高壓下量子自旋液體出現？對身高影響最大的基因突變 | 科技速覽_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-05-24 18:50
目 錄
1. SARS治癒者的抗體或可抑制新冠病毒
2. 對身高影響最大的基因突變被發現
3. 仿效並超越人眼的人造視網膜
4. 逆血而上的載藥納米機器人
5. 被蛇咬傷後，貓比狗更長命
6. 高壓下磁性晶體變為自旋液體
7. 加點石墨烯，人造寶石或成下一代智能傳感器“基石”
8. 2050年全球食物浪費量或翻倍
9. 老鼠杏仁核中發現疼痛抑制中心
01 SARS治癒者的抗體或可抑制新冠病毒
近期發表在《自然》雜誌的一項研究發現，2003年非典（SARS）康復者體內的一種抗體，可以有效地抑制引發新冠肺炎流行的新冠病毒（SARS-CoV-2），產生中和效應。這一抗體被命名為S309，是從SARS康復者的記憶B細胞中鑑定出來的一種單克隆抗體（以下簡稱單抗）。
記憶B細胞是一種人體免疫細胞，它是在抗原首次入侵機體時產生的。這類細胞壽命很長，有的可以終身存在。它們能“記住”抗原的特徵，在抗原再次入侵時，能夠及時發現並調動免疫系統消滅抗原。此項研究中，從SARS康復者的記憶B細胞中提取出了數個單抗，S309就是其中之一，它能靶向新冠病毒表面的棘突蛋白（spike protein，又稱為S蛋白）。棘突蛋白與人體的血管緊張素轉換酶2（ACE2）具有高親和力，是新冠病毒進入人體的關鍵。
新冠病毒和SARS同屬冠狀病毒中的sarbecovirus亞屬，棘突蛋白有80％的氨基酸序列相同。因此，這種抗體雖是針對SARS產生的，對新冠病毒也一樣管用。在體外實驗中，S309可以有效地中和新冠病毒和SARS假病毒，還可通過結合S蛋白來鑑定出真正的SARS-CoV-2病毒（圖）。其中，S309對SARS的半抑制濃度（IC50）值在120~180 ng/ml之間，對新冠病毒的IC50值為79 ng/ml。也就是説，79 ng/ml的S309，即可對新冠病毒的抑制程度達到50%。
此外，研究還發現，包含S309抗體以及其他抗體的混合物能夠進一步增強其對新冠病毒的中和作用。基於上述實驗證據，S309及包含其在內的混合抗體，值得作為新冠病毒疫苗或抗病毒治療的一個研究方向，驗證能否在人體中復現抗病毒效果。
[1] DOI: 10.1038/s41586-020-2349-y
02 對身高影響最大的基因突變被發現
近年來諸多研究表明，遺傳是決定身高的重要因素。上週，一支由哈佛醫學院、MIT等多個機構組成的科研團隊在《自然》雜誌上發表論文，揭示了一個導致身高偏矮的重要基因突變——FBN1基因的E1297G變體。
該研究以秘魯的多種族人口為對象，而秘魯人是全球平均身高最矮的人羣之一，男性平均身高為165.3釐米，而女性則為152.9釐米。研究人員蒐集了秘魯首都利馬市1947個家庭總共3134名個體的身高和基因分型數據，通過全基因組關聯分析（GWAS），在FBN1基因突變中識別出一個錯義變體E1297G。
該變體與身高偏矮關係密切：每一個E1297G等位基因拷貝，會讓身高平均降低2.2釐米。也就是説，如果從父母那裏各遺傳到一個E1297G拷貝，那麼疊加之後身高總共降低4.4釐米。而先前在以歐美人羣為對象的研究中確認的4000餘個身高相關的基因突變，其中99%對身高的影響是每個等位基因0.5毫米以下。E1297G變體只出現在秘魯人口約5%的基因組中，其在墨西哥美州土著後代基因組中連1%都不到，而歐洲人後裔中則完全不存在該變體。
本研究還發現，與安第斯山區或者亞馬遜林區的人相比，該變體更頻繁地出現在沿海地區人羣的身上。研究者由此推測，或許身高偏矮可以更好地適應沿海環境，自然選擇讓該基因變體保留在他們體內，延續至今。
研究人員表示，本次的發現，揭示了探究不同人口種族，有助於揭示更多先前研究遺漏的重要基因變體，從而加深對人類遺傳學多樣性程度的理解。
[1] DOI: 10.1038/s41586-020-2302-0
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/hms-rim051120.php
03 仿效並超越人眼的人造視網膜
和數碼照相機的平面傳感器不同，人類的視網膜是有弧度的。現代平面傳感器固然可以精確成像，但需要配合複雜昂貴的光學元件（如鏡頭）。最近，香港科技大學的研究者成功製造出了仿效人眼的弧形光傳感器，為未來機器視覺和人造假眼打下了基礎。這種傳感器的靈感來源於人眼，但它能識別人眼看不到的波長，並且沒有“盲點”。相關論文發表於《自然》雜誌。
目前常應用於太陽能電池的鈣鈦礦材料不僅具有導電和光敏特性，還可被製成極細的“納米導線”——這些導線可以起到和人眼中的光感受細胞類似的功能（感受光線並傳遞信號）。但問題是，如何將這些導線排列成類似視網膜的弧形矩陣？
研究者對弧形的鋁箔進行了電化學處理，不僅將其轉化為氧化態的絕緣體，同時在鋁箔上創造了納米級多孔結構。他們隨後在這些孔洞中“種植”鈣鈦礦納米導線，其單位密度甚至超過人眼中的光感受細胞。最後，他們將人造視網膜整合到一個“人造眼球”上，眼球內部填充了離子液體。納米導線感光後產生的電荷會與離子液體進行交換，產生“視覺”信號。
研究者對人造眼進行的測試表明，它能在最短19毫秒內識別圖案，這比人眼快了一倍。同時，比起同樣像素數量的平面傳感器，人造視網膜產生的圖像更加鋭利、對比度更高。研究者表示，他們下一步的計劃是和醫學研究者合作，創造可以和人類神經系統銜接的人造眼設備，但這可能是更大的挑戰。
[1] DOI: 0.1038/s41586-020-2285-x
04 逆血而上的載藥納米機器人
生物醫學工程發展的一個重要目標，是開發能夠在身體內遊走，具備監測、治療功能的微納米機器人。目前這項技術的一個瓶頸是如何驅動微納米機器人在流動的血液中快速、定向的移動。
德國馬克斯-普朗克智能系統研究所的Metin Sitti和同事從白血球的行為模式中汲取設計靈感，開發出了一種新型微型機器人——可以攜帶抗癌藥物，沿着血管壁逆血流滾動，並靶向附着在乳腺癌細胞上釋放藥物。這項工作近日發表於Science Robotics。
研究人員搭建了內襯有人內皮細胞的微通道，並用小鼠的血液在通道中模擬人體血流，將直徑數微米的機器人放入通道中。微機器人的主體是玻璃微球，其中半球塗有一層含有鎳和金的磁性納米薄膜，從而在外加旋轉磁場下沿通道內壁滾動起來；另一半塗有抗癌藥物多柔比星以及識別癌細胞的分子，使得微球可以特異性的附着在癌細胞上，並在紫外光照射下釋放藥物殺死癌細胞。
這種“微型滾輪”機器人能夠在血管壁上翻滾運動，速度可以達到每秒600微米。無論是隨着血液還是逆血液運動，機器人都可定向運動到特定的位置。Setti表示，如果微機器人來到某個血管交界處，結果走錯了路，那麼我們仍然可以操控它逆流爬壁走回原處。他還強調，機器人可以被定向輸送到正確的位置，並讓它們攜帶足夠多的抗癌藥物，這就可以大大減少使用的劑量，從而減少副作用。
在未來的研究中，研究人員希望用加熱或近紅外光等生物相容性更好的方法來觸發藥物的釋放。他們還計劃嘗試用可生物降解的材料製做機器人，使其在體內幾周或幾個月後分解。該團隊計劃不久後開展動物實驗，以測試微機器人在體內環境的適用性。
[1] DOI: 10.1126/scirobotics.aba5726
[2] https://www.newscientist.com/article/2244195-tiny-robots-can-travel-through-rushing-blood-to-deliver-drugs/?utm_term=Autofeed&utm_campaign=echobox&utm_medium=social&utm_source=Twitter#Echobox=1590005517
05 被蛇咬傷後，貓比狗更長命
在澳大利亞經常發生寵物被毒蛇咬傷的情況，東部擬眼鏡蛇（Pseudonaja textilis）是每年76%家養寵物咬傷事件的罪魁禍首。毒液能引發消耗性凝血病，使寵物體內血管形成廣泛的微血栓，從而導致循環功能和其他內臟功能的障礙，嚴重時致命。
統計表明，在不使用抗蛇血清的情況下，只有31%的狗能夠存活，貓的存活率卻能達到66%，幾乎是狗的2倍。這一有趣的現象引起了研究人員的興趣，難道貓真的有九條命麼？
昆士蘭大學的研究者使用凝血分析儀測試了包括東部擬眼鏡蛇在內的11種毒蛇的毒液對狗、貓和人類血漿的影響，結果發現所有的毒液對狗血漿的作用都比對貓的快。狗的血液會更早進入血液凝結狀態，即使沒有毒液影響，狗的血液自發凝結時間也明顯快於貓。
另外，貓和狗之間的行為差異也可能讓狗更容易受傷。狗通常會用血管發達的鼻子和嘴來探索新事物，貓則經常用爪子。而且狗通常比貓活躍，這在咬傷後更容易造成不利的影響。目前該研究已發表於《比較生物化學和生理學》(Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology)雜誌。研究人員認為這項研究愛狗人士提供了實際的指導，能夠讓人們更好地意識到寵物在被蛇咬傷後，狗狗需要在更短的時間內得到治療。
[1] DOI: 10.1016/j.cbpc.2020.108769
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/uoq-wch051720.php
06 高壓下磁性晶體變為自旋液體
如果拿兩顆小鑽石，在它們之間放一小塊磁性晶體，將它們慢慢擠壓在一起，會得到什麼？近日，美國阿貢國家實驗室給出答案：磁性液體。這似乎違反直覺，因為液體在壓力下變成固體，反之則不然。
長期以來，物理學家尚未弄清高温超導的原理。菲爾·安德森（Phil Anderson）1987年提出，使材料處於量子自旋液態可能會導致高温超導。他認為電子的自旋在某些條件下將被微調為“受挫”狀態，無法排列成有序模式。為了緩解這種受挫狀態，電子自旋方向會隨時間波動，僅在短時間內與相鄰的自旋對齊，這類似於液體的行為。正是這些波動，促使高温超導所需的電子對的形成。而壓力提供了一種“調節”電子自旋之間的距離並使磁體進入“受挫”狀態的方法。在這種狀態下，磁性在一定壓力下會消失，自旋液體就會出現。創建自旋液態的關鍵是保持原子排列的晶體順序和對稱性，因為位置隨機無序會導致另一種磁態。
研究人員利用兩顆平頂鑽石，通過緩慢施加穩定的壓力使磁性材料
[1]https://www.anl.gov/article/scientists-use-pressure-to-make-liquid-magnetism-breakthrough
[2] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.067201
07 加點石墨烯，人造寶石或成下一代智能傳感器“基石”
近日，由英國薩里大學和薩塞克斯大學領導的國際團隊，研發出了一種新型可變色柔性光子晶體。這種新材料與顏色絢麗的蛋白石類似，人們可以通過肉眼直接觀察其顏色變化：在自然光下新材料呈鮮豔的綠色，在拉伸時變為藍色，而加熱後變為透明。研究者認為，這種晶體或可成為下一代智能傳感器的“基石”。
為了解決這一問題，研究人員在聚合物蛋白石（Polymer opals）中加入了極少量的石墨烯作為摻雜劑，形成的“膠體晶體”不僅具有變色能力的，還對温度等物理或化學刺激極為敏感。另外，他們自行開發了蒸汽驅動自組裝的製備方法，使膠體晶體可以製成任意大小和厚度，這種成本低廉且便捷的方法可以推廣到其他二維晶體的製作上。
研究人員認為，上述特性使這種晶體有望成為下一代智能傳感器的基石，在時間温度指示器、指紋分析、病毒檢測、健康監測等領域發揮作用。目前，研究人員正在與先進材料開發公司（AMD）合作，希望在不久的將來將該技術投入商業化。
[1] DOI：10.1002/adfm.202002473
[2] phys.org/news/2020-05-pretty-peacock-gemstone-smart-sensors.html
08 2050年全球食物浪費量或翻倍
儘管食物短缺在全球範圍內日益嚴重，但食物浪費問題也越來越令人擔憂。由於目前研究者還無法量化零售商和個人消費者所浪費的確切食物數量，我們還難以全面瞭解浪費行為對於食物短缺和環境可持續性的影響。近期，美國普渡大學的研究者對全球158個國家不同收入水平羣體的食物浪費情況進行了建模，預測出了未來三十年的演變趨勢：在沒有政策干預或行為改變的情況下，2050年全球浪費的食物幾乎會翻倍，人均食物浪費量將增加72％，達到每人每天812千卡。
該模型還預測，雖然高、中、低收入國家人羣的具體情況會有所不同，但總體上説，隨着一些地區收入的增加和飲食結構的多樣化，食物浪費現象也會增加。由於人口數量大及人均浪費增速快，中等收入國家在全球食物浪費中將起到巨大影響。研究預計南亞的食物浪費增加最快，其次是撒哈拉以南的非洲和南美洲。雖然目前美國的食物浪費水平較高，但模型預計美國在內的高收入地區，未來變化不大。
該研究的模擬結果還表明，限制食物浪費，可以減少耕地面積、改善人口的營養不良狀況。特別是在更加開放的國際貿易制度、各國間糧食流通市場一體化的情況下，限制浪費的作用更為明顯。
[1] DOI: 10.1016/j.foodpol.2020.101874
[2] DOI: 10.1038/s43016-020-0067-0
09 老鼠杏仁核中發現疼痛抑制中心
杜克大學的研究團隊發現老鼠大腦的某個區域能控制疼痛感知。這項最近發表在《自然-神經科學》上的研究表明，老鼠大腦杏仁核中存在一組神經細胞，激活這組神經細胞的活動能顯著降低老鼠對疼痛的應激和保護性行為。
通訊作者王帆教授表示：“人們相信大腦中確實有一個疼痛抑制中心，這就是為什麼會有安慰劑效應，關鍵是這個中心在大腦的哪個部分。”
研究人員首先發現，不同的麻醉劑藥物都能在杏仁核中激活同一組神經細胞（CeAGA），隨後他們對這組神經細胞的功能進行了系統研究。通過光遺傳學技術，研究人員將這些神經細胞激活，發現這一操作能顯著消除老鼠感受到疼痛時的自我保護行為。王帆教授説：“效果非常明顯，它們立刻就停止了舔爪子和抹臉的行為。”
另一方面，用光照抑制CeAGA細胞的活性，會讓老鼠對疼痛的感知更加敏感，老鼠會更加頻繁地去舔爪子。更有趣的是，即使沒有疼痛刺激，只是用光照抑制了CeAGA細胞的活性，就能讓老鼠感到不適，它們不願待在接受實驗操作的區域。
該研究還發現這些細胞對麻醉劑的生效至關重要。如果抑制了CeAGA細胞的活性，則麻醉劑的效果將會被抵消。團隊希望未來發現能夠精確激活這些細胞的小分子化合物，從而開發出新一代止痛藥。
[1] DOI: 10.1038/s41593-020-0632-8
[2] https://today.duke.edu/2020/05/neurobiologist-finds-potent-pain-suppression-center-brain
撰文 | 葉譯楚、小葉、Azul、太閣爾、顧舒晨、劉航、下雪、韓若冰、李武嶽
編輯 | 劉辛味、Azul