩空气储能技术研发，成功攻克了宽负荷压缩机、高负荷透平膨胀机和高效蓄冷蓄热器等关键技术，实现了从空气内能到电能的高效转换。基于该技术，已在张家口建成国际首套百兆瓦先进压缩空气储能示范电站，顺利并网发电，系统额定效率达70.2%，比国外同等规模的压缩空气储能电站高出10%-15%，整体性能良好。（发布单位：中科院工程热物理研究所）己内酰胺绿色生产成套新技术己内酰胺作为重要化工原料，广泛应用于纺织、汽车、电子、航空航天等领域。中国石化首创己内酰胺绿色生产成套新技术，采用新反应途径、新反应工艺、新催化材料，使碳原子利用率由80%提升至95%，使氮原子利用率由60%提升至90%，与国际同行业技术相比，装置投资下降80%，生产成本下降50%。中国已成为己内酰胺的第一生产大国，全球市场份额达60%。（发布单位：中国石化集团公司）180kW高效率氢燃料电池发动机系统亿华通自主开发180kW高效率氢燃料电池发动机系统，通过氢能转换为电能，为新能源重型卡车电机提供动力。通过优化膜电极、双极板的流道设计，大幅提升了氢燃料电池寿命、氢电之间能量转化效率、动态响应速度。电池寿命达3万小时，是行业均值的2倍；能量转化效率达52%，比行业均值高10个百分点；从怠速到平稳运行最大功率点的动态响应时间小于3.2s，发动机提速快，比行业均值缩短60%。主要指标参数行业领先。（发布单位：北京亿华通科技股份有限公司）钠离子电池中科院物理所科研团队在国际上首次研发出低成本、高性能的钠离子电池，该电池由铜基氧化物正极材料、煤基无定型碳负极材料，以及高安全电解液体系组成。目前，该电池已在短续航电动车、1兆瓦时钠离子电池储能电站等进行示范应用。（发布单位：中科院物理研究所）面向国家重大需求（共5项）随钻成像测井仪器及井地数据传输系统 开发深层和非常规油气是保障未来能源安全的需要。随钻成像测井仪器利用井下传感器探测地层特性，在钻井过程中给钻头装上“眼睛”，是石油工业最核心的技术之一。中科院地质与地球物理所科研团队攻克了强振动冲击条件下动态测量等多项关键技术，自主研制了高温石英加速度计、压力传感器等5种井下核心传感器，成功开发出地质参数成像测井仪器，实现了从随钻一维曲线测井到二维成像测井的技术跨越；同时，研发出将井下数据实时传输至地面的泥浆连续波高速传输系统，并取得了最高速率每秒12比特的重大技术突破。这套仪器为油气高效开发提供了有力支撑。（发布单位：中科院地质与地球物理研究所）集成电路用12英寸高纯钴靶材及阳极12英寸高纯钴靶材及阳极是先进制程逻辑芯片及存储芯片关键支撑材料。通过自主开发，有研亿金成功突破高纯钴深度净化、高纯熔铸、磁性能调控及高可靠焊接等多项核心关键技术。配套国内外高端PVD机台用于国内最先进制程逻辑芯片，及DRAM和3D NAND FLASH先进存储器，批量销售给国内外多家一流半导体生产企业。有研亿金成为国内唯一、全球第二家掌握集成电路用高纯钴靶材和阳极成套制备技术的企业。（发布单位：有研亿金新材料有限公司）低温法烟气污染物近零排放控制（COAP）技术当煤燃烧时产生大量有害烟气。华能集团基于低温氧化吸附脱除技术，利用多孔材料，完成烟气多污染物一体化脱除，烟气经梯级冷却降至零下温区，低温烟气进入吸附塔，一体化吸附脱除多种污染物。实现二氧化硫、氮氧化物、粉尘的排放浓度远低于国际超低排放标准，同时，还可实现三氧化硫、重金属等其他污染物的深度脱除，并实现硫的资源化利用。这一重大原始创新成果为绿色、可持续发展作出了有益贡献。（发布单位：中国华能集团清洁能源技术研究院）基因编辑新型核酸酶 基因编辑是高效、精准的生物育种技术。中国农业大学科研团队首次发现全新的、拥有自主知识产权的基因编辑核酸酶Cas12i和Cas12j。当前，已应用于水稻、玉米、小麦、大豆等主要农业生物遗传改良中，支持培育了高产玉米、高油酸大豆等产品，为基因编辑技术产业化应用提供了重要工具。（发布单位：中国农业大学）新一代人造太阳 中核集团核工业西南物理研究院研制新一代“人造太阳”，是规模和参数在国内领先的新一代磁约束核聚变研究装置，等离子体电流可达300万安培，等离子体离子温度可达1.5亿摄氏度，将使我国等离子体聚变三乘积参数达到聚变堆芯级水平，综合性能跻身国际聚变先进行列。目前该装置等离子体电流突破115万安培，书写了我国可控核聚变装置运行新纪录。（发布单位：中核集团核工业西南物理研究院）面向人民生命健康（共5项）颅内病灶磁共振引导激光消融治疗系统 由华科精准、天坛医院等机构共同研发磁共振引导激光消融治疗系统，包含磁共振监测激光治疗设备及一次性激光光纤套件，是国内首款获批上市的磁共振引导颅内激光消融治疗系统，开创了我国神经外科微创治疗可视化、可控化、可量化的全新手术方式。该治疗系统磁共振温度监控误差小于1℃，温度刷新时间间隔小于4s，关键技术参数均处于国际领先水平。目前，已在国内率先完成难治性癫痫、脑肿瘤等各类微创手术超过400例。（发布单位：华科精准（北京）医疗科技有限公司、首都医科大学附属北京天坛医院）深脑成像微型化三光子显微镜三光子显微镜基于荧光分子吸收三个光子并发射荧光的效应，实现高分辨率光学成像。北京大学科研团队研发了重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜，采用新颖的光学构型设计，并自主研制传输飞秒激光的柔性光纤、微型高分辨率物镜等核心部件，一举突破此前微型化显微镜的成像深度极限。该显微镜神经元功能成像最大深度可达1.2毫米，首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构的神经功能连接机制提供了观测手段。（发布单位：北京大学）北斗卫星通信融入大众智能手机及实现产业化兵器工业集团联合中国移动、中国电科，应用先进的信道编码技术，研制射频基带一体的核心芯片，可搭载于个人智能设备，实现直连卫星，可在无地面网络情况下持续保障应急通信、即时报告位置。这是成功链接高轨卫星、随时随地实现双向通信的重大跨越。目前，核心芯片量产规模突破千万。如您的手机搭载了这款芯片，当您身处无网络的险境，可点开北斗卫星消息选项，发出短报文，将获得及时响应。北斗，为您的生命保驾护航。（发布单位：中国兵器工业集团、中国移动通信集团、中国电子科技集团）基于国际首创技术的基因测序仪赛纳生物首创荧光发生和纠错编码技术，其中荧光发生技术是荧光切换的测序化学技术，纠错编码技术则是编码再解码的自校正信息处理技术。应用两项核心技术，进行基因序列检测，准确度达99.99%。目前，推出首款桌面型S100基因测序仪，具有体型小、操作简单、通量灵活、多场景适用的特点，在肿瘤诊疗、生殖健康等领域进行基因异常检测，实现了精准的疾病预警和诊断。（发布单位：赛纳生物科技（北京）有限公司）国产体外膜肺氧合治疗（ECMO）产品长征医疗联合北京协和医院等多家知名医院悉心研制的辉昇-I型ECMO产品，能够在体外循环过程中提供动力及安全监测，适用于急性呼吸衰竭、其他治疗方法难以控制并有可预见的病情持续恶化或死亡风险的患者。主机采用航天伺服系统中的电机控制技术，可精准控制泵头转速，减少对血液的破坏。该设备稳定性强、集成度高，产品仅为同类产品重量的1/2-1/3，整体性能达到国际先进水平。

大家好，本周为大家分享一篇发表在Journal of the American Society for Mass Spectrometry上的文章，Comparing Selected-Ion Collision Induced Unfolding with All Ion Unfolding Methods for Comprehensive Protein Conformational Characterization ，文章的通讯作者是美国威斯康星大学的李灵军教授和南开大学的李功玉教授。近年来，离子迁移质谱（Ion mobility−mass spectrometry, IM−MS）不断发展，成为了探究生物分子结构和稳定性的有力工具。IM-MS实验中测量得到的漂移时间可以转换为与分析物的大小或形态相对应的碰撞截面值（CCS）。碰撞诱导去折叠（collision-induced unfolding, CIU）通过将碰撞能量（CE）应用于气相分析物，研究其在去折叠过程中CCS值的变化，从而提供更多的结构细节。尽管电荷分离的CCS分布代表了气相中丰富的结构信息，但预测具有最接近native状态结构的蛋白质离子电荷态仍然存在困难。另一种方法是记录所有蛋白质电荷状态的四极杆无选择全离子去折叠方法(all ion unfolding, AIU)。如图1所示，本文中作者首先比较了四极杆选择对去折叠的影响及其产生的数据质量。然后，作者引入了一种CCS积累方法，用一个新的CCS参数——CCSacc（accumulated CCS）进行去折叠数据解析，该参数对所有观察到的电荷状态的数据进行汇总，以更好地区分气相中蛋白的结构和构象。作者发现，使用这种CCSacc方法生成的去折叠差异图更稳健，对nESI过程中产生的蛋白质电荷状态的变化具有更高的耐受性。此外，作者观察到用于比较的整体信号强度的增加，使去折叠指纹图谱质量得到改善。另外，这种CCSacc方法保留了电荷分离的CIU信息，也可以按需提取。图1.AIU和CIU工作流程比较图2a展示在不同的碰撞电压下，HSA的CCSacc的分布。CCSacc是综合的气相离子特征，以红色表示。通过CCSacc特征可以分析每个离子对结构的贡献，有助于全面了解现有的HSA结构异质性。通过计算HSA的CCSacc数据可以创建一个新的去折叠指纹图谱，将其与HSA的两种主要电荷态进行比较(图2c)发现，如果只分析单个电荷状态数据，而不将收集到的所有信息合并，就会导致信息丢失。CIU50值揭示的构象稳定性信息也显示了累积指纹图谱与单电荷态指纹图谱的差异，进一步强调了考虑所有电荷态结构信息的必要性。（图3）图2.CCSacc结构分析AIU指纹图谱结合CCSacc数据处理可以更全面地阐明蛋白质变体之间的构象差异。为了证明这一点，作者获取了BSA和HSA的AIU数据，然后提取CCSacc数据，用CIUSuite软件进行定量分析。总的来看，基于CIU50的构象稳定性比较和基于RMSD的整体去折叠指纹图谱比较都清楚地表明，AIU和CCS的累积能够提供更全面的结构信息，并对生物相似性蛋白的细微结构差异进行全面表征。图3.利用CCSacc全面比较HSA和BSA结构最后，作者将CCSacc应用于唾液化的糖蛋白bovine transferrin（bTF），快速分析糖基化对蛋白质结构的影响。图4a显示了bTF的非变性质谱图以及相应的漂移时间热图。先前的糖链研究证明，转铁蛋白是一种具有多种糖型的异质性蛋白，作者的非变性质谱数据（图4a）也明确支持多种糖型的存在。接下来，作者在AIU操作模式下追踪bTF的逐步去折叠行为（图4b-e）。图4f展示了通过CCSacc获得的累积去折叠指纹图谱。可以清楚地观察到，四种不同的构象主导了bTF去折叠过程。CCSacc弥补了不同离子种类观察到的结构差异。此外，构象特征CCS分析和相应的基于CIU50的稳定性分析表明，CCSacc主导的数据与传统CIU分析中常用的最丰富的电荷态所得数据不匹配。这些差异应该主要源于离子种类的贡献，而不是最丰富的离子种类，结果突出了在溶液中使用单一电荷态作为整个蛋白质种类的结构特征时存在的潜在偏差和/或结构损失。图4.通过CCSacc探究唾液酸化糖蛋白的结构CCSacc策略可以更好地维持蛋白质的天然构象，并降低由于仪器条件或溶液中蛋白质电荷态变化造成的影响。在提高去折叠指纹图谱的信噪比并丰富拓扑结构信息的情况下，该策略可以得到更广泛的应用。参考文献：Ashley Phetsanthad, Gongyu Li, Chae Kyung Jeon, et al. Comparing Selected-Ion Collision Induced Unfolding with All Ion Unfolding Methods for Comprehensive Protein Conformational Characterization. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 2022.

据新华社南昌4月8日电 智能手机近年来获得了长足的发展，而电池技术发展却相对缓慢。近日，江西理工大学研制出一款新式的可折叠锂电池，轻薄如纸、可任意弯曲，性能优于目前的普通锂离子电池。 　　江西理工大学&ldquo 江西省动力电池及材料重点实验室&rdquo 研发团队主要成员胡经纬表示，普通电池的电极材料附着在金属片上，即便再薄，电极材料也容易脱落，而用一种碳纳米管形成的宏观膜替代传统的金属片，便解决了这个问题。同等条件下，这款电池的比容量、能量密度均高于传统商用锂离子电池。该电池在经历5次持续折叠情况下仍能保持正常工作。 　　胡经纬说：&ldquo 这款电池主要是顺应了可穿戴设备的发展，可穿戴设备要受到一定的弯曲甚至折叠，要求它的电池也具备弯曲和折叠性能。我们设计的这款电池，最大限度地满足了可穿戴设备对电池柔性的需求。此外，由于轻质碳纳米管膜替代了金属箔材，该电池的能量密度有明显提高，因而可改善可穿戴设备续航能力不足的缺点。&rdquo

01 活动背景 层浪一直致力于高端流式细胞仪的研究和发展，我们坚信国产高端流式细胞仪是行业未来的趋势和方向。作为一家国内领先的流式细胞仪研发企业，我们一直在积极探索和引领国产流式细胞仪的新高度。我们非常注重与专家学者的合作，以便更好地推动行业的发展。 为此，我们诚挚地邀请您参与我们的征文活动。本次活动旨在征集光谱/质谱/纳米流式领域的相关文章，其中光谱流式是我们首期重点关注的方向。我们希望通过您的专业知识和经验，为行业发展贡献自己的力量。 我们相信，您的研究成果和经验心得将会为其他专家和学者提供宝贵的参考和启示。同时，您的文章也将有助于推动流式细胞仪技术的发展和应用，为人类健康事业做出更大的贡献。 如果您有相关的研究成果或者经验心得，欢迎积极参与我们的活动，与我们分享。我们将根据文章质量和相关度进行评选，并对获选作者进行奖励和表彰。 02 活动介绍光谱流式的优点在于其高灵敏度和多参数分析能力，能够实现更精细的细胞分析和检测。然而，目前国产光谱流式仍面临一些挑战，如设备稳定性、分辨率和自动化程度等。我们希望通过您的文章，展现光谱流式的发展潜力，为国产光谱流式的进步贡献力量。 03 活动奖品一等奖 华为折叠屏手机 Pocket S（1名）价值5988 二等奖 华为墨水平板MatePad paper Pad（2名）价值2999元 三等奖 华为蓝牙耳机FreeBuds Pro 2（3名）价值1299元 参与奖 华为手环8 NFC版（前15名）价值309元 04 参与方式 活动详情请在微信公众号搜索“层浪生物”，关注公众号并参与高手约稿活动。 05 活动时间征集日期：公元 2023年9月26日-10月31日开奖日期：公元 2023年11月11日公布发放形式：开奖后层浪联系获奖者邮寄奖品 注：最终解释权归层浪所有 关于层浪生物 层浪聚焦流式细胞领域，致力于实现流式技术系统化、自动化、智能化，在临床领域推动流式技术的常规化，在科研领域推进国产流式高端化。目前已推出多款流式产品：2激光8色流式细胞仪于2021年初成功获得NMPA注册证；科研型产品3激光14色流式细胞仪FongCyte&trade 上市一年，仪器性能获得客户的高度认可；临床型产品3激光14色流式细胞仪LongCyte&trade 26种型号均获CE认证。公司核心团队均在流式技术领域有10余年经验，十年如一日专注流式技术研究，致力于研发生产稳定、可靠、性能优异的产品。层浪未来将陆续推出更多流式产品，为中国的流式技术发展尽绵薄之力，做行业中流式技术普及者，做客户信赖的流式伙伴，为中国的临床和科研事业助飞。

一张可折叠的纸质锂电池 　　电池是各种便携式电子产品的重要却又恼人的部件。尤其碰到大而且重的电池，让设备的移动性更差，而较小的电池，又会导致设备性能降低或电池寿命变短。不过，现在斯坦福大学开发的新型锂离子电池或将让这一切变得更加便捷：新型的超薄可充电电池已经可以制作在一张纸上，从此变得轻型，灵活，就像普通的A4纸一样方便。 　　来自斯坦福大学的一位材料科学家将薄膜碳纳米管涂在另一张表层含有金属的锂化合物纳米管上。这些很薄的双层薄膜放在普通纸张的两面，纸张既是电池的支撑结构，同时也起到分离电极的作用。锂作为电极，而碳纳米管层则是电流集合管。这样以来，电池仅有300微米厚，而且节能效果比其它电池更好。这也并非一次性的电池，经过300多次循环充电测试，性能仍然令人满意。更让人兴奋的是，这种电池生产难度不高，比其他瘦身电池的方法更加容易投入商用化。 　　虽然目前这种电池还不太成熟，也可能并非所有移动设备的最理想配件，但它们可能在未来大有用处，如智能化包装，电子标签应用以及电子纸产品等领域。

“Touch Taiwan 2016：贺利氏推出用于导电高分子薄膜上的乾膜光阻黄光图案化制程技术，并展示用于柔性触摸显示屏的快速红外固化解决方案” 在今年8月24-26日举办的Touch Taiwan 展览会上，贺利氏将推出通过DFR（Dry-Film Resist 干膜光阻）黄光蚀刻技术在Clevios导电高分子薄膜图案化的新触控面板制程。该工艺是与台湾工业技术研究院（ITRI）联合开发研制。展示全功能7英寸GFF型用DFR干膜光阻黄光蚀刻技术制程的触控面板。 “触控传感器的高解析度图案是高阶触控面板，特别是可弯曲及可折叠的触控显示器的先决条件。高解析度图案制程在Clevios薄膜上是一个很重要里程碑。我们的客户正在快速实施。他们的反馈极佳。”史伯德——电子化学品业务部总经理表示。 基于此项贺利氏的新创技术，可以轻松实现行50um的线宽解析度，甚至更细的解析度也可以达成。 现在整个Clevios触控面板制程的参数设置和工艺窗口均可提供客户在其生产中实施。Clevios薄膜和传感器可以轻松耐受超过30万次曲率半径低于1mm的折弯，而不产生损伤。 最佳创新：快速红外（IR）固化为优质基材做出贡献 贺利氏展台的第二项创新是基于超薄柔性聚酰亚胺基材的7英寸Clevios导电聚合物柔性触摸面板。聚酰亚胺固化是贺利氏特种光源的业务领域，其定制的快速红外固化技术实现超薄聚酰亚胺基材薄膜的最快速和高效的固化，而该材料是下一代柔性显示屏和触摸面板基材的关键材料。红外辐射器以极高的效率进行非接触式传热。与传统的热风炉相比，几分钟即可完成固化工艺，而不是以前的几小时。此外，由于没有空气流动，将污染减少至最低限度。与材料的吸收波长精确匹配的红外辐射器可以更快地进行加热。碳中波辐射器满足聚酰亚胺的吸收光谱要求，可以实现快速的红外固化和烘干。

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章，Ion Mobility-Mass Spectrometry and Collision-Induced Unfolding of Designed Bispecific Antibody Therapeutics1，文章的通讯作者是密歇根大学的Brandon副教授。　　双特异性抗体(bispecific antibodies, bsAbs)是一类重要的新兴疗法，能够同时靶向两种不同的抗原，已被开发作为对某些单克隆抗体疗效有限疾病的治疗手段。尽管bsAbs具有独特的优势，但它的结构较为复杂，需要特殊的制备工艺，“knobs-into-holes”(KiH)是其中一种可以用于制备bsAbs的技术，这种技术通过将knob链CH3结构域表面的特定氨基酸突变为较大氨基酸，将hole链上的突变为较小氨基酸，从而实现“knobs-into-holes”的配对形式，提高不同轻重链在配对时的正确配对率，产生正确的bsAbs。然而，由于抗体治疗药物分子量较大，通常比传统的小分子药物表现出更大的结构复杂性和异质性，对KiH bsAb 高级结构的完整表征对定义bsAb的结构功能关系，以及确保最终治疗的稳定性、有效性和安全性都至关重要。目前已开发的分析方法有很多，但是普遍存在样品消耗量大、数据采集和解析时间较长等缺点。近年来，非变性离子迁移质谱(ion mobility-mass spectrometry, IM-MS)和碰撞诱导去折叠(collision-induced unfolding，CIU)逐渐被证实是用于分析单克隆抗体高级结构的有效方法，能够从存在结构异质性和杂质的几微克样品中表征单抗治疗药物的高级结构。IM可以根据气相蛋白离子的电荷和旋转平均碰撞截面(collision cross sections，CCSs)在毫秒时间尺度上对蛋白进行分离。当与质谱耦合时，可以很容易地将质荷比相同但CCS不同的离子区分开来，而CIU可以使IM-MS同步提供蛋白质结构和构象稳定性信息。CIU根据二硫键、糖基化水平、结构域交换特性等信息来区分差异。　　在这篇文章中，作者描述了定量CIU在bsAbs中的首次应用，扩展了非变性IM-MS和CIU的能力，用于稳定表征KiH bsAb及其亲本knob和hole同型二聚体单抗的高级结构。　　图1 Native、未修饰的knob(蓝色)和hole(橙色)同型二聚体，以及KiH bsAb异型二聚体(绿色)的CIU实验。(A)24+电荷态(左)及其相应重复RMSD基线(右)的平均CIU指纹图谱(n=3)。所有的指纹图谱都显示了白色虚线框所示的三个主要特征。在(B) 5 V、(C) 65 V、(D) 110 V时的标准化TWCCSN2分布。在较低的激活电位下，所有抗体均具有相似的CCS，在较高的加速电位下则存在显著差异。(E)两两的RMSD分析显示，与重复的RMSD基线(虚线)相比，抗体之间的整体高级结构差异。(F)CIU50分析说明了KiH bsAb模型的稳定性如何保持在knob和hole的同型二聚体之间。　　如图1所示，bsAb的稳定性似乎与本文研究的KiH模型的两个亲本同型二聚体单克隆抗体相关。在电压为65V时，KiH bsAb的TWCCSN2分布与亲本knob同型二聚体单抗的分布相似 而在110V时，则与亲本hole同型二聚体单抗的分布相似。并且KiH bsAb的稳定性介于两种亲本同型二聚体单抗的稳定性之间。与指纹图谱中记录的第一次CIU转换相对应的是CIU50-1值，第二次的则是CIU50-2值，从3组样本的数据分析推测，CIU50-1和CIU50-2很可能代表了KiH bsAb和mAb结构中不同结构域的局部稳定性。　　图2 knob和hole的半体CIU数据。(A)16+电荷态的平均CIU指纹图谱(n=3).(B)两两RMSD分析显示，半体之间的高级结构存在显著差异。(C)CIU50分析显示，蛋白质稳定性存在显著差异。　　为了更好地展示KiH bsAb不同结构域的CIU特征，作者记录了同型二聚体单抗IM-MS光谱中16+电荷态的knob和hole半体的CIU数据。从图2A的指纹图谱可以看出，每种结构都包含4种主要的CIU特征，但是图2B的RMSD分析显示两种半体的高级结构之间存在显著差异。CIU50分析进一步表明，在观察到的两次展开过渡中，knob半体明显比hole半体更稳定。作者推测造成这种CIU主要差距的原因可能是Fab结构域的差异。　　图3 Fab和Fc片段的CIU数据。(A)13+电荷态的平均CIU指纹图谱(n=3).(B)两两RMSD分析显示，knob和hole的Fab片段之间存在显著差异。(C)CIU50分析显示，不同片段之间稳定性存在显著差异。　　为了进一步将CIU特征联系到KiH bsAb的结构域当中，作者对木瓜蛋白酶消化后产生的Fab和Fc片段进行了CIU分析。从图3A可以看出，knob和hole的Fab片段都具有3种CIU特征，但是嵌合的Fc片段则具有4种CIU特征。尽管knob和hole的Fab片段具有相似的CIU指纹图谱，但是RMSD分析显示它们之间的高级结构仍然存在较大差异，并且knob的Fab片段稳定性明显高于hole的。至于Fc片段的稳定性则远高于两种Fab片段，可能的原因是重链CH3结构域的强非共价作用以及knobs-into-holes配对的影响。　　图4 去糖基化后的knob、hole同型二聚体和KiH bsAb异型二聚体24+离子(n=3)。(A)比较对照组和去糖基化抗体的RMSD分析显示，高级结构有显著差异。CIU50-1(B)和CIU50-2(C)分析显示抗体去糖基化后表现出显著的不稳定性。(D)对照组和去糖基化抗体之间的CIU50值差异图。　　先前的研究已经证明，CIU对不同水平的单抗糖基化很敏感，其中去糖基化会导致单抗高级结构的不稳定。作者利用高分辨率非变性轨道阱质谱分辨添加PNGaseF前后同型二聚体mAb和KiH bsAb糖型的变化。实验结果显示，KiH bsAb表现出高度糖异质性，包含至少12种不同的糖型。这很可能归因于组装的KiH bsAb中每个独立的knob和hole重链上存在独特的糖基化，进一步增加了其复杂性。　　总而言之，这篇文章展示了IM-MS结合CIU用于建立KiH bsAb及其亲本同型二聚体之间高级结构联系的能力。单独的CCS不足以解决此研究中抗体之间细微的高级结构差异。相比之下，CIU指纹图谱则可以分辨和区分每一个等截面的抗体。这一解释bsAb CIU细节的能力，加上对KiH bsAb稳定性的更深入理解，有可能提供支持KiH bsAb发现和发展的关键信息。　　撰稿：梁梓欣　　编辑：李惠琳　　文章引用：Ion Mobility-Mass Spectrometry and Collision-Induced Unfolding of Designed Bispecific Antibody Therapeutics　　李惠琳课题组网址www.x-mol.com/groups/li_huilin　　参考文献　　Villafuerte-Vega, R. C., Li, H. W., Slaney, T. R., Chennamsetty, N., Chen, G., Tao, L., & Ruotolo, B. T. (2023). Ion Mobility-Mass Spectrometry and Collision-Induced Unfolding of Designed Bispecific Antibody Therapeutics. Analytical Chemistry.

在纤维纺丝、薄膜拉伸和塑料注塑成型加工过程中，聚合物结晶一般都发生在高速取向变形过程中，这一过程还伴随着聚合物的应力松弛。因此聚合物结晶、取向和松弛这三种非平衡动力学过程相互竞争，对应的调控因素例如加工温度、应变速率和拉伸应力就共同决定着聚合物材料制品最终的半结晶织态结构及其综合性能。在国家自然科学基金委的项目支持下，南京大学胡文兵课题组在采用动态蒙特卡洛分子模拟研究应变诱导聚合物结晶微观机理方面近年来取得了一系列的进展。分子模拟结果揭示了应变诱导结晶成核阶段所存在的分子内链折叠成核和分子间缨状微束成核之间的竞争关系（Polymer, 2013, 54, 3402）以及结晶成核、晶体生长和后生长三个阶段不同的链折叠变化趋势及其微观机理（Polymer, 2014, 55, 1267）；研究还推广到双链长分布聚合物（Chin. J. Polym. Sci., 2014, 32, 1218），无规共聚物（Soft Matter, 2014, 10, 343 Eur. Polym. J., 2016, 81, 34 Polymer, 2016, 98, 282），溶液聚合物（J. Phys. Chem. B, 2016, 120, 6890），结晶/非晶共混物（J. Phys. Chem. B, 2016, 120, 12988），外消旋共混物（J. Phys. Chem. B, 2018, 122, 10928）和短链支化聚合物（Polym. Int., 2019, 68, 225）等复杂多组分体系。最近，他们将麦克斯韦应力松弛模型引入到每条高分子链中。分子模拟结果揭示了非晶聚合物应力松弛的熵势垒微观机制（Chin. J. Polym. Sci., 2021, 39, 906）以及聚合物重复单元结构间各种局部相互作用对链扩散势垒的贡献（Polymer, 2021, 224, 123740），他们甚至还发现了低温区非晶聚合物非线性粘弹性的微观发生机制（Chin. J. Polym. Sci., 2021, 39, 1496）。他们进一步对比了引入和不引入应力松弛的聚合物拉伸结晶过程，如图1所示，发现应力松弛在结晶成核、晶体生长和后生长阶段三个阶段都发挥了独特的作用。图1：没有应力松弛（Strain-induced）和引入应力松弛（Stress-induced）的聚合物应变诱导结晶对比示意图。在结晶成核阶段，聚合物的取向变形减小了构象熵，提升了聚合物的平衡熔点，导致结晶成核的过冷度，即热力学驱动力增强，于是结晶的起始应变随温度升高而变大。增大应变速率，聚合物链内调整这一动力学效应将推迟结晶成核的发生，结晶的起始应变也相应变大。一开始他们合理地猜想应力松弛将削弱聚合物的取向变形程度，给热力学上带来不利于结晶成核的作用。由于在高速拉伸过程中应力松弛的时间窗口很小，对聚合物取向变形程度的影响较为有限，实际的模拟结果显示这一热力学效应并不明显。实际上引入应力松弛对结晶起始应变的影响与增大应变速率的效果相似，即在高温区都不改变结晶的起始应变，说明聚合物来得及链内调整；在低温区都增大了结晶的起始应变，说明应力松弛对结晶主要起到了动力学阻滞效应，而不是预期的热力学削弱效应。在晶体生长阶段，由于折叠链片晶生长动力学主要由链内次级成核机理所控制，应力松弛同样在动力学上阻滞晶体生长。于是，应力松弛显著减缓了拉伸过程中结晶度随应变增大而提高的动力学过程，导致在相同应变程度下，引入应力松弛的结晶过程所能达到的结晶度相对较低。在后生长阶段，聚合物晶体发生应变诱导的熔融重结晶过程。在这一过程中晶体的折叠链被迫打开转变为伸直链，片晶转化为纤维晶，对应于半结晶聚合物冷拉的细颈化过程。分子模拟观察到熔融重结晶带来显著的应力松弛加速现象，证明外力做功迫使折叠链晶体熔化，然后以重结晶生成伸直链纤维晶的形式将外界冲击能转化为热能耗散到周边的环境中去，从而使得半结晶聚合物表现出优异的韧性特点，不同于金属和陶瓷材料。这一阶段应力松弛与增大应变速率对结晶形态的影响有所不同：在其它条件相同时，应力松弛显著减少晶粒的数目，而增大应变速率显著减小晶粒的尺寸，如图2所示。图2：不同拉伸速率下应变诱导与应力诱导结晶的晶区形貌快照，20000对应于相对慢速的拉伸应变过程，5000对应于中速应变。这项工作揭示了聚合物应力松弛、拉伸变形和结晶这三个非平衡过程之间在聚合物取向结晶过程中的微观相互竞争机理，有助于更好地理解实际聚合物高速取向加工成型过程中的高分子结晶行为以及各种加工因素对半结晶聚合物制品内部结构和性能的调控机制。相关成果发表在Polymer（2021, 235, 124306）。论文的第一作者是博士生罗文。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2021.124306

大家好，本周为大家介绍一篇发表在Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A上的文章，HDX-MS performed on BtuB in E. coli outer membranes delineates the luminal domain’s allostery and unfolding upon B12 and TonB binding1，文章作者是华盛顿大学的Tobin R. Sosnick。　　TonB-依赖的转运体(TBDTs)广泛存在与革兰氏阴性菌的外膜上，通过其摄取营养。但TBDTs转运时的机制尚不明确，尤其是可供底物通过的跨膜β-桶孔径打开时的结构变化机理。BtuB是一种典型的大肠杆菌TBDT，其功能和生物物理环境都得到了广泛的研究。目前推测BtuB在行使转运功能时，其通道孔径形成需要BtuB与底物维生素B12结合，其N-端7个残基(称为“Ton box”)产生较大的构象转变，从β-桶中甩出进入胞质并与下游蛋白TonB发生相互作用。但孔径形成的过程具体机理存在两个具有争议的猜想：力依赖模型认为，TonB通过将BtuB从β-桶拽出到胞质，并从膜内侧将能量传递给BtuB，这些力可能重塑塞区并导致孔径形成 而非力依赖模型则认为孔径的形成跟BtuB自身保守的Ionic Lock(IL，即R14和D316间的盐桥)相互作用有关，当B12存在时只需要IL解锁TonB就能与BtuB结合产生成孔运动。晶体学研究捕捉到了Apo BtuB、BtuB:B12和BtuB:B12:TonBCTD的结构(图1)，但晶体学研究一来存在晶体堆积导致其结构与溶液态蛋白结构产生一定差异的问题，二来静态的结构“截图”无法提供动态变化过程信息。因此，本文选择氢氘交换质谱法(HDX-MS)解析BtuB和配体结合时产生结构动态变化过程，以深入推测该过程的具体机制。　　图1. BtuB腔体结构域与两个配体结合事件的构象响应模型。　　该实验共设有4组，包括：Apo BtuB、BtuB + B12、BtuB + TonB和BtuB + B12 + TonB。作者对BtuB + B12的HDX速率及保护因子(PF)进行了分析(图2)：其中，N-端2-29残基(包括Ton box在内及IL中的R14)、pre-SB3区域属于快速氘代区域，SB1、SB2、SB3属于中速氘代区，其他区域属于慢速氘代区。　　图2. HDX速率分区并映射至结构。　　随后作者分析了Apo BtuB、BtuB + B12的HDX-MS实验数据(图3)。其中IL区域及其相连的Fisrt Strand区域的HDX变化情况最为显著(氘代上升)，从氘代动力学图中我们可以看到添加B12后该区域的氘代速率从较慢的水平转变为较快的水平，这说明B12的结合足以使得IL区域发生较大的构象变化，该现象呼应了TonB从较为紧凑的结构转变为较为动态/溶剂可及性高的结构。除此之外，N-端前5个残基区域经历了轻微的氘代上升 底物结合区SB1、SB2和SB3经历了一定程度的氘代下降，而SB3的前端经历了一定的氘代上升。　　图3. BtuB + B12和Apo BtuB的HDX比较。　　接着作者也考察了BtuB + TonB和BtuB + B12 + TonB的HDX-MS结果(图4)。结果发现，只加TonB时BtuB的IL区域并未发生较大的HDX变化，而同时添加B12和TonB的BtuB IL区产生了明显的氘代变化，这些现象进一步证实了BtuB的Ton box发生结构改变是B12结合后IL解锁产生的效应。这些实验结果支持非力依赖型假说机制，即B12结合后通过別构效应使得IL处的盐桥打破，使得Ton box区被释放至胞质中，进一步跟下游蛋白结合从而打开通道孔径。　　图4. 不同组别的IL区域的HDX氘代动力学图。　　本文通过HDX-MS实验解决了大肠杆菌离子通道家族中一蛋白BtuB配体相关的动态调控机制，通过实验的方法验证了非力依赖机制假说。本文选取的体系及蛋白样品较为巧妙，实验设计合理，实验证据充分，行文逻辑严密，为离子通道的动态调控机制提供了见解，是HDX-MS方法优势的典型体现。　　撰稿：罗宇翔　　编辑：李惠琳　　原文：HDX-MS performed on BtuB in E. coli outer membranes delineates the luminal domain’s allostery and unfolding upon B12 and TonB binding　　李惠琳课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/li_huilin　　参考文献　　1. Zmyslowski, A. M. Baxa, M. C. Gagnon, I. A. Sosnick, T. R., HDX-MS performed on BtuB in E. coli outer membranes delineates the luminal domain's allostery and unfolding upon B12 and TonB binding. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2022, 119 (20).

生物结构和功能之间的联系是生命科学研究的关键，然而对这个领域的认识目前仍有很多空白。LUMICKS 是总部位于荷兰的生命科学仪器供应商，研发和生产动态单分子和细胞亲合力分析仪器，让研发人员能够在分子和细胞水平上建立结构和功能之间前所未有的桥梁。 LUMICKS 的产品在生物相互作用过程中施加和测量作用力，实现对分子和细胞的研究，从而能够对潜在的生物机制进行详细的实时分析。LUMICKS主要有两款产品，分别是C-Trap® 动态单分子显微镜和z-Movi® 细胞复合亲合力分析仪，目前众多世界顶尖大学研究所均为 LUMICKS的技术产品的用户，如哈佛大学，牛津大学，清华大学等。2020 年， LUMICKS 在北京设立了亚太区办公室 （卢米科思贸易（北京）有限公司）以服务于亚洲的客户。单分子&动态 观察生物分子机制的全幅图景现代的生物研究通常涉及多种实验技术与方法手段，想了解一个生物分子机制的全幅图景，我们既需要能够分析单个分子，也需要了解分子的动态过程。为什么单分子如此重要？首先单分子观察是对一个分子最直观的分析，眼见为实，这也是许多科学技术一直追求观察更小的单元的原因。其次，单分子技术允许科学家了解单个分子的性质，并非是一个群体的结果。众多技术，例如凝胶电泳、表面等离子共振等，提供的都是万千分子的平均读数，常常不能体现分子的多态性能。为什么我们需要观察动态过程？生物过程本身是动态发展的，只有了解生物分子的行为，才能够理解它们的机制，也才能够为制药、治疗等目标提供指导。结构生物学的方法能够精确到生物分子中的每个原子，然而每个结构都是一个静止的状态，因而目前很多结构生物学家们也在发展能够将静态结构与动态过程结合的方法。C- Trap 动态单分子显微镜填补了这一空白，既能够观察单分子尺度的生物分子，又可以实时观察DNA与蛋白互作、蛋白构象等动态过程。此外，C-Trap的光镊技术允许控制、操作单个 DNA、蛋白、细胞骨架等分子，在微米、纳米尺度下触摸、移动、控制生物分子，为研究人员带来前所未有的体验和结果。C-Trap动态单分子显微镜在动态单分子领域，LUMICKS的C-Trap 是行业首家商业化仪器。相较于其他解决方案，C-Trap 提供业内第一的测量精度和稳定性，真正实现对单分子过程的动态实时观察，高度集成易用的软件使得任何研究人员都可以操作，从样品制备到实验数据分析全流程支持帮助高效产出成果，以及来自全球工程师优质的售后服务。目前 C-Trap 仪器主要在高校的前沿研究中以及生物制药公司的研发中使用，相较于欧美，在中国的C-Trap 使用刚刚起步，未来将会逐步占领市场，成为生物实验室的必备仪器。C-Trap 动态单分子显微镜主要应用在DNA 结合蛋白、细胞骨架与分子马达活性、蛋白质折叠结构变化、细胞力学、生物相变与大分子相分离等领域。尤其在DNA的分子研究领域拥有非常多的应用：DNA 修复，基因编辑，DNA 转录，核小体结构功能等。客户发表在CNS杂志上的应用案例包括DNA 基因编辑过程中 cas9 蛋白与DNA 结合位点在靶、脱靶受哪些因素影响，DNA 损伤修复过程中 Rad 51 蛋白如何与其他蛋白协作，DNA 解旋酶在DNA 上的移动、解旋以及与其他蛋白的互动等等。由于 C-Trap 在生物领域广泛的应用，尤其适合多个研究室作为平台共享设备。免疫细胞治疗领域 复合亲合力测量正在受到瞩目过去的十几年里免疫细胞疗法极大地加速了临床肿瘤治疗的进展，但过继性细胞治疗的效果仍面临着很多挑战。尽管付出了巨大的资源和成本，非常多CAR-T研发团队的临床试验都以失败告终：接受免疫治疗的癌症患者中有很多对药物没有反应或者出现不良反应。这是由于免疫系统与癌细胞的动态环境本身非常复杂，因而众多体外检测方法并不能准确预测体内（临床）疗效。传统衡量免疫细胞效果的方法有很多种。分子水平上，如在研究TCR，CAR受体识别肿瘤表面抗原的特异性时，通常采用的表面等离子共振（SPR）或MHC四聚体（MHC Tetramer）等技术，优化筛选出与靶点亲和力（affinity）最佳的TCR/CAR设计。除此以外，也可以通过体外细胞实验，如细胞杀伤或细胞因子分泌检测去评估免疫细胞的激活及特异性杀伤能力。然而，这些体外实验数据一致性较低，需要更好的生物参数或者assay去预测体内及最终临床结果。什么是细胞复合亲合力（cell avidity）？它阐明了细胞间总的结合强度，这包括了：共受体结合、T 细胞受体（TCR）聚集、细胞粘附蛋白，甚至是结合的方向和分子键的价态。它揭示了一个细胞与另一个细胞之间的复杂的相互作用，而并不仅仅局限于一个蛋白受体与另一个蛋白抗体之间。因而细胞复合亲合力提供了更完整的、更具有生理学相关性的信息，反映了免疫细胞与肿瘤细胞之间更真实的相互作用，从而对免疫治疗期间的细胞响应和效果进行更准确的预测。在免疫细胞治疗领域，特别是CAR-T研发中，复合亲合力测量正在受到瞩目。2022年4月哈佛医学院发表在 《Nature》上的论文 “CAR T cell killing requires the IFNγR pathway in solid but not liquid tumours” 指出“亲合力逃逸” （avidity escape）是实体瘤用来避免 CAR T 细胞杀伤的一种抗性机制，因而对于细胞复合亲合力的测量能够预测 CAR T 对于实体瘤的临床治疗效果。z-Movi 细胞复合亲合力 (Cell avidity) 分析仪，是免疫治疗细胞复合亲合力领域排名第一也是唯一的产品。z-Movi 提供了一套完整的实验解决方案，专注细胞治疗领域，简化免疫细胞筛选流程，一键测量细胞间的复合亲合力。从而帮助研究人员加速细胞治疗产品的筛选和药物开发，更准确高效地筛选出优秀的免疫细胞。z-Movi 细胞复合亲合力检测仪z-Movi 的应用领域主要包括CAR-T, TCR-T, NK/CAR-NK及Cell engager免疫疗法的研发。在CAR-T研发时，通过检测cell avidity，优化CAR的设计，可以降低脱靶效应等不良反应，提高T细胞功能。至于TCR-T，相比affinity，cell avidity与T细胞功能有更好的相关性，借助z-Movi评估不同突变TCR的功能。在NK/CAR-NK研发中，cell avidity也能够用来评估NK细胞的功能及CAR的设计，筛选合适的Donor NK。最后，通过检测不同双特异性抗体与效应细胞靶细胞的cell avidity，研发者能够更好地了解cell engager在细胞相互作用中的功效。未来，我们也将与更多科研院所合作，拓展z-Movi的应用，如树突细胞（Dendritic cell），巨噬细胞（macrophage）等。基于独一无二的测量和优秀的产品设计，z-Movi 已在一众生物制药公司中大放异彩，将来，z-Movi 也必将成为细胞免疫治疗实验室与研发团队中的必备设备。本文作者：王磊博士，LUMICKS 亚太区产品应用专家于晨露博士，LUMICKS 亚太区市场负责人本文为LUMICKS供稿。如有技术干货、科研成果、仪器使用心得、生命科学领域热点事件观点等内容，欢迎相关行业朋友投稿。投稿邮箱：lizk@instrument.com.cn

近年来，转角石墨烯受到国内的关注。转角石墨烯所具有的大周期莫尔晶格（Moiré pattern）及其所带来的能带折叠效应可以诱导出丰富、新奇的电子结构。尤其是在一些特殊的小角度上，电子结构中所出现的平带会衍生出较多不寻常的现象，如超导、强关联、自发铁磁性等。       目前，多数研究采用机械剥离和逐层转移的物理方法对转角石墨烯样品进行制备，而该方法存在条件苛刻、产出率低、界面污染等问题。为发展更加高效的制备技术，科学家通过对化学气相沉积法中衬底的设计，陆续突破了几种类型的转角石墨烯的规模化制备难题。然而，关于多层石墨烯的转角周期的可控制备方面，尚无比较普适的解决办法。       近日，中国科学院深圳先进技术研究院、上海科技大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国人民大学和德国慕尼黑工业大学，寻找到一种石墨烯的折纸方法，可实现高层间周期的转角石墨烯的可控制备。研究发现，铂金表面生长的石墨烯会形成一定的褶皱，褶皱长大后向两旁倒下，并在一些位置撕裂形成一个四重的螺旋位错中心。褶皱倒下时会折叠其一侧的石墨烯，带来与褶皱的“手性”角（也就是褶皱的方向与石墨烯晶向的夹角）具有两倍关系的单层转角。科学家称之为“一维手性到二维转角的转化关系”，并利用折纸模型对该现象进行了形象的演示。该研究进一步探讨了所形成的螺旋位错再生长带来的新奇现象，并发现各层石墨烯会随着再生长形成具有周期性的四层转角结构，其中第1、3层与原始石墨烯的晶向相同，而2、4层的晶向由褶皱手性角所决定。因此研究提出了一种新的周期转角多层石墨烯的制备方法，即通过控制石墨烯褶皱形成的方向，制备具有特殊层间转角周期的多层石墨烯。该方法可用于多种可以形成褶皱的其他二维材料。      相关研究成果以《通过石墨烯螺旋的一维到二维的生长将手性转化为转角》（Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals）为题，发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院和国家重点研发计划等的支持。图1. 石墨烯折纸现象的记录与演示。（a-d）原位ESEM实验所记录的褶皱形成、倒下和再生长的过程；（e-h）相应过程的示意图；（i-l）利用折纸模型演示褶皱的形成、倒下和再生长。图2. 螺旋位错附近的再生长过程。（a-d）原位SEM实验所记录的多个反向螺旋位错附近的再生长过程；（e-h）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟演示；（i）原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皱“手性”角；（j-l）利用折纸模型演示褶皱倒下时形成的螺旋位错及下层石墨烯出现的转角；（m-t）螺旋位错再生长所带来的四层周期转角结构示意图。图3. 石墨烯螺旋的再生长和合并。（a-f）原位ESEM实验所记录的褶皱出现到最终生长成多层转角石墨烯的全过程；（g）TEM表征下的多层转角石墨烯；（h）原子分辨率的多层转角石墨烯表征图；（i-k）动力学蒙特卡洛对该过程的模拟。      图4. 多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨输运性质的区别。（a）原子力显微镜观察到的螺旋位错中心；（b-d）输运性质检测时的实验设置；（e-g）多层螺旋石墨烯和多层堆垛石墨的电阻和磁阻随温度变化的关系。

无味无毒的气体一氧化二氮（N2O，nitrous oxide）可以通过生物和非生物两类过程形成，这导致大气中 N2O 浓度每年稳定增加 0.2-0.3 %。一氧化二氮是一种消耗臭氧的物质；它的全球变暖潜力超过了二氧化碳的 300 倍，因此已经被认为是 21 世纪最关键的人为排放物。微生物可以将 N2O 转化为 N2，这是反硝化过程的最后一步，这一反应完全由一氧化二氮还原酶（N2OR 酶）催化。大气中 N2O 释放和不断积累的一个主要因素是，在高流量氮的环境下，微生物还原 N2O 的能力有限。因此，利用 N2OR 酶的性能进行农业或生物修复应用是相当有意义的，这需要对该酶及其反应过程有一个详细的了解。除了 [ 4Cu:2S ] CuZ 簇，它还含有混合价的双铜电子转移中心 CuA，这使其成为目前已知最复杂的含铜酶。各种真核生物和原核生物酶在涉及氧运输、电子转移或氧化还原催化的过程中都会使用过渡金属铜，但其巨大的细胞毒性、对铁硫簇代谢的不利影响以及产生活性氧的倾向性，使得细胞内必须进行严格的平衡和调节。N2O 还原剂通过完全在细胞质外组装 CuA 和 CuZ 来规避与细胞内铜有关的风险，尽管 apo-N2OR 已经以折叠状态通过 Tat 途径被输出。然而，这种策略导致了新的复杂情况，特别是包括在周质中没有还原当量和高能化合物，如核苷三磷酸酯。I 族 N2O 还 原催化剂的共同结构包括两个核苷酸结合结构域（NosF）和两个跨膜结构域（NosY）。一些细菌输出体进一步与附属蛋白相互作用，以建立复杂的运输系统，NosD 蛋白被认为是与 NosFY 一起发挥这种作用。由于 NosDFY 的实际货物分子尚未被确定，不能排除 CuZ 成熟所需的周质硫源。为了了解 N2OR 成熟的分子基础，这项研究制作并表征了 NosDFY 复合物，并通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）研究了它与 NosL 和 N2OR 的相互作用，揭示了由细胞质中 ATP 水解驱动的周质酶铜位点的顺序组装线。2022 年 7 月 27 日，德国弗莱堡大学生物物化学研究所所长奥利弗 艾因斯（Oliver Einsle）与美国范 安德尔（Van Andel）研究所首席研究员杜娟合作，在 Nature 发表其最新论文，题为《一氧化二氮还原酶的组装机制中的分子相互作用》（Molecular interplay of an assembly machinery for nitrous oxide reductase ） [ 1 ] 。该工作详细地解析了 N2OR 酶的三维结构和组装机理。▲图 | 相关论文（来源：Nature）p. stutzeri （施氏假单胞，一种革兰氏阴性细菌）在大肠杆菌中被生产为稳定的五亚基复合物 NosDF2Y2，并在膜部分溶解后通过色谱方法分离出来。NosF2Y2 异源四聚体形成了复合物的核心，45kDa 的 NosD 蛋白从其中突出到周质中，成为一个细长的 β 螺旋，与糖类结合的蛋白质以及糖水解酶家族具有结构相似性。NosD 的主轴从与 NosFY 对相关的双轴上倾斜，打破了分子的对称性。在 NosD-NosY 界面，NosD 的 C 端折叠成三个 α - 螺旋（hI-III），部分位于膜内，紧紧楔入 NosY 二聚体。▲图 | 无核苷酸状态下 P.stutzeri NosDFY 的三维结构（来源：Nature）为了描述 NosDFY 的 ATP 结合状态，研究者们产生了一个 NosF（E154Q）变体。在这一变体中，非活性谷氨酰胺取代了催化性谷氨酸残基 154，且该单点变体的 ATP 水解活性降低得十分明显。当在特定的背景下表达时，它会使得 N2OR 酶缺乏活性位点 CuZ 簇，从而导致功能失调。无效的 E154Q 变体使 NosF 处于 ATP 结合状态，正如其他 ABC 蛋白（ATP 结合盒式蛋白，ATP-binding cassette transporter）已经报道的那样。具体来说，ATP 的结合使得 NosF2 二聚体大幅度闭合，这一动作将直接传导到 NosY 二聚体，从而实现关闭跨膜间隙，最终诱导 NosD 在周质中发生复杂的构象变化。这一过程可以用三种主要的旋转模式来描述。▲图 | NosDFY 及铜与 NosD 的结合的构型动力学（来源：Nature）据悉，NosDFYL 在正十二烷基 β -D- 麦芽糖苷（DDM）中会被分离出来，并被重组到糖二醇胶束（GDN）和膜支架蛋白（MSP）纳米盘中，以 3.3- （纳米盘）或 3.04- （GDN 胶束）的分辨率进行冷冻电镜观察。NosL 在复合物中的位置立即变得清楚，其 N 端被解析到 NosL ( C24 ) 的脂质附着点，该位点正好位于膜界面，而脂质附着点本身并没有被解析。这种排列明晰了 NosL 实际上并不像以前提出的那样位于外膜中，而是位于细胞质膜的外叶中。▲图 | 无核苷酸的 NosDFY 接受来自 NosL 的 Cu+（来源：Nature）在三个组成部分的相互作用中，ATP 驱动的 NosD 的旋转运动控制着与其伙伴 NosL 和 N2OR 的相互作用，其具体相互作用模式见下图。负载铜的 NosL 只能在无核苷酸状态下与 NosDFY 结合，在这种状态下，NosD 上的铜结合点朝向膜，允许 Cu+ 从 NosL 转移到 NosD。随后 ATP 与 NosF 的结合引发了 NosD 的旋转，而与膜相连的 NosL 无法跟随，导致其释放。在这种构象中，NosD 现在可以通过相同的界面与 N2OR 相互作用，将其 " 含铜货物 " 转移到该酶的金属位点。然后 NosF 中的 ATP 水解使 NosDFY 回到其无核苷酸的开放构象，而 N2OR 二聚体向膜的移动最终将迫使其释放，并释放出 NosD 上 HMM 三联体的铜结合位点，以装载 NosL 的另一个金属阳离子。在任何一个方向，各自的相互作用伙伴的释放都是通过 NosD 的旋转运动机械地触发的，NosDFY 及其伙伴的复合物的结构十分详细地显示了 ATP 驱动的 NosD 的变形如何使单核伴侣 NosL 的单个铜离子逐步转移，最终组装成四核 CuZ 簇。因此，ABC 运体 NosDFY 作为一个跨膜能量转换器，动态地促进新生酶与 NosD 的铜供体的结合和分离，将一个主要的活性转运蛋白重新利用为 ATP 驱动的杠杆，跨越分隔两个非常不同的细胞区间的边界。▲图 | 铜从 NosL 经 NosDFY 到 N2OR 的运输模型（来源：Nature）总之，该研究以 NosDFY 与 NosL 和 N2OR 酶组成的复合结构为解析对象，这一结构中含有高度复杂的铜位点，利用冷冻电镜，复合结构的组装途径被完全展示。在这一途径中，NosDFY 作充当机械能量转换器的角色，而并不直接起到转运作用。这项工作是科学家首次解析如此复杂的 N2O 还原酶结构，将为微生物 N2O 降解提供完整的理论支撑，并有望推动 N2O 还原降解的技术研究。

2003年，人类基因组测序计划完成，至今已有20年。当年的“大工程”花费38亿美元，而20年后的今天，基因组测序成本已下跌8个“0”，降至不到100美元。降价让很多事情成为可能——中国工程院院士詹启敏说，我们认识肿瘤的时候不仅仅是用肝胰肺肾来区分，还可以把肿瘤细胞变异的DNA分子当作肿瘤“ID”。通过对肿瘤细胞进行测序深入了解肿瘤，可破解“ID”对应的密码，开发出对应疗法，实现“精准打击”。中国科学院院士杨焕明说，现在成本降低后，很多以前舍不得测的基因组类别现在都能测序了，比如疾病基因组、药物基因组等。基因“解码”能够提高对疾病特别是肿瘤的理解，助力早期诊断和个性化治疗，让一些疾病的发病率进一步降低，治愈率进一步提高。2022年，国际科学团队完成第一个完整的、无间隙的人类基因组序列。图片来源：视觉中国人类基因组计划在解码“生命天书”的同时，也让基因组测序技术驶向了广阔的应用蓝海。但很多人会问，基因组测序大幅降价了，为什么还不能实现“随手测”？秋冬季呼吸道疾病高发，如果咳嗽发热的人能“随手测”出感染了哪种病原体不就能更快地对症下药吗？与曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划并称为二十世纪三大科学计划的人类基因组计划给人类带来了什么？测序技术什么时候可以像智能手机一样随手可用？科技日报记者就此采访了多位专家。1以“1%”开了个好头“基因组测序技术现在有了，要用它做些什么？”2006年，国家“863”计划（国家高技术研究发展计划）在人民大会堂召开专家组会议，时任“863”计划“功能基因组与蛋白质组”重大项目首席科学家的杨焕明刚一坐下，就问坐在身边的863计划生物医药领域专家组组长詹启敏。两人不谋而合：应该立刻在我国开展肿瘤基因组学的研究。这次简短的谈话，不仅让基因组学和医学两大领域实现跨界融合，也成为我国进行肿瘤基因组学研究的起点。“我们俩先形成了一个初步的研究框架，然后与科技部沟通。得到相关部门的理解和支持后，我国开启了人类肿瘤基因组项目。”詹启敏回忆道。几乎同一时间，美国国家癌症研究所和美国国家人类基因组研究所开启了癌症基因组图谱计划。“大家都希望能让基因测序这一新技术尽快造福人类。”詹启敏说，无论是国际上还是我国都在第一时间以肿瘤为切入点开展“基建式”的解码分析研究。由于起步早、进展好，中国后来成功加入国际癌症基因组联盟，并在该联盟中发挥了重要作用。能够在基因组学研究领域始终保持不落人后，得益于我国二十多年前对人类基因组计划的积极参与——历时13年的人类基因组计划，在多年筹备后终于在1990年正式启动，随后美国、英国、法国、德国、日本等相继加入，计划用1美元破译1对碱基（组成人类遗传序列“密码”的最小单元，可理解为一个数字或字母）的投入，测定组成人类基因组的30亿个碱基对序列。1997年，由中国遗传学会青年委员会组织的青年遗传学工作者讨论会在张家界召开，杨焕明、汪建、于军等科学家倡议中国也加入其中。这一工作随后得到中国科学院和国家南、北方基因组中心同行的支持。1999年7月，中国向人类基因组计划提出申请。1999年，第五次人类基因组测序战略会议（前排右二为杨焕明）。1999年9月1日，杨焕明在第五次人类基因组测序战略会议上表示，中国有能力在2000年4月完成1%的任务，并递交了已经完成的人类基因组序列的70万个碱基对测序结果，让与会者相信中国有能力参与和完成申领的任务。最终，中国得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务。该区域约占人类整个基因组的1%。“首先需要人，人到哪里去找？”谈起中国参与人类基因组计划的筹备阶段，杨焕明记忆犹新，基因测序是个技术活，还不是光出力就行。时间很紧张，好不容易凑齐了一百多人，1个月的训练时间又把仅有6个月的任务完成期用去一段，时间愈发捉襟见肘。一张发黄的照片记录了当时的测序场景。黑板上满是测算数据，演算纸一摞一摞占满了不大的办公室。“拿到正式批准后，团队只有6个月的时间，怎么办？”杨焕明说，团队对参加国际大项目的认识高度统一，也对学习一项新技术充满热情，加班加点、不眠不休是常有的事。人类基因组计划“中国”卷部分图谱。就这样，在2000年的春夏之交，百余人耗时6个月，高质量地解码了人类基因组序列的1%。2001年2月，人类基因组计划工作草图在nature发表。2价格走向平民化20年来，技术不断迭代。2023年，利用最新测序设备进行超过400人的全基因组测序耗时仅需2.5天。测序技术已实现了自动化、智能化迭代。如今的测序场景已经完全没有了20年前“黑板上讨论、演算纸上验证”的模样。一个六轴机械臂位于中心，不同的功能单元环绕着它，除此之外还有两条四轴机械臂“助手”辅助“主臂”工作，进行基因测序。它们旋转、停顿、放样、配合分秒不差、毫厘不偏。控温、指示、判读，一切发生在毫秒之间。最先进的基因测序流程已经几乎完全由机器掌控。指甲盖大小的芯片上，有成千上万个小反应器组成测序单元。所有操作需要的速度和精度是人力难以企及的，全流程自动化串联将人力的不确定性完全剔除。当年的任务如果放在今天，人力和耗时都将大幅下降。华大集团创始人在北京空港B区科技创业园（从左到右：汪建、刘斯奇、于军、杨焕明）。20年来，基因测序价格的每一次“断崖式”下降都成为引发关注的焦点。“人类基因组计划完成过程中创新了很多方法和拼接算法。随着效率不断提高，那之后几年，测序成本下降规律一直符合摩尔定律。”华大生命科学研究院院长徐讯说，但那时，给人体30亿对碱基测序仍是“大工程”。因为很多技术还不普及，比如40年前的计算机，庞大而昂贵，普通人根本用不起。2007年5月31日，DNA之父詹姆斯沃森拿到了装有他本人基因组图谱数据的光盘。这是世界上第1份个人版基因组图谱，花费了100万美元，不及当年38亿美元的万分之三。“一条由数十亿碱基串起的‘链子’要进行测序，不可能整条链进行，需要断裂成小片段测序后再拼接起来。”徐讯说，测量一个人的基因组听起来像测量一条序列，但其实要进行无数条序列的测序。这就是为什么一次能进行大量测量的高通量技术一“入场”就再次改变了成本下降的曲线。2008年，以高通量技术为“底气”，基因测序行业提出5000美元的成本目标。五年后的高通量测序更成熟、更高效，也实现了5000美元的目标。这是基因测序走向平民化的第一步。“人们相信成本可以再降，信息化、自动化、智能化，以及生物信息处理效率相关的算力算法等都在演进。”徐讯说，测序技术越来越趋近普通人负担得起的价格，一个人的基因组测序成本终于在2023年降至不到100美元。3应用“富矿”正在开采“人类基因组计划之前，我们期待很多问题会随着测序完成而解决，但现实表明问题不是单纯基因组这一门技术就能解决。”詹启敏坦言，基因组计划已经不断拓展，发展成为涵盖转录组学、蛋白质组学、微生物组学等多个组学的生命组学研究。“如果把人体比作计算机，可以认为底层系统相同，但程序选择和进程不同。打开哪个App，运行哪段指令，都是有规律的，是什么样的规律目前却没有答案。”徐讯说。在基因组测序被证明可行之后，各种各样的测序技术发展起来，解码生命活动的各个层面，它们有着相同的经历：从昂贵到普及、从单个到大批量……如果说2003年完成的人类基因组测序掌握了一片叶子的主脉络和共性轮廓，那么，单细胞测序的任务就是清楚展现每片叶子的高清脉络。“能想象吗？2010年的单细胞测序还需要拿吸管把细胞一个一个吸出来做测序。单细胞测序的成本大约是几十万元。”徐讯说。为了增强我国在单细胞领域测序设备和配套试剂的自主研制能力，“十二五”期间科技部重点围绕重大疾病基因组组学相关的技术与装备进行任务部署，在单细胞操纵、测序与实时成像，生物信息和计算以及组学生物大数据开发与利用等方面进行顶层设计和布局。“如今单细胞测序成本降至一毛钱，我们希望未来能够到一分钱左右。”徐讯介绍，当前，全球科学家已经可以对心、肺甚至大脑等各类组织细胞进行高精度解析，中国科学家始终处于前列。单细胞测序技术DNBelab C4。“在测序和分析的科研赛道上，中国一直处于第一梯队。”詹启敏说，无论是人类基因组、其他物种的基因组还是单细胞测序等其他测序领域，中国学者都为人类解析生命本源提供了大量开创性成果。“我国高度重视生命组学技术的发展。”中国生物技术发展中心前沿技术处副处长田金强介绍，科技部围绕功能基因组、蛋白质组等相关技术进行任务部署，组织科研力量围绕涉及人体重要生理功能、早期胚胎发育、胃肠癌等相关基因组领域开展重点研究。科研的部署让不同组学纵横交错，为有关生命科学问题提供不同视角的解析和证据。“以肿瘤为例，随着人们对肿瘤细胞认识的深入，人们越发意识到要将测序数据与其他方式得到的数据进行整合判断。”詹启敏说，利用人工智能等信息技术，从更多视角深入认识肿瘤和生命活动是未来方向。在此基础上，肿瘤治疗方法正在变得精准而多元。以我国多发的食管鳞癌为例，基因测序能帮助患者找到适合的疗法。“把食管鳞癌精准分成不同亚型后，癌症患者可通过取样测序分析，在铂类药物、细胞周期抑制剂、癌基因信号通路抑制剂、PD1（程序性死亡受体1）抗体等各类疗法中找到适用的药物。”詹启敏说。生命“解码”愈高清，精准治疗愈可行。基因治疗、细胞治疗、基因编辑技术等逐渐达到临床要求，用于复杂难治型疾病的治疗。基于核酸药物、基因技术的新疗法、新突破不断推进。12月8日，美国食品药品监督管理局批准首款CRISPR（基因编辑技术的一种）基因编辑疗法用于治疗镰状细胞病。在我国，国家层面的支持也始终紧跟时代步伐。田金强介绍，2022年科技部启动相关项目，主要围绕“生命组学、基因操控、生物治疗”等发展方向进行任务部署，生命组学聚焦组学大数据获取、分析、交互等技术与装备的研发，不断提升研究的维度、精度和深度。4未来万物皆可“测”在学术领域，基因编辑技术、阿尔法折叠、肿瘤疫苗、基因靶向药物……以人类基因组计划为起点，生命科学领域诞生了一个又一个时代“新星”。生活中，基因溯源、药物敏感预测、本底基因护肤指南甚至为高空坠下的烟头溯源等都是基因技术展露身手的场景。全球最高通量基因测序仪DNBSEQ-T20x2。我国在生命组学领域具备了一定研发的能力。田金强介绍说，基因测序仪实现了核心技术自主可控，在通量、质量、速度、性价比等方面与国际竞争对手并驾齐驱；基于高密度、大视场芯片及高通量测序的空间组学技术处于国际领先地位；蛋白质组研究一直走在世界前列；单细胞测序设备基本实现了国产化……面向未来，人们对生物与信息技术的加速融合寄予厚望。“在三维成像、虚拟现实等技术的支撑下，或许将来可以亲眼看到纳米级生命大分子之间的相互作用。”詹启敏说，超分辨可视化的前沿技术正在路上，获得基因序列只是初步了解，如果能够亲眼看到自己一段一段基因的“动作”，甚至看到蛋白分子与它们的动态“交流”，将有利于形成更具象的认知。新科技的浪潮奔涌而来。它们广泛融合、碰撞创新，一日千里的发展势头推动着科技创新一路向前。“一些重要装备的核心零部件和关键原料的研发和生产能力仍有待提高。”田金强坦言。一切科技创新都是为了让人们更好地享受基因技术带来的健康红利。下一个20年，基因技术会像信息技术、电力技术一样普及吗？“尽管基因测序设备目前还是科研机构或医院才用得起的设备，但技术的进步会以社会需求为驱动，我相信家用型的基因检测终端应该很快会出来。这在技术上已经是可以实现的。”徐讯说。有了家用基因测序仪，人们不仅可以及时地在秋冬季感染高峰时及时检测传染源，避免滥用抗生素，还可以做很多有趣的事情，比如认识郊野公园中的很多物种，测一测餐桌上的牛肉品种……5生命“解码”在路上普通人离基因技术越来越近，但对于人类基因组计划的亲历者和继承者们，仍有一个终极问题令他们魂牵梦萦。“生命的本源问题，至今没有答案。”詹启敏解释说，同一个受精卵细胞为什么会发育成不同的组织细胞，基因表达的次序与时空存在一定的关系，但至今是个谜。左图：2022年5月，小鼠胚胎发育时空图谱以封面文章形式发表在《细胞》杂志。右图：2022年9月，蝾螈大脑再生时空图谱研究成果以背靠背封面文章的形式发表在《科学》杂志。为了揭开谜底，时空组学技术近些年发展起来。“国际同行2018年发明相关的技术，我们也没有落后。”徐讯介绍，华大基因创新地把喷墨打印技术应用于测序芯片上，实现了时空组学技术的高通量、高分辨率和大视场，并基于该技术成功绘制了全球首个小鼠胚胎发育时空图谱，实现了对蝾螈大脑受损后恢复完整的这一过程中，基因表达的时间和空间变化的详尽记录等重要突破。时空组学技术是不是人类解码“生命天书”的最后一块“拼图”？这项技术在未来二十年将为人类生命健康带来哪些突破性进展？我们将拭目以待。

一名患者到医院住院后，在上医疗仪器上检查时跌落到地上摔伤，致腰椎骨折，最终法院以医院对患者可能出现的安全隐患缺乏防范，判处医院赔偿近八千元。12月8日，泗洪县人民法院召开人参损害类案件新闻发布，通报了包括这一案例在内的十大典型案例。　　2016年3月15日，朱某因患糖尿病到泗洪县某医院住院就诊。住院后第三天，医生安排朱某进行核磁共振检查，同时安排一名护士陪同。核磁共振检查不是每个人都能正常适应，机器打开会出现噪音，病人戴头罩可能会致病人压抑感，检查时应系好安全带。朱某在检查上腹部MRI中出现胸闷，不能呼吸，护士遂解开朱某身上的安全扣，朱某因烦躁不慎从MRI机床上面跌落下来导致摔伤。经诊断为腰3椎体前缘骨折，住院22天，支付医疗费用3452元。　　泗洪法院审理认为，在医疗行为过程中，医务人员应保持足够的审慎注意义务，以预见医疗行为结果和避免损害结果的发生。该医院明知核磁共振检查不是每个人都能正常适应，在朱某出现身体不适、胸闷时，解开了安全带，对患者可能出现安全隐患缺乏防范，导致损害后果的发生，其应当承担赔偿责任。最终法院判决某医院赔偿朱某损失7978元。　　法院认为，医务人员在在诊疗活动中应当向患者说明病情和医疗措施，需要实施手术、特殊检查、特殊治疗的，医务人员应当及时向患者说明医疗风险、替代医疗方案等情况，并取得其书面同意 不宜向患者说明的，应当向患者的近亲属说明，并取得其书面同意。医务人员对患者的生命与健康利益应具有高度责任心，在医疗行为过程中，应保持足够的审慎注意义务，以预见医疗行为结果和避免损害结果的发生。　　据介绍，泗洪法院此次通报的十起典型案例，是从近年来审结的涉及人身伤害的2000余件案例中挑选出来的，案件涵盖了道路交通、工程作业、公共服务、公共场所安全保障、未成年人保护等多种类型侵权责任的承担，目的在于通过案例这一生动的载体，向社会公众宣传法院的审判理念与裁判思路，指明风险与防范、侵权的构成与责任的承担，引导全社会树立法制意识和观念，提升风险防范意识。

斯坦福大学一位工程师研制出一款DIY显微镜，Foldscope，由A4折叠而成。这种纸质显微镜成本极为低廉(不到1美元)，但放大率为2100倍，能够用于诊断多种疟疾菌株及其它疾病。由于目前诊断需要价值高昂体型庞大的光学显微镜，Foldscope将使全球医学界，尤其是贫穷国家的医疗水平产生变革。 　　过去的200多年间，光学显微镜的构成以及功能都没有太大的改变。显微镜的形状极易辨认，设计也一成不变，永远都是目镜、物镜、盛放样本的平台以及光源。整个结构沉重、庞大，价值高昂。 　　斯坦福大学工程师Manu Prakash意识到，显微镜其实可以是十分简单的设备，可以剔除繁杂的结构而不至于影响显微镜的功能。 　　Foldscope由硬纸板折成，有简单的球面透镜、LED以及扣式电池。Foldscope能够在三分钟内装配完毕，总重量不超过10克，所有成本相加在1美元左右。摔落在地还是不小心踩上去都不会影响它的正常工作。 　　Foldscope还能用作投影仪。根据所需的不同放大率，可装配多种不同的透镜。

#本文由马尔文帕纳科医药业务发展经理 韩佩韦博士供稿# 蛋白质的热稳定性研究对于加深对蛋白质的结构和功能的了解有着非常重要的意义。差示扫描量热技术（DSC）是直接测量热转变过程焓变（ΔH）唯一的分析方法，例如蛋白质，核酸或其他生物多聚物的热变性过程，为表征蛋白质及其他生物分子的热稳定性建立“金标准”技术。 一、焓变对于蛋白质的稳定性意味着什么？ 1，什么是焓（hán）变（ΔH）？ ΔH（焓变）是在恒压状态下将系统升高至温度T过程中摄取的总能量。对于蛋白质而言，这意味着用于使蛋白质发生去折叠所花费的能量（热量），此过程中 ΔH 是为正值，代表这是一个吸热过程。这种能量与蛋白质中所有原子和分子运动相关，以及维系蛋白质保持折叠构象中的键能。 通过将吸热谱图下方的面积进行积分（见图 1）可以计算得到焓变（ΔH）。焓变用每摩尔蛋白质的吸收的卡路里（或焦耳）来表示。由于蛋白质在 DSC 实验中暴露于升高的温度，因此蛋白质开始发生热变性，并伴随着非共价键的断裂。焓变（ΔH）与维系蛋白质天然（折叠）构象中所需的价键数量有关。焓变（ΔH）也取决于我们测量总蛋白质浓度的准确程度。如果蛋白质浓度不是很准确, 则会影响到计算出的ΔH值。 2，焓变（ΔH）值可以在实践中告诉我们什么？ 当您比较不同蛋白质的DSC结果时，具有较大ΔH值的蛋白质不一定比具有较小ΔH的蛋白质更稳定。由于ΔH值会对蛋白质摩尔浓度归一化，因此该值通常与蛋白质的尺寸成比例。大多数蛋白质具有相同的键密度（单位体积内的价键数量），因此，期待具有较大分子量的蛋白质也具有较大的焓变（ΔH）值也是合理的。 3，焓变（ΔH）的决定因素是什么？ 焓变（ΔH）取决于溶液中天然蛋白质的百分比。 一个非常重要的考虑是DSC仅测量初始处于折叠（天然）构象中的蛋白质的ΔH值。ΔH值取决于具有折叠（活性）构象的浓度。如果初始折叠蛋白质组分小于总蛋白质浓度（即活性浓度小于100％），则计算出的ΔH值将相应地变小。 下图显示了在储存期间的不同时间测量的相同蛋白质的DSC图谱。蓝色曲线图谱表示新鲜制备的蛋白质，是100％天然（折叠）蛋白质。当蛋白质样品在储存期间发生部分变性时，溶液中的天然蛋白质的比例开始下降，导致DSC图谱的焓变降低。当我们拥有100％天然蛋白质的参考DSC图谱时，我们可以根据不同状态样品的相对ΔH值来估计每个样品中的折叠蛋白质比例。 4，如何判断蛋白质是否失活？ 到目前为止，我们已提及的焓变是指通过DSC仪器直接测量到的“热”焓，也就是热力学焓变，通常表示为ΔHcal，这是其他任何非量热技术，例如圆二色谱（CD），表面等离子共振（SPR）等技术不能获取的焓变量。 还有另一种其他技术可以获取的焓变类型，即范霍夫焓变 - ΔHVH，我们同样可以通过DSC数据计算得出。范霍夫焓变（ΔHVH）可从通过DSC非两状态模型（non-2-state model）拟合得到。 两种不同的焓变对蛋白质热稳定性的测定又有什么实际意义呢？ 在DSC技术中，ΔHcal仅由DSC热转变峰曲线积分的面积来确定，而ΔHVH仅通过热转变峰曲线的形状来确定。转变峰形越尖锐，ΔHVH越大，反之亦然。ΔHcal是具有浓度依赖性的，但ΔHVH不是。 若ΔHcal/ΔHVH比例为1，通常意味着所研究的热转变状态符合两状态去折叠（Two-state unfolding model）模型。如果ΔHcal/ΔHVH比例大于1，则意味着存在显著密集的中间体存在 而ΔHcal/ΔHVH比小于1，则意味着存在分子间相互作用。 使用ΔHcal/ΔHVH可以帮我们估测是否有很大部分蛋白质是失活的。如果我们有一个简单的单结构域蛋白质，并且假定没有中间体，则我们可以预测，其去折叠过程的ΔHcal/ΔHVH的比值不会远离1。因此，如果ΔHcal显著低于ΔHVH，可以表明很大部分蛋白质已经失活。 综上所述，对DSC中ΔH数据的分析可以让我们了解蛋白质的去折叠机制，以及多少蛋白质处于其活性的天然构象。 二、TM值如何与和蛋白质稳定性相关？ 中点转变温度TM我们可以从DSC数据中提取多个热力学参数，例如ΔH，ΔHVH（范霍夫焓变），ΔCP和ΔG，但最广泛使用的参数是TM。顺便提一下，这也是最容易和最准确的值 - TM是最大峰值所对应的温度。 “蛋白质稳定性”有多种定义。最常见的是，对于工业上有重要意义的蛋白质，该术语是指在生理温度下的功能（或操作）稳定性 即，他们可以在37°C下发挥多长时间的生物功能？这可以通过需要花几天或数周时间的等温研究来评估，或者，如果使用差示扫描量热法（DSC），则可以在几分钟内变性蛋白质。 通过DSC获得的哪个热力学参数与功能稳定性相关度最佳？事实证明，是TM值。 热力学稳定性（ΔG）是功能稳定性的较差的预测因子 技术上，ΔG仅适用于可逆去折叠过程，此外，它由TM，ΔH和ΔCP计算得到，后者可能很难获取。 一个例子是TM和ΔG与人肉杆菌蛋白抗原血清型C的半数聚集时间(half time)（作为功能稳定性的量度）的相关性，用作模型蛋白。ΔG与T1 / 2 agg. 相关系数（R）仅为0.4，而TM 与 T1 / 2 agg.的相关系数是0.92。（来自J Pharm Sci的数据，2011 Mar 100（3）：836-48） 思考TM的一种方式： 如下图所示，假设我们用 DSC 扫描两种不同配方中的蛋白质或两种不同的蛋白质构建体，则 TM 值向低温方向 5℃ 的负偏移（稳定性下降）实际上反映了在 37℃ 条件下的 Fu （蛋白去折叠比例）由2％增加到 3％。温度 T 下的 Fu 蛋白可以通过图像化的方式估算，即温度 T 以下的曲线下阴影区域面积和整个曲线下方面积的百分比。 由于聚集体的生成可能是浓度依赖的过程，因此较高浓度的去折叠蛋白质（红色扫描曲线）将导致较快的聚合（更大组分的去折叠状态（U）才能转换为不可逆变性状态（I）。参见下面的原理图。 这种解析的一个推论是，曲线的整体形状应该是相似的。我们假定这种情况是对于在不同配方中的相同蛋白质或由一个母分子衍生出来的具有相似构建体的蛋白质。但是，对于完全不同的蛋白质，使用TM值作为用于稳定性比较的预测指标则应该谨慎使用。 扩展阅读（www.malvernpanalytical.com）Differential Scanning Calorimetry (DSC): Theory andpracticeDifferential Scanning Calorimetry (DSC) forBiopharmaceutical Development: Versatility and PowerThe Power of Heat: Digging Deeper with DifferentialScanning Calorimetry to Study Key Protein Characteristics PEAQ-DSC 微量热差示扫描量热仪：DSC差式扫描量热法（DSC）是一种直接分析天然蛋白质或其他生物分子热稳定性的技术，无需外在荧光素或者内源荧光，它通过测定在恒定的升温速率下使生物分子发生热变性过程中的热容变化来实现。 马尔文帕纳科 MICROCLA PEAQ-DSC 微量热差示扫描量热仪能够帮助用户快速确认维持高级结构稳定性的最佳条件，提供简介、无缝的工作流程和自动化批量数据分析，其所提供的热稳定性信息被业内视为“金标准”技术，是一种非标记、全局性的数据。 关于马尔文帕纳科马尔文帕纳科的使命是通过对材料进行化学、物性和结构分析，打造出更胜一筹的客户导向型创新解决方案和服务，从而提高效率和产生可观的经济效益。通过利用包括人工智能和预测分析在内的最近技术发展，我们能够逐步实现这一目标。这将让各个行业和组织的科学家和工程师可解决一系列难题，如最大程度地提高生产率、开发更高质量的产品，并缩短产品上市时间。

本篇继上一篇“实用建议：“如何合理设计稳定的冻干蛋白配方（一）”继续为大家分享蛋白样品冻干的理想赋形剂有哪些、基于成功蛋白冻干配方会导致Final失败的一些细节问题等。 》》》对于蛋白样品，理想的赋形剂有哪些？从冻干对蛋白的所有危险以及我们需要在各个环节考虑的所有因素来看，快速开发一个稳定的蛋白配方看起来似乎是不可能的。幸运的是，如果我们能够采用合理的方法对配方进行很好的设计，大多数的配方问题是可以得到快速解决。这里，我们主要是对初始配方成分的选择提供基础。在一些情况下，初始的配方很有可能就是走向市场的Final产品。给定的组分，进行不同微小的修改，已经被成功地用于蛋白药物。需要强调的是对于冻干配方，在能够提供良好稳定性和结构的情况下，成分越简单越好。所加入的赋形剂都须要有数据证明对配方起有益的作用。01给定蛋白质维持稳定性的具体条件对于一些通用型的稳定剂，可以有效地保护绝大多数的蛋白质，在选择这些稳定剂之前，我们有必要通过优化影响蛋白物理和化学稳定性的具体因素来选择合适的稳定剂。影响蛋白物理和化学稳定性的具体因素：1. 避免极端的pH值可以显著降低蛋白脱氨基的几率。而且，通过优化溶液的pH值，可以显著提高蛋白在冻干过程中抵抗去折叠的能力。2. 还应该研究其他能提高蛋白质稳定性的特异性配体（通过增加去折叠的自由能）。肝素和其他聚阴离子对生长因子的稳定性影响就是一个很好的例子。3. 其它需要考虑的重要因素是离子强度对蛋白的去折叠和聚合的影响。须意识到，在预冻过程中，由于冰的形成将溶液浓缩，离子强度可增加50倍。因此负责原料药纯化和做药物配方前研究的人员已经对这些问题有了深刻的认识，配方科学家应该在着手设计冻干配方之前与他们进行沟通。即使在针对蛋白质稳定性优化的特定的溶液条件下，但是如果样品需要幸免于冻干的损害并长期保存，有必要加入一些其它的保护剂。首先，我们考虑一些已经用在冻干蛋白配方中的成分，但它们不能提供蛋白的稳定性，而且可能会促进蛋白在储存期间的破坏。我们将提供一个简单、有效的思路，并且讨论选择这些成分的原理。02不能提供蛋白稳定性的赋形剂部分多聚物作为赋形剂的优缺点在冻干工艺的快速开发过程中，为了获得一个强壮的蛋糕结构，一些多聚物，如葡聚糖，羟乙基淀粉，因具有较高的塌陷温度，导致Final产品的Tg也会比较高，常常是受欢迎的赋形剂。不好的是，这些多聚物在冻干过程中不能抑制蛋白结构的去折叠，因此在后续的储存中不能提供稳定性。无法抑制冻干诱导变性的原因大概是聚合物过大而无法与蛋白质氢键合，无法代替脱水过程中损失的水，或者是因为聚合物与蛋白质形成了分离的无定形相。尽管当这些多聚物单独使用时不是一种很好的稳定剂，但是经证实，如果其结合双糖稳定剂可以具有较好好的作用。冻干过程中的有效稳定剂对大量的化合物进行测定，显示在冻干过程在较有效的稳定剂是双糖，但是避免使用还原性糖。还原性糖在冻干过程中可以有效抑制蛋白结构的去折叠，但是在干燥样品的储存过程中，可以通过美拉德反应（糖的羰基和蛋白质上的游离氨基）降解蛋白，结果形成含有降解蛋白的棕色糖浆，而不是含活性蛋白的白色蛋糕状结构。通常，我们减缓这个过程的方法是将样品储存在零度以下，这就失去了产品冻干的意义，这些还原性的糖包括：葡萄糖，乳糖，麦芽糖，麦芽糊精等。在早期的研究中，晶体类的填充剂如甘露醇，甘氨酸在冻干过程中不能提供蛋白很好的稳定性，但是，一些配方使用了这两种物质的混合物，并且成功地推向了市场。在这些案例中，甘露醇和甘氨酸适当的比例可以导致一大部分的化合物保持无定形状态。这部分无定形状态的化合物足以抑制冻干过程中蛋白的去折叠并且提供长期储存的稳定性。但是建议谨慎选择这种方法，因为达到合适的工艺条件再加上合适的赋形剂比例，既耗时又很难办到的。03赋形剂的合理选择如何合理的选择赋形剂？案例分享举个具体的案例说明，假设：1. 蛋白药物的浓度定在2mg/ml；2. 主要的降解途径是冻干后或复水后蛋白的聚合以及储存期间蛋白的脱氨基；3. 优化具体的条件（如用柠檬酸盐缓冲液控制pH为6）只能将冻干和复水后聚合程度降到10%，尽管样品在低于Tg温度的20℃下进行储存脱氨基速度仍然不能接受。加入晶体类的膨胀剂，如甘露醇，保持样品强壮的结构及良好的外观。在这种情况下，主要缺少的成分是非还原性双糖，其在干燥样品中会与蛋白形成无定形的结构，作为主要的稳定剂，主要选择蔗糖或海藻糖。它们在预冻阶段能够很有效地保护蛋白并且能够很好的抑制复水过程中蛋白结构的去折叠。预冻阶段的保护取决于初始糖的总浓度，有时，超过5%（w/t）的浓度可以尽可能大程度地保持蛋白的稳定性。相反，在干燥阶段，蛋白的保护取决于Final糖和蛋白的质量比。一般来说，糖和蛋白的重量比至少为1:1时，可以提供较好的稳定性，当达到5:1时，可以达到很佳的稳定性。保持蛋白的浓度不变，选取一定范围的糖浓度进行筛选和检测，通过干燥样品中天然结构保留率以及复水后蛋白聚合降低的程度来确定最合适的浓度。一般来说，合适的糖浓度，可以在冻干过程中提供蛋白很好的稳定性，并且如果Final样品的Tg高于储存温度，在后期的储存期间也可以提供蛋白较好的稳定性。例如，假定最高的储存温度为30℃，那么Final产品的Tg ＞50℃应该是稳定的，但前提是Final样品的含水量需要达到允许的水平，因为水分的存在会降低样品的Tg。可以使用DSC检测每种样品的Tg值。蔗糖/海藻糖如何选择？蔗糖和海藻糖，作为两种常用的稳定剂，均有其优势和劣势，可根据不同的情况进行选择：● 在任何水分含量的样品中，海藻糖均会有较高的Tg，因此较为容易冻干。另外Tg ＞50℃的条件可以允许样品有较高的残留水分。然而，技术工程师应该能够针对这两种双糖设计经济有效的工艺。如果样品中蛋白浓度较高，可以提高Tg，这样就会弱化海藻糖的作用；● 与蔗糖相比，海藻糖更能抵抗酸解，双糖水解后会产生还原性的单糖，这是需要避免的。通常情况下，如果pH不是很低，如pH4左右或更低，这个应该不是很大的问题；● 蔗糖在冻干过程中抑制蛋白去折叠方面看似比海藻糖更有优势，当蛋白在预冻阶段非常不稳定（需要较高的糖浓度）和/或蛋白浓度较高时，这种优势更明显。海藻糖的相对不稳定性是由于在预冻和干燥过程中其更易于与蛋白之间产生相分离。对于给定的配方，这是否会有问题不能被预测，因此，每种制剂配方都需要检查其保护蛋白的能力。表面活性剂的作用在这里，我们案例中的配方可能就比较完整了，就像许多蛋白质的情况一样。然而，我们假设，即使蔗糖完全抑制可检测的蛋白质去折叠，正如用红外光谱对干燥固体的结构分析所评估那样，在复水后，仍然有1%的聚合蛋白。因为在原始的样品中是没有任何聚合的，假设在冻干过程中，一小部分蛋白发生了去折叠，在复水后，部分这些分子又重新折叠，但是部分聚合在一起。这个实际上看起来是个很普遍的问题，就像在冻干之前一些处理造成的聚合。幸运的是，通过在配方中加入一些非离子型表面活性剂，如聚山梨醇酯（吐温）通常可以抑制蛋白的聚合。要求的浓度通常比较低（＜0.5% w/v），通过将表面活性剂滴定到包含所有其它组分的冻干制剂中，可以识别出理想浓度。应避免加入过量，因为表面活性剂在室温下是液体的状态，如果浓度较高，会降低配方的玻璃态转变温度。然而，通常在优化蛋白质稳定性所需的非常低的浓度下，不会有问题。表面活性剂看作是画龙点睛，通常在冻干产品配方中加入表面活性剂是有利的，可以抑制处理过程中界面引起的去折叠和聚集（如起泡夹带或瓶-液界面引起的）。最重要的是表面活性剂在冻干/复水过程中抑制聚合的能力，目前还不太清楚表面活性剂的保护在哪一步起作用的。有资料证明，表面活性剂在冻融及复水过程中可减少蛋白聚合并且在预冻阶段有助于抑制蛋白的去折叠，对干燥固体中聚集物特定红外波段的检查表明，表面活性剂可以抑制冻干过程中产生的聚集。在复水过程中，曲折叠分子的聚合能通过表面活性剂得到抑制，猜测是通过分子之间的相互作用和/或作为一种润湿剂，加速冻干产品的溶解。如果显示表面活性剂在复水过程中是有益的，则可以通过在稀释剂中加入表面活性剂来达到这种效果。 》》》还有哪些意想不到的危险可能会导致失败？尽管根据上述给出的建议，对于给定蛋白，我们可以设计出成功的配方，但是，还有其他一些问题可能会导致Final失败，特别是在长期储存期间。● 赋形剂中经常会有一些污染物，这些会导致蛋白快速的化学降解，糖类和甘露醇中会含有过渡金属元素，表面活性剂可能被过氧化物污染，所有的这些可以促进蛋白的氧化；● 在储存过程中，水分从胶塞转移到产品，引起水分参与的降解，直接损坏蛋白，并且降低蛋白的Tg,加速蛋白的降解，特别是当储存温度高于Tg 时；● 即使在高温（如40℃）下的储存稳定性研究中，一切都表现出理想的状态，但有一个常见的，但很少报道的事件可能是灾难性的，这个问题可以用下面的故事来说明。产品在实验室中在40℃下储存可以保持几个月的稳定性，在冬季，产品在运输过程中也保持良好的稳定性，没有来自消费者的问题报告，然而，有时在夏季，运输后，在室温下储存仅2周后发现产品过度降解，用差示扫描量热仪DSC对一开始的干燥粉末进行了检查，给出了合理的解释，结果发现，制剂中的甘露醇没有全部结晶，而是形成了Tg约为45℃的亚稳玻璃态，当在夏季运输过程中，超过了这个温度时，甘露醇变发生结晶，最先与甘露醇结合的水被转移到了剩余的无定形相中，蛋白相的水含量增加，降低了它的玻璃化转变温度，因此，加速了蛋白质的降解。这个问题可以使用DSC设计合理的退火方案使甘露醇再预冻阶段全部结晶来避免，另外也可以通过调整甘露醇的浓度，降低残留水分含量，使甘露醇即使在45℃的条件下也不会结晶。 》》》对于给定的蛋白药物，这些信息足够吗？对于大多数的蛋白，上面给出的建议一般会设计出成功的配方，但是，每种蛋白都有其独特的物理化学特性和稳定性要求。因此，针对每种不同的蛋白，配方也需要自定义设计。结合蛋白本身的特性知识以及选择合理的赋形剂可以快速设计出稳定的冻干蛋白配方。最后，在快速冻干工艺中保持干物质的物理性质和在干燥后获得天然的蛋白质之间需要折衷，研究表明：当蔗糖结合葡聚糖一起使用时，由于蔗糖的作用，蛋白质的天然结构可以保留在干燥的固体中；葡聚糖的存在提高了制剂的Tg，并提供了一种无定形的填充剂，快速干燥的同时保留了所需的蛋糕性质；其他的一些聚合物有可能提供与葡聚糖相同的优势，如羟乙基淀粉也具有较高的Tg，通常比葡聚糖更容易接受用于肠胃外给药。期望可以合理地利用这些多聚物作为Tg的调节剂，使得制剂更稳定，更容易快速冻干。莱奥德创冻干技术分享关注“莱奥德创冻干工场“，立即获取冻干线上技术分享内容。基于对于冻干研发的一些考量，莱奥德创创建了金字塔冻干技术分享平台：包含了从冻干理论基础，到配方和工艺开发，再到放大及生产，以及进阶的设备管理和线上线下专题内容分享。内容结合了来自Biopharma的冻干理论指导体系、来自于莱奥德创产品经理及应用工程师的实践经验总结及国内外专家的专题内容。获取方式Step 1：关注公众号 扫码关注莱奥德创公众号Step 2：点击菜单栏“冻干讲堂” Step 3：点击你感兴趣的内容Banner Step 4：开始学习 如果您对上述设备或冻干服务感兴趣，欢迎随时联系德祥科技/莱奥德创，可拨打热线400-006-9696或点击下方链接咨询。译自：《Rational Design of Stable Lyophilized Protein Formulations:Some Practical Advice》 John F.Carpenter,Michael J.Pikal,Byeong S.Chang,Theodore W.RandolpH pHarmaceutical Research, Vol.14,No.8,1997* 如有理解错误之处，还请参考原文关于莱奥德创冻干工场上海莱奥德创生物科技有限公司专注于提供前沿的冻干设备应用和制剂开发相关服务，依托于合作伙伴加拿大ATS集团SP品牌和英国Biopharma Group等的紧密合作，致力于促进中国生物医药技术创新升级，助力中国大健康行业的持续发展。莱奥德创在上海及广州设有实验室，拥有专业的技术团队及国内外专家支持体系。莱奥德创面向生物制药、食品科学等各个领域行业客户，提供冻干研发、放大、委托生产及培训等服务。前期研发● 产品配方特征研究:共晶点温度(Te)、塌陷温度(Tc)、玻璃态转化温度(Tg'、Tg)测定等；● 实验室工艺开发：冻干工艺开发:冻干制剂配方开发，工艺确定，申报材料撰写；● 冻干工艺优化：利用中试冻干机上PAT工具优化及缩短工艺；● 冻干产品质量指标测试：水分含量，冻干饼韧度分析；● 咨询服务：如产品外观问题、产品质量问题、其他troubleshooting等；工艺放大/技术转移● 冻干工艺转移/放大: 远程技术指导+现场服务；● 小批量冻干生产(NON-GMP)，临床一期生产（GMP）；其他业务● 企业小团队线上线下培训服务：冻干原理，工艺开发，设备使用维护等；● 冻干设备租赁服务。400-006-9696www.lyoinnovation.com莱奥德创冻干工场中国(上海)自由贸易试验区富特南路215号自贸壹号生命科技产业园4号楼1单元1层1002室德祥科技德祥科技有限公司成立于1992年，总部位于中国香港特别行政区，分别在越南、广州、上海、北京设立分公司。主要服务于大中华区和亚太地区——在亚太地区有27个办事处和销售网点，5个维修中心和2个样机实验室。30多年来，德祥一直深耕于科学仪器行业，主营产品有实验室分析仪器、工业检测仪器及过程控制设备，致力于为新老客户提供更完善的解决方案。公司业务包含仪器代理，维修售后，实验室咨询与规划，CRO冻干工艺开发服务以及自主产品研发、生产、销售、售后。与高校、科研院所、政府机构、检验机构及知名企业保持密切合作，服务客户覆盖制药、医疗、商业实验室、工业、环保、石化、食品饮料和电子等各个行业及领域。德祥始终秉承诚信经营的理念，致力于成为优秀的科学仪器供应商，为此我们从未停止前进的脚步。我们始终相信，每一天都在使这个世界变得更美好！

最近，美国国家科学院院刊以通讯形式刊登了中国科学院大连化学物理研究所庄巍研究组在“使用手性诱导二维红外光谱中仿真手段分辨初期Aβ42的单体结构”研究中取得的新进展。 　　众所周知，老年痴呆症的致病主要原因被认为是Aβ蛋白误折叠后形成纤维状聚集体并在脑部产生淀粉样沉淀。研究表明，在误折叠过程早期，Aβ42单体是由多种构象混合而成，这些物种可以按照在特定区域内典型的β-hairpin的特征构型进行分类。理解这一高度无序的构象组合在纤维化早期如何转化为均一有序的β结构并发生聚集，对于深入研究老年痴呆症的致病机理有重要的意义。然而尽管这些物种的结构特征不同，但由于常用的谱学技术，如NMR等技术的时间分辨率有限，且缺少不同异构体的高分辨光谱特征指认，而不能直接跟踪相关蛋白的构象动力学，因此对于Aβ蛋白误折叠早期阶段动力学现象研究的手段一直相当缺乏。 　　庄巍等人运用分子动力学模拟并结合二维红外光谱，研究了上述物种的结构、互变动力学以及它们的光谱特征。结果表明，常用的有序参数对Aβ42单体的不同构象并不敏感，而普通的非手性二维红外信号的分辨率也因其对一般有序参数固有的依赖性而受到限制 而某些精心设计的脉冲序列，由于其对与蛋白各种单体构象手性差异的高度敏感，原则上能够将这些单体结构分辨出来。这一类手性诱导技术可以被理解为是圆二色光谱技术(CD)在非线性光谱技术领域的拓展，具有比CD更高的光谱分辨率和CD所不具备的超高时间分辨率，而能够追踪在误折叠过程中各单体组分含量的变化。这项理论模拟研究，展示了手性诱导(CI)二维红外技术在考察Aβ42聚合过程的潜力，该研究策略有望成为一种新的实验技术。此工作在生物医药学领域，特别是在理解老年痴呆症等相关疾病致病机理方面，具有重要意义。 　　该研究工作得到国家自然科学基金等的资助。

研究背景蛋白质分子在真实生命条件下的结构和功能特性往往受多种环境因子调控，包括配体分子、缓冲条件以及各种类型翻译后修饰等。作为一种常见的翻译后修饰，蛋白不稳定聚糖修饰，例如糖基化中的唾液酸化修饰，在各种生物过程中发挥着至关重要的作用。然而，由于天然可变性和环境敏感性，在完整蛋白水平研究唾液酸化修饰的构效关系一直缺乏合适的结构分析手段。论文简介近日，南开大学李功玉课题组（研究方向：大分子结构质谱分析）与福州大学李金宇课题组（研究方向：计算化学生物学与药物化学）合作，发展《糖型分辨去折叠离子淌度质谱》方法，利用课题组自主开发的《结构质谱指引下的分子动力学模拟》技术，成功揭示了唾液酸化修饰与糖蛋白构象稳定性之间的复杂关系（Chem. Sci. 2024, DOI: 10.1039/D4SC03672G）。该研究通过对唾液酸化模式、化学计量学信息及其对构象稳定性影响的综合分析，系统阐明唾液酸化调节蛋白质动态三维结构的分子机制，为蛋白低丰度翻译后修饰结构的快速高效解析提供一种新思路。该工作是李功玉课题组在《构象分辨质谱分析》领域的应用方法学拓展与深化，通过发展全离子去折叠、非变性离子淌度质谱和全原子分子动力学模拟技术，使构象分辨质谱分析从小肽（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202314578 Chem. Sci. 2023, 5936-5944 Anal. Chem. 2023, 2221-2228）跨越至大蛋白（Chem. Sci. 2024, DOI: 10.1039/D4SC03672G Anal. Chem. 2023, 10895-10902 Anal. Chem. 2022, 2142-2153），成功实现微小差异的蛋白动态构象的快速高效分辨分析，有效提高了结构质谱解析气相蛋白动态构象的结构分辨率（Nat. Commun. 2019, 10, 5038），属于化学测量学领域质谱分析方向的前沿研究课题。研究亮点开发了一种糖型分辨蛋白构象去折叠策略，通过课题组前期报道的全离子去折叠 (AIU) 与非变性离子淌度质谱 ( Native IM-MS ) 联用技术，实现了对不同糖型蛋白质构象的稳定性快速分析和动态去折叠过程的可视化追踪（Chem. Sci. 2024, DOI: 10.1039/D4SC03672G）。通过自主构建的定量分析构象参数，定量揭示唾液酸化对蛋白构象稳定性的调控作用，首次发现唾液酸化可以稳定蛋白质构象，并限制其动态构象转变（Chem. Sci. 2024, DOI: 10.1039/D4SC03672G）。将课题组前期（Chem. Sci. 2023, 5936-5944）提出的《结构质谱指引下的分子动力学模拟》新思路，首次拓展至大蛋白（ 80 kDa）结构解析。利用这种独创结构质谱解析平台，课题组近期成功解析蛋白气相去折叠的新型分子机制（Chin. Chem. Lett. 2024, in press），发现富含片层的结构域优先去折叠，并观察到 β-片层到 α-螺旋的动态转变，同时证明 α-螺旋比 β-片层具有更高的稳定性。该方法具有较强的广泛适用性，未来可应用于几乎所有蛋白体系。研究内容首先，为了表征不同胎球蛋白的唾液酸化模式，作者进行了基于 EThcD 的自下而上的糖蛋白质组学实验，图 1b 总结了牛胎球蛋白（bFT）和人胎球蛋白（hFT）的位点特异性糖基化模式。值得注意的是，具有两个唾液酸的糖型在 bFT 中占主导地位，而具有一个唾液酸的糖型在 hFT 中最为丰富（图 1c）。图1. bFT 和 hFT 的糖基化模式为了探究完整蛋白质结构与特定糖型之间的联系，作者开发了一种糖型分辨去折叠策略，该方法结合了非变性离子淌度质谱（Native IM-MS）与全离子去折叠（AIU）技术。通过优化转移池电压， hFT 的氧鎓离子和主要蛋白形式（电荷状态 12+ 、 13+ 和 14+）都得到了很好的分离，通过糖型分辨去折叠实验确定的糖型也与糖蛋白组分析一致（图 2b）。为了更加直观地比较蛋白质构象，作者为每种糖蛋白生成了 AIU 指纹图谱。实验结果表明，随着唾液酸数量的增加，第二个构象与第三个构象之间的 CCS 值差异逐渐缩小。此外，三唾液酸化的 hFT 具有四个构象，而其他唾液酸形式则具有五个构象，由此说明唾液酸的数量可能与胎球蛋白的构象灵活性有关（图 2c）。图2. 糖型分辨全离子去折叠可视化图谱为了进一步阐明唾液酸化诱导的蛋白质结构变化，作者量化了一系列的构象参数，包括 CCS 、 AIU50 等。第一个构象转变（T1）的 AIU50 值随着唾液酸个数增加而升高（图 3b 和 3f），这意味着唾液酸化会稳定糖蛋白结构，作者推测这可能是通过促进唾液酸和蛋白质结构域之间的额外静电相互作用和氢键作用实现的。值得注意的是，在 hFT 的第二个转变（T2）中观察到了相反的趋势，作者推测可能是唾液酸化在一定程度上促进了蛋白质的构象灵活性（图 3f）。之后，作者利用展开曲线来量化去折叠比例，并绘制了关于唾液酸化构象稳定性和动态转换的图谱。通过监测 CCS 变化百分比与碰撞电压的关系，绘制了展开曲线（图 3c 和 3g）。展开曲线显示，随着唾液酸数量的增加，去折叠起始能量逐渐增加，这表明存在明显的依赖唾液酸数量的展开趋势。同时，糖型分辨去折叠策略放大了构象差异， bFT 和 hFT 的 RMSD 分别为 5.9%~20.8% 和 7.7%~20.9% （图 3d 和 3h）。这些发现凸显了基于 AIU 方法在表征由不稳定的聚糖修饰诱导的细微构象变化方面的优势。图3. 糖型分辨去折叠定量分析胎球蛋白构象稳定性最后，为了研究唾液酸化与蛋白质结构之间的相互作用，作者使用唾液酸水解酶对 bFT 进行消化，同时通过分子动力学模拟进一步阐明了气相中 Asn99 和 Asn156 唾液酸化对蛋白动态构象变化的影响。唾液酸化与去唾液酸化牛胎球蛋白的 MD 结果都表现出四个构象，且具有可接受的 CCS 误差（图 4d）。唾液酸化亚型（646.8 K）的熔解温度（Tm）高于去唾液酸化亚型（642.1 K），表明唾液酸化有助于维持蛋白质构象（图 4e）。对去折叠中间体中 α-helix 和 β-sheet 结构占比的分析表明，唾液酸化有利于维持 bFT 中二级结构的适当折叠（图 4f）。加热过程中的代表性展开特征（图 4g ）表明唾液酸化聚糖可以包裹并紧实蛋白质结构。综上，作者认为末端唾液酸化稳定了胎球蛋白构象并限制了其动态结构波动。图4. 唾液酸化对胎球蛋白构象的稳定作用该研究为深入理解蛋白质不稳定聚糖修饰的结构和功能提供了新的见解，为疾病诊断和治疗提供了新的理论基础。同时，该研究也为开发新的蛋白质结构解析方法提供了新的思路。相关研究成果以“Sialylation-induced stabilization of dynamic glycoprotein conformations unveiled by time-aligned parallel unfolding and glycan releasing mass spectrometry”(《构象分辨质谱助力微小差异蛋白构象高效解析》)为题在线发表于化学领域重要期刊、英国皇家化学会旗舰期刊 Chemical Science 上。 南开大学化学学院 2022 级硕士研究生王雅梅、科研助理贾翼菲以及南通大学刘以畅博士为该文共同一作。李功玉研究员和李金宇教授为本文共同通讯作者。美国威斯康星大学麦迪逊分校李灵军教授和刘源博士对本项目提供了重要的技术支持。本文主要质谱数据均采集于天津《物质绿色创造与制造海河实验室》结构质谱分析平台。本研究工作获国家重点研发计划、国家高层次人才计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等项目资助。另附：南开大学李功玉课题组（详细信息请参考课题组主页：李功玉课题组 ( x-mol.com )）常年招聘科研助理和师资博士后，欢迎对大分子结构质谱感兴趣的同仁联系（ligongyu@nankai.edu.cn），重点引进具有有机合成化学、计算化学、细胞生物学和蛋白质组学等背景的相关研究方向人才。论文信息Sialylation-induced stabilization of dynamic glycoprotein conformations unveiled by time-aligned parallel unfolding and glycan releasing mass spectrometryYifei Jia, Yichang Liu, Yamei Wang, Jinyu Li* and Gongyu Li*Chem. Sci., 2024https://doi.org/10.1039/D4SC03672G作者简介 王雅梅 硕士研究生南开大学本文第一作者，2022 年本科毕业于南京师范大学，同年保送至南开大学化学学院攻读硕士学位（导师：李功玉研究员），研究课题主要聚焦疾病相关蛋白的结构质谱解析新方法开发。 刘以畅 讲师 南通大学 本文共同第一作者，2022 年于福州大学获物理化学博士学位（导师：李金宇教授），现任南通大学药学院讲师，研究方向为计算化学生物学与药物化学。 李功玉 研究员南开大学本文通讯作者，南开大学化学学院，特聘研究员、博士生导师。国家高层次青年人才计划入选者、国家重点研发计划青年项目首席科学家。2017 年博士毕业于中国科学技术大学化学系，随后在密西根大学和威斯康星大学麦迪逊分校完成博士后研究，于 2021 年 2 月加入南开大学化学学院，研究方向为大分子结构质谱分析。 李金宇 教授福州大学本文共同通讯作者，教授、博士生导师，福州大学化学学院院长助理。2011 年于荷兰阿姆斯特丹大学和法国里昂高等师范学院获化学与材料学双硕士，2015 年于德国亚琛工业大学医学院获生物学博士学位，同年于德国于利希研究中心先进模拟研究院从事博士后研究，2016 年加入福州大学化学学院、生物药光动力治疗技术国家地方联合工程研究中心。研究方向为蛋白质计算化学生物学理论方法开发与应用。本文说明了离子淌度技术在蛋白构象研究中的重要作用。沃特世一直致力于不断开发创新质谱相关技术，如特色离子淌度技术、特色成像技术等，同时以“助力客户成功”为使命，期待更多的用户合作及科学成果！

作为一种天然的生物大分子，DNA不仅是生命的密码，还可作为制造纳米级构件和机器的通用元件。由于DNA的尺寸为纳米级别，具有刚性结构、编码性强的特点，于是，DNA纳米技术的研究者利用DNA分子的自组装特性，根据核酸碱基互补配对的作用，设计并在试管中构造出精确而复杂的、纳米级精度的有序结构。这一新兴的领域被称为DNA折纸技术，科学家使用比头发丝还细一千倍的DNA和RNA等核酸分子，折叠、自组装成复杂的结构。 日前，上海交通大学的樊春海教授、中科院上海应用物理研究所的李宾研究员和胡钧研究员等人联合在《NatureCommunications》发表题为“Capturingtransient antibody conformations with DNA origamiepitopes”的文章，报道了一种三角形的DNA折纸骨架，其具有特定位置的锚定和空间组织的人工表位，可在室温下捕获免疫球蛋白Gs(IgGs)的瞬时构象。其中，DNA折纸表位(DOEs)允许表位瞬间的程序化空间分布，从而可以使用原子力显微镜(AFM)对功能复合物进行直接成像。 在本文中，作者建立了IgG亲和力对单分子水平上3-20nm内表位横向距离的关键依赖性。瞬时构象的高速AFM成像进一步为在单一事件中从单价到二价的IgG亲和力提供了结构和动态证据，这为包括病毒中和、诊断检测和癌症免疫疗法在内的各种应用提供了非常创新的思路和研究方法。 图1：基于DOE的IgGs捕获 图2：HS-AFM表征DOE限制的IgG构象灵活性和Fab-Fab距离 图3：IgG与DOEs结合的动力学 图4：引起IgG亲和力的工程DOEs 综上所述，作者设计了DOEs，通过利用DNA折纸技术的空间可寻性来模拟表位在病毒颗粒上的距离分布。DOEs的定位能力和刚度使IgG能够在室温下冻住，以便在单分子水平对瞬时的功能性IgG结合构象进行高分辨率成像。通过对DOEs上抗原决定簇横向距离的可编程控制，可以精确确定抗原决定簇与抗原决定簇之间的亲和力。此外，该DOE平台还支持HS-AFM和smFRET分析，以探测DOE上单个IgG结合的动力学。研究发现IgGs可以响应从短到长的表位距离，采取从高紧密度到远距离伸展的灵活构象。重要的是，当两个表位间隔约10nm时，二价IgG的结合动力学和效率最高。总之，DOEs的可设计性和可编程性提供了一种直观的方法来模仿病毒表位的分布。因此，DOEs不仅增加了在单分子水平上理解Ab-Ag相互作用的设计空间，而且为免疫工程提供了潜在的强大平台。 DNA折纸表位(DOEs)的制备需要精密的工艺，需要进行准确的浓度确定后，方可进行抗体结合的相关表征及动力学研究。而文中DOEs的浓度确定即由德国ImplenNanophotometer® 超微量分光光度计完成。 我们非常荣幸能够服务于国内顶级的科研机构，助力用户完成开拓性的成果，这也是Nanophotometer® 的实力展现和价值体现。独特的样品压缩技术、无需校准的光程设计、以及高性能的NPOS操作系统，可以加速您的研究进程，获得可靠的、一致的结果。有关Nanophotometer® 的详细信息，欢迎咨询Implen中国以及各地合作伙伴。 Implen GmbH因普恩（北京）国际贸易有限公司

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry上的文章Quantitative Structural Proteomics Unveils the Conformational Changes of Proteins under the Endoplasmic Reticulum Stress1，文章的通讯作者是来自美国佐治亚理工学院的Ronghu Wu助理教授。在真核细胞中，内质网(endoplasmic reticulum，ER)负责蛋白质组中40%蛋白质的合成和成熟。蛋白质合成或折叠过程中的变化都将影响内质网的稳态，进而导致未折叠蛋白的积累和蛋白分泌效率的降低。在过去几十年的研究中，内质网应激反应被广泛研究，但是内质网应激反应后蛋白质折叠状态的变化却没有被深入研究。基于丰度的蛋白质组学方法不能直接用于分析蛋白质状态的变化，在这篇文章中，作者整合了半胱氨酸(cysteine，Cys)共价标记、选择性富集和定量蛋白质组学，称为半胱氨酸靶向共价蛋白绘制(cysteine targeted covalent protein painting，Cys-CPP)，用于研究蛋白质组范围内的蛋白质结构和变化(图1A)。　　使用CPP分析蛋白质结构，需要一种具有高反应活性的探针。作者设计了一种针对半胱氨酸的探针，其中包含半胱氨酸反应基团、用于富集的生物素部分和用于生成半胱氨酸特异性识别位点标签的可裂解连接部分(图1B)。以变性处理后的蛋白样品作为蛋白质展开形式的参考，计算肽段在原始样本和变性样本中的比例从而获得宝贵的蛋白质结构信息。　　图1.利用半胱氨酸反应探针定量分析人细胞蛋白质组中半胱氨酸暴露率的原理。(A)Cys-CPP的一般工作流程。(B)半胱氨酸残基与探针之间的反应。富集后，进行紫外裂解，在修饰的半胱氨酸上留下一个小标记，用质谱进行位点特异性分析。　　半胱氨酸暴露率Rexpo通过每条肽段在原始样本和变性样本中的比值进行计算。结果显示：(1)半胱氨酸的暴露率和溶剂可及性呈现正相关(图2C) (2)在丝氨酸和苏氨酸等极性氨基酸残基旁边的半胱氨酸具有相对较高的暴露率，这与人们普遍认为亲水残基更有可能暴露在蛋白质表面的观点一致 (3)甘氨酸和脯氨酸附近的半胱氨酸具有更高的暴露率，这是因为这两种氨基酸通常出现在蛋白质的转角和环结构中，对半胱氨酸的空间位阻较小 (4)半胱氨酸暴露率与其有/无序区(图2D)或所处二级结构(图2E)的相关性分析均表明，较低的暴露率与更稳定和结构化的局部环境有很好的相关性。这些数据结果共同证明目前的方法可以准确地测得半胱氨酸暴露率，并为蛋白质结构提供有价值的信息。　　图2.HEK293T细胞中半胱氨酸暴露率的分析。(A) VAHALAEGLGVIAC#IGEK(#代表标记位点)的串联质谱样本。报告离子的强度使我们可以准确定量一个半胱氨酸的暴露率(左框为报告离子强度的放大视图)。(B)蛋白CCT3中被定量半胱氨酸的定位和暴露率演示(PDB代码：6qb8)。(C−E)比较不同的溶剂可及性(C)、预测无序区(D)和二级结构(E)的半胱氨酸暴露率。　　衣霉素(Tunicamycin，Tm)可抑制 N-糖基化并阻断 GlcNAc 磷酸转移酶 (GPT)。由于蛋白质的N-糖基化经常发生在共翻译过程中，在蛋白质折叠的调节中起着至关重要的作用，所以衣霉素会引起细胞内质网中未折叠蛋白的积累并诱导内质网应激。基于此，作者用衣霉素对细胞进行处理，计算并对比了衣霉素处理样本和正常样本中的半胱氨酸暴露率。正如预期的那样，Tm处理样本中许多半胱氨酸的暴露率升高，且Tm对于蛋白质不稳定区域的作用尤为显著。根据Tm处理样本和正常样本之间半胱氨酸暴露率的差值，作者将所有位点划分为5个部分，在Tm处理下，近三分之一的半胱氨酸定位区域没有明显的结构变化(差值在-0.05~0.05之间)，而28%的位点则高度暴露(差值0.15)(图3B)。对这两种蛋白质进行基因本体(GeneOntology，GO)功能富集分析(图3C)，结果显示：差值在-0.05~0.05之间的蛋白通常是糖异生或折叠过后具有良好结构区域的蛋白，而差值0.15的蛋白则是与囊泡转运相关的蛋白。这表明抑制N-糖基化主要影响经典分泌途径中的蛋白质，与预期相符。　　图3.利用Tm抑制蛋白质N-糖基化对蛋白质折叠影响的系统研究。(A)Tm处理和对照样品之间半胱氨酸暴露率的比较。(B) 不同暴露率变化范围内的蛋白质数量。(C)在具有高度展开或稳定区域半胱氨酸的蛋白之间进行GO功能富集分析。　　由于Tm对于预先存在的、折叠良好的蛋白质所产生的影响可能远小于对新合成蛋白的影响，分别研究Tm对这两种蛋白的影响是必要的。作者通过将目前的方法Cys-CPP与细胞培养中氨基酸的稳定同位素标记(pSILAC)结合(图4A)，探究了细胞中已存在蛋白和新合成蛋白在内质网应激作用下的不同变化。结果显示：(1)抑制N-糖基化对新合成蛋白的去折叠影响比对已存在蛋白的影响更显著(图4C) (2)N-糖基化除了调节蛋白质的二级结构外，在蛋白质三级或四级结构的形成中起着更重要的作用(图4D)。　　图4. 抑制N-糖基化对新合成蛋白和已存在蛋白折叠状态影响的研究。(A)量化新合成蛋白和已存在蛋白折叠状态变化的实验设置。(B) 经Tm处理和未经处理的细胞中新合成和已存在蛋白质的重叠。括号内为每组蛋白质数。(C)不同蛋白质组中暴露率的分布。(D) 在有或没有Tm处理的细胞中、在不同的二级结构下，新合成和已存在蛋白之间半胱氨酸暴露率的差值分布。　　本文通过设计一种半胱氨酸靶向探针，定量半胱氨酸残基的暴露率，系统地研究了蛋白质的结构以及结构的变化。结果表明，半胱氨酸暴露率与蛋白质局部结构的相关性非常好。利用该方法，作者研究了Tm引起的内质网应激反应下细胞中蛋白质的结构变化。此外，通过将Cys-CPP与pSILAC结合，研究了在内质网应激反应下原有蛋白和新合成蛋白的结构变化差异，并详细分析了内质网应激对蛋白质去折叠的影响，深入和准确地了解内质网应激下的蛋白质结构变化，有助于深入了解蛋白质的功能和细胞活性。　　参考文献：[1] Yin K, Tong M, Sun F, et al. Quantitative Structural Proteomics Unveil the Conformational Changes of Proteins under the Endoplasmic Reticulum Stress[J]. Analytical Chemistry, 2022,

内源差示扫描荧光技术如何应用到多功能蛋白质稳定性分析北京佰司特贸易有限责任公司蛋白质是生物体中广泛存在的一类生物大分子，具有特定立体结构的和生物活性以及诸多功能，根据这些功能我们可以将其应用于蛋白质的分子设计、蛋白质功能的改造、疾病的基因治疗以及新型耐抗药性药物的开发与设计甚至是发现生物进化的规律等先进科研领域上。因此，蛋白质具有非常重要的研究价值。进行蛋白质性质和功能研究的前提是获得稳定的蛋白质样品，而由于蛋白质自身性质的复杂性，难以保证获得的蛋白质样品是否具有正确的三维结构以及功能，因此急需一种技术手段或设备，对蛋白质的稳定性进行分析，确定获得蛋白质最ZUI适宜的缓冲液条件、蛋白质的长期储存稳定性等。另外在进行蛋白质-配体小分子相互作用研究时，因为需要筛选的小分子配体数量巨大，因此也急需一种技术手段或设备，可以高通量的对配体结合进行筛选。蛋白中的色氨酸和酪氨酸可以被280 nm的紫外光激发并释放出荧光，其荧光性质与所处的微环境密切相关。蛋白变性过程中，色氨酸从疏水的蛋白内部逐渐暴露到溶剂中，荧光释放的峰值也从330 nm逐渐转移到350 nm。内源差示扫描荧光技术（intrinsic fluorescence DSF），通过检测温度变化/变性剂浓度变化过程中蛋白内源紫外荧光（350 nm/330 nm比值）的改变，获得蛋白的热稳定性(Tm值)、化学稳定性（Cm值）等参数。相比传统的方法，无需添加染料，通量高，样品用量少，数据精度高。 多功能蛋白质稳定性分析仪PSA-16是一款无需加入荧光染料、高通量、低样品消耗量检测蛋白质稳定性的设备。该设备基于内源差示扫描荧光技术（intrinsic fluorescence DSF），通过检测温度变化/变形剂浓度变化过程中蛋白内源紫外荧光的改变，获得蛋白质的热稳定性(Tm值)、化学稳定性（Cm值）等参数。可应用于蛋白缓冲液条件筛选及优化、小分子与蛋白结合情况的定性测定、蛋白质修饰及改造后的稳定性测定、蛋白变/复性研究、不同批次间蛋白稳定性对比等多个方面。基于内源差示扫描荧光技术（intrinsic fluorescence DSF），在无需添加外源染料的条件下，对蛋白进行升温变性，通过内源荧光和散射光的变化与三级结构变化的关系，PSA-16可用于测定不同buffer中蛋白的Tm值变化，获得蛋白质正确折叠的最ZUI优buffer条件；测定不同detergent条件下膜蛋白Tm值，进行detergent筛选；测定不同添加剂对蛋白稳定性的影响；测定添加配体后Tm值变化进行配体结合筛选；测定蛋白中变性部分的比例，进行质量控制；测定蛋白Tm值与浓度的相关性，获得最ZUI优蛋白浓度进行后续结晶等实验；测定蛋白去折叠过程，进行蛋白复性条件筛选；测定蛋白folding enthalpy，研究蛋白的长期稳定性；测定不同批次和存储后的蛋白的稳定性，并进行相似性评分，对蛋白进行质量控制。多功能蛋白质稳定性分析仪PSA-16，无需对蛋白进行荧光标记，可以直接测定蛋白在不同缓冲液条件中的Tm值，进行缓冲液筛选和优化；同时还可以测定添加不同配体化合物对蛋白稳定性的影响，通过Tm值变化进行配体结合筛选。PSA-16满足我们目前对于蛋白质稳定性分析的迫切需求。多功能蛋白质稳定性分析仪PSA-16可用于评估蛋白（抗体或疫苗）热稳定性、化学稳定性、颗粒稳定性等特性，实现非标记条件下的高通量的抗体制剂筛选、分子结构相似性鉴定、物理稳定性、长期稳定性、质量控制、折叠和再折叠动力学研究等功能。★ 蛋白热稳定性分析★ 蛋白化学稳定性分析★ 蛋白等温稳定性分析★ 蛋白颗粒稳定性分析★ 免标记热迁移实验（dye-free TSA）★ 蛋白去折叠、再折叠、结构相似性分析★ 蛋白质量控制分析 多功能蛋白质稳定性分析仪PSA-16基于内源差示扫描荧光（ifDSF）技术，广泛应用于蛋白质稳定性研究、蛋白质类大分子药物（抗体）优化工程、蛋白质类疾病靶点的药物小分子筛选和结合力测定等领域，具有快速、准确、高通量等诸多优点。蛋白质中色氨酸/酪氨酸的荧光性质与它们所处的环境息息相关，因此可以通过检测蛋白内部色氨酸/酪氨酸在加热或者添加变性剂过程中的荧光变化，测定蛋白质的化学和热稳定性。PSA-16采用紫外双波长检测技术，可精准测定蛋白质去折叠过程中色氨酸和酪氨酸荧光的变化，获得蛋白的Tm值和Cm值等数据；测定时无需额外添加染料，不受缓冲液条件的限制且测试的蛋白质样品浓度范围非常广（10 µ g/ml - 250 mg/ml），因此可广泛用于去垢剂环境中的膜蛋白和高浓度抗体制剂的稳定性研究。此外，PSA-16具有非常高的数据采集速度，从而可提供超高分辨率的数据。同时PSA-16一次最多可同时测定16个样品，通量高；每个样品仅需要15 uL，样品用量少，非常适合进行高通量筛选。PSA-16操作简单，使用后无需清洗，几乎无维护成本。★ 非标记测试★ 10分钟内完成16个样品的分析★ 仅需10μL样品，浓度范围0.005mg/ml—200mg/ml★ 15-110℃温控范围，升温速率0.1-7℃/min★ 适用于任意种类的蛋白分子★ 无需清洗和维护★ 可增配机械手臂实现全自动工作 性能参数：★ 直接检测蛋白质内源紫外荧光，测定时无需额外添加染料，不限制蛋白缓冲液。★ 可同时测定16个样品。★ 样品管材质：高纯度石英管，8联排设计，可使用多通道移液器批量上样，亦可单管使用。★ 样品体积：15 μL/样品。★ 样品浓度范围：0.01 mg/mL–250 mg/mL。★ 温控范围：15-110℃可选。★ 升温速度范围：0.1-15℃/分钟可调。★ 温控精度：+ 0.2℃。★ 采样频率：1 HZ，1/60 HZ可选。★ 应用范围：热稳定性实验、化学稳定性实验、等温稳定性实验、温度循环实验、TSA实验。★ 软件具备比对功能，可通过热变性曲线对蛋白进行相似性评分。★ 测定参数：Tm、Ton、Cm、ΔG、Similarity。★ Tm测定精度：★ 一体机，可以通过触摸屏进行试验设置，实时采集数据和显示数据，生成详细的结果报告。应用领域：多功能蛋白质稳定性分析仪PSA-16应用涵盖植物、生物学、动物科学、动物医学、微生物学、工业发酵、环境科学、农业基础、蛋白质工程等多学科领域。蛋白质是最终决定功能的生物分子，其参与和影响着整个生命活动过程。现代分子生物学、环境科学、动医动科、农业基础等多种学科研究的很多方向都涉及蛋白质功能研究，以及其下游的各种生物物理、生物化学方法分析，提供稳定的蛋白质样品是所有蛋白质研究的先决条件。因此多功能蛋白质稳定性分析系统在各学科的研究中都有基础性意义。 1. 抗体或疫苗制剂、酶制剂的高通量筛选2. 抗体或疫苗、酶制剂的化学稳定性、长期稳定性评估、等温稳定性研究等3. 生物仿制药相似性研究（Biosimilar Evaluation）4. 抗体偶联药物（ADC）研究5. 多结构域去折叠特性研究6. 物理和化学条件强制降解研究7. 蛋白质变复性研究（复性能力、复性动力学等）8. 膜蛋白去垢剂筛选，膜蛋白结合配体筛选（Thermal Shift Assay）9. 基于靶标的高通量小分子药物筛选（Thermal Shift Assay）10. 蛋白纯化条件快速优化等

近日，中科院大连化物所蛋白质折叠化学生物学创新特区研究组（02T5组）刘宇研究员团队和生物分子高效分离与表征研究组（1810组）张丽华研究员团队合作，通过发展新型仿生荧光共价键探针和质谱表征方法，发现了蛋白质聚集态界面具有化学反应活性，可用于相变蛋白质的标记与成像。　　蛋白质在人体内的相变过程会诱发多种退行性疾病，例如帕金森症、阿尔兹海默症、渐冻人症和老年性心衰等。针对上述疾病，刘宇团队致力于发展新型化学生物学工具用于观察蛋白质的相变过程和疾病的早期诊断，张丽华团队一直关注胞内相变蛋白质的质谱组学解析。然而，致病蛋白质通常由于发生相变处于无序结构状态，其特异性识别和检测具有挑战性。因此，发展新的化学方法识别和捕捉相变致病蛋白质对疾病的早期诊断和治疗有着重要的意义。　　在前期工作（Anal. Chem.，2021）的基础上，该合作团队保持了红色荧光蛋白骨架分子对相变蛋白质分子的选择性结合能力和荧光激活效应，通过模仿Kaede光转化荧光蛋白的作用机理，逆向设计了具有迈克尔加成反应活性的新型荧光分子探针。该类新型探针可与早期错误折叠的蛋白结合发出红色荧光，在进一步相变聚集过程中发生迈克尔加成反应，荧光信号进而由红光转为绿光。团队通过定点突变技术和高分辨质谱分析，揭示了相变蛋白和探针分子的共价反应机制，蛋白质错误折叠过程中半胱氨酸的微环境变化、蛋白聚集紧实度的不同、探针反应活性强弱等因素均会影响该反应的进程。基于该化学特性，团队拓展了基于孔雀绿的新型荧光变色分子，并论证了该共价键反应的普适性和可调控性。同时，团队使用该探针，展示了细胞内蛋白质组在药物刺激下从早期错误折叠到晚期聚集的相变过程。该工作首次揭示了蛋白质相变界面的化学反应活性，对未来设计质谱探针和药物分子提供了新的策略和思路。　　上述成果于近日发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。该工作得到国家自然科学基金、辽宁省兴辽人才计划、大连市科创基金、博士后面上基金、国家重点研发计划等项目的资助。