艾德思：Science结构生物学材料和物理领域取得新突破

2019年6月14号,Science同期刊出清华大学/武汉大学和西湖大学的三篇论文.他们分别是: 清华大学生命科学学院杨茂君研究团队 Science 杂志发表题为 Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1 的研究文章,通过高性能冷冻电镜技术, 解析了分子量高达280万道尔顿的哺乳动物ATP合酶四聚体埃的结构,以及完整的(19种亚基)/两种状态的ATP合酶单体埃和埃结构; 武汉大学袁荃教授和UCLA段镶锋教授团队在 Science 发表文章, 合作开发了一种大面积石墨烯-纳米网/单壁碳纳米管(GNM/SWNT)杂化膜 .这种膜在拥有原子级厚度的同时,还具备优异的机械强度; , 浙江西湖高等研究院李牮(共同第一作者)与美国普林斯顿大学物理系教授Ali Yazdani实验组,Sangjun Jeon及Andrei Bernevig理论组合作,在 Science 上发表了题为 " Observation of a Majorana zero mode in a topologically protected edge channel ' 的研究文章,该研究使用扫描隧道显微镜测量来探测接近感应超导和磁性对Bi(111)薄膜的螺旋铰链状态的影响,Bi(111)薄膜生长在超导Nb衬底上并用磁性Fe团簇装饰. 与模型计算一致,揭示了 在超导螺旋边缘通道和沿着边缘具有强磁化分量的Fe团簇之间的界面处出现的局部 马约拉纳粒子 零模式( MZM ) .  该实验还解决了MZM的自旋特征,这种特征将其与超导体中零能量时可能意外发生的琐碎的间隙状态区分开来.

该研究团队使用了增强的成像技术,通过扫描隧道显微镜,在铅晶体表面生长的铁原子链的两端,捕捉到了马约拉纳粒子的信号.他们的研究方式还包括测量一种被称为自旋的独特的量子特性—— 对这一特性的测量可以区分马约拉纳粒子和材料中可能出现的其他类型的准粒子,并有机会为该系统应用于量子信息传输做出铺垫.

这一发现建立在该团队2014年的研究成果之上,当时的研究成果也发表在Science杂志上,发现在超导铅表面生长的铁原子链中存在马约拉纳粒子.在这项研究中,扫描隧道显微镜第一次被用于观察马约拉纳粒子,但当时并没有提供其他对马约拉纳粒子特性的观测.

▲  以上为实验示意图.自旋极化扫描隧道显微镜探针用于探测超导体铅表面铁原子链末端的马约拉纳粒子量子波函数的自旋特性.图片由普林斯顿大学Ali Yazdani实验室提供

此次研究发现的马约拉纳粒子的量子自旋特性, 不仅进一步证实了马约拉纳粒子在该系统中的存在性,而且开辟了将其应用于量子信息等领域的可能性 .例如,两端带有马约拉纳粒子的金属线可以用来在空间分隔一定距离的自旋量子比特之间传递信息——电子自旋和马约拉纳粒子间的纠缠可能正是下一步的研究方向.

与抑制蛋白IF1结合的哺乳动物ATP合酶四聚体的冷电镜结构

通过对结构的分析,阐释了高等哺乳动物ATP合酶的结构组成样式/发挥功能的分子机理/复合物之间协同关系以及对线粒体嵴的形态的影响,为治疗能量代谢疾病/神经退行疾病等,提供了重要的实验依据及结构基础.

在此次发表的文章中,杨茂君教授研究团队首次分离/纯化出哺乳动物ATP合酶四聚体蛋白.由于该四聚体蛋白由多达120个亚基组成,各个亚基排布松散,非常不稳定,如果增加纯化步骤提高纯度会一定程度破坏其完整性;相反,粗提取的蛋白不能满足冷冻电镜样品的要求,目的颗粒所占比例过低,无法收集到足够多的蛋白颗粒用于计算.面对这样的难题,杨茂君教授研究团队通过反复实践,优化实验条件,在两者之间选取了很好的平衡点,既保证了该超大复合物蛋白的完整性,同时又满足了冷冻电镜数据收集的要求.

然而,由于该结构过于巨大,且存在多种构象,在尝试了几乎所有能够利用的计算程序和方式之后,依然无法得到该超大蛋白质机器的高分辨率结构.在对初步计算结果深度分析之后,杨教授敏锐的发现,在该H型的ATP合酶四聚体蛋白中,对角的两个ATP合酶复合物单体具有相似的构象.进而杨教授采用了一种新的计算方式,将四聚体中四个ATP合酶拆分后重新居中,然后单独挖出颗粒,进而将对角构象相似的颗粒合并.这样做不仅极大的缩小了计算中的分子尺度,而且还能提高颗粒数量.在后续的计算中逐步将这两类不同构象的ATP合酶复合物单体的分辨率提高到了原子分辨率水平.

用于粒子和分子纳滤的大面积石墨烯纳米膜/碳纳米管杂化膜

海水淡化和净化是获取洁净水源的重要途径之一.理想的水处理膜应该具有以下关键特征:1)够薄,从而最大化渗透率;2)充分的机械强度,从而避免破损和溶质泄漏;3)均匀而窄的孔径分布,以便有效分离.虽然理论预测和实验研究均表明单层纳孔石墨烯膜具有超快的水渗透和选择性分离能力,是优异的海水淡化膜材料,但要将其实际应用起来仍然存在不少挑战,其中最核心的挑战在于:规模化制备具有充分机械强度的的石墨烯基纳滤膜.

规模化生产与充分机械强度之间的矛盾:大面积石墨烯中会不可避免的产生面内晶界,严重削弱其机械强度,而孔隙的引入会进一步损害单层石墨烯的结构完整性.

怎样兼顾两者?1)单层GNM具有高密度亚纳米孔,在有效输运水分子的同时可阻断溶质离子或分子,从而实现尺寸选择性分离.2)SWNT网络将GNM物理地分离成微小岛屿,并作为支持GNM的微框架,确保了原子级薄GNM的结构完整性.

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