2022年第11-12期

|  要  目  |

-生命科学-

  1.新技术可快速测试数千种基因突变

  2.人造血细胞首次实现异体输注

3.基因编辑T细胞治癌开始人体试验

4.皮下植入非侵入性血糖检测新技术

-信息科学-

  5.3D量子加速计可实现不依赖定位系统导航

  6.我科学家研制出新型微型软体攀爬机器人

  7.新型超导双量子比特处理器问世 

-材料科学-

8.微小磁涡流或成下一代内存材料

9.港科大低成本质子陶瓷燃料电池材料研究获突破

10.人工智能算法实现预测材料结构与特性

11.超轻太阳能电池可将物体表面变为电源

| 生命科学 |

新技术可快速测试数千种基因突变

美国俄勒冈大学科学家扎克·史蒂文森开发出一种新基因编辑技术TARDIS，可一举测试数千种基因突变的影响，将以往需要耗时多年的工作压缩到几天内。生物学家可借此在动物身上开展新实验，比较一种基因的多种突变，找出导致特定特征的突变。

科学家们一直希望拥有同时创造多种基因突变的能力，因为在寻找使动物对特定药物产生耐药性、帮助动物更好生存或更不易感染某种疾病的突变时，可能需要筛选数十甚至数百种可能的基因突变才能发现最有效的突变。此前，这些实验在动物身上进行得非常缓慢，因为科学家需要对每个突变个体单独开展基因工程，制造一个突变体通常需要7到10小时，而使用新技术可在几十个小时内制作成千上万个突变。研究人员设计了一种解决方案，将1000个可行的突变压缩到一个“库”中。当蠕虫繁殖时，每个后代会从“库”中随机选择一段基因来激活，使研究人员获得一群拥有随机选择基因突变的蠕虫。它将使生物学家能够同时评估基因的多种变异，寻找导致特定特征的突变并监测它们随时间推移的进化，并开展大规模筛选。这项技术的应用将有助于筛选出蛋白质之间的相互作用或细胞之间的信号传导的基因，找出导致特定特征的突变，有助于更好地理解疾病。

微评：基因分析是找出特定特征突变或揭示人类疾病背后机制的重要手段，科学家在微生物和酵母等单细胞生物中已大规模利用基因编辑与测试技巧，帮助分析开发针对不同疾病的生物创新药。但鉴于新基因编辑技术TARDIS能够在动物体上实现大规模筛选测试，十分显著提高科研试错效率，如何善用该技术开发新药而不是滥用或恶意使用该技术开发生物致病体，尚需要严谨的科学伦理审查来监督工具的使用。

人造血细胞首次实现异体输注

在临床上，输血已不鲜见，特别是拥有罕见血型的人常常会组成互助小组，以免要用血时无血可输。据英国剑桥大学官网报道，该校血液和移植中心组件开发负责人瑞贝卡·卡迪根教授首次将实验室培养的红细胞输注给人体。如果试验被证明安全有效，人造血细胞或将彻底改变镰状细胞和稀有血型等血液疾病患者的治疗手段。目前已有至少10名参与者接受了相隔4个月的两次小型输血，一种是标准捐赠的红细胞，一种是实验室培养的红细胞，以了解实验室制造的年轻红细胞是否比身体内制造的细胞持续时间更长。这项世界领先的研究为制造红细胞奠定了基础，这些红细胞可安全地给镰状细胞疾病患者输血。虽然仍需通过正常献血来提供绝大多数血液，但对很难找到有足够能匹配鲜血的患者来说，至少拥有了一种备选方案。

微评：该实验是首次人造血细胞异体输注成功案例，将成为定期或长期输血患者的曙光，特别是在改善罕见血型患者或有复杂输血需求患者的治疗方面向前迈出了一大步。

基因编辑T细胞治癌开始人体试验

目前在实体肿瘤中由于没有作为靶点的表面蛋白，让CAR-T细胞疗法的应用有一定局限性。近日,美国生物制药公司PACT Pharma机构的研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对T细胞进行了基因工程改造，使T细胞能够识别单个患者肿瘤中特有的突变蛋白，实现了对实体瘤的特异性治疗。该研究成果发表在 《自然》杂志上。研究证实可以使用CRISPR基因编辑来改变免疫细胞，以便它们能够识别特定于人体肿瘤的突变蛋白质，然后可以将这些细胞安全地释放在体内，用以摧毁它们的目标。该研究是将基因编辑和T细胞疗法这两个癌症治疗的热门领域结合起来的第一次尝试，通过基因编辑创建个性化治疗，使T细胞能够识别单个患者肿瘤中特有的突变蛋白，实现了对实体肿瘤的特异性治疗。

微评：自从2012年发现CRISPR/Cas9基因剪刀以来，它的使用呈爆炸式增长。该工具促成了基础研究中的许多重要发现，也将为个性化癌症治疗开拓新的道路。

皮下植入非侵入性血糖检测新技术

血糖浓度的准确监测不仅能够为临床诊治提供可靠的参考依据，还能够在预防糖尿病方面发挥举足轻重的作用。近日韩国蔚山国立科学技术院的Jang-Ung Park教授团队研发了一种无需抽血即可测量血糖水平的新方法，该方法发表在《科学报告》上，这是一种革命性的非侵入式血糖水平检测技术，使用插入皮下的基于电磁波的葡萄糖传感器，可让糖尿病患者在使用血糖仪时不用再遭受频频刺破手指的痛苦。在这项研究中，研究团队提出了一种基于电磁的传感器，这种传感器可植入皮下，且能跟踪由于血糖水平变化引起的介电常数的微小变化。传感器大约是棉签头的五分之一，可测量间质液中葡萄糖浓度的变化，间质液是填充细胞之间空间的液体。这种可植入式传感器可替代基于酶或光学的葡萄糖传感器，不仅克服了现有连续血糖监测系统寿命短等缺点，而且提高了血糖预测的准确性。

微评：全世界有超过4亿人患有糖尿病，但目前连续血糖监测系统的使用率仅为5%，因此该领域具有巨大的市场前景，河套合作区目前已有一家技术路线不同的无创血糖监测科创企业—舒糖讯息科技。

l 信息科学 |

3D量子加速计可实现不依赖定位系统导航 

加速计是一种跟踪物体位置的小型设备，通过检测物体运动和位置的变化来工作，广泛应用于交通导航、无人机等领域。几十年前，人们就知道量子效应可用于制造更精确的加速计，但迄今建造的大多数量子加速计只能沿一条直线进行一维测量。为改进这一点，法国国家科学研究中心的菲利普·鲍耶及其同事研制出了首个可以进行3D测量的量子加速计，有望帮助船只在没有GPS信号的时候导航，也可用于更精确绘制地球内部的情况。

这款3D加速计的外壳是一个40厘米长的金属盒，里面有3个激光器和1个较小的玻璃盒，玻璃盒里装满了铷原子——所处温度仅比绝对零度高一点点。在这一极端寒冷的温度下，量子效应“现身”，使原子的行为像物质波。为测量运动的变化，3束激光分别沿盒子的长度、宽度和高度方向照射原子，迫使原子发生碰撞，产生波纹，波纹的性质取决于加速计的运动。通过分析波纹图案，量子加速计可以计算激光器的加速度。研究人员表示，由于原子可以被非常精确地控制，所以整个装置非常精确。因为所有接近地球表面的物体都会受到地球引力的加速，新设备也可以非常精确地测量到这一点，这可能用于精确地绘制地球内部的情况，供采矿所用。

微评：对于运动的大型交通工具，这项技术非常实用，配备量子加速计，如果GPS信号出现故障或被黑客干扰，都可以保持非常准确的航向，可作为一项新型导航工具。

我科学家研制出新型微型软体攀爬机器人

近日，清华大学航天航空学院张一慧教授课题组创新研制出一种可适应不同形貌墙面的微型软体攀爬机器人。该研究中，课题组基于液晶弹性体的定制化驱动应变设计策略和屈曲组装方法，开发了一系列具有可定制三维变形能力的小尺度电热驱动器，其具有丰富的三维构型和多样的驱动变形能力。与现有的电驱动三维驱动器相比，该类驱动器在毫米尺度（从1毫米到10毫米）可实现复杂的变形效果以及最大的弯曲变形角度。此外，该驱动器在温度作用下还具有形状可恢复以及刚度可调控的特性。利用该特性制造的具备攀爬能力的微型机器人由于其微小的身躯，可进入一些狭窄、复杂的环境中，例如在飞机发动机、炼油机等复杂系统中代替人类执行探测等作业任务。

微评：该机器人可以进入各类管道、齿轮等曲面结构，在指定位置代替人类进行故障检测等任务，在探测、生医等方面有着巨大应用价值。

新型超导双量子比特处理器问世

俄罗斯国家研究型技术大学和莫斯科国立鲍曼技术大学研究人员成功使用新型超导fluxonium型量子比特（以量子力学为理论基础的量子能级系统中一种）实现了双量子比特操作。其设计并制造的处理器，单量子比特操控精度达99.97%，双量子比特操控精度最高达99.22%。在过去十年中，超导量子比特已成为最成功的量子计算平台之一。迄今为止，商业上最成功的超导transmon型量子比特，已被谷歌、IBM和其他世界领先实验室积极研究并用于量子开发。fluxonium型量子比特比transmon型更复杂，其主要优点是可在大约600兆赫兹的低频下运行，因为频率越低，量子比特的寿命越长，这意味着可用它们执行更多操作。在测试过程中，fluxonium型量子比特的介电损耗允许保持的叠加状态比transmon型更长。计算量子比特的低频率不仅为更长的量子比特寿命和开关操作的准确性开辟了道路，还使得在亚千兆赫兹电子设备中使用量子比特成为可能，这将大大降低量子处理器控制系统的复杂性。

微评：制造量子计算机的关键是开发多量子比特处理器，该研究成果降低了量子处理器控制系统的复杂性。将使得量子计算机的创建离现实更进一步。

l 材料科学 |

微小磁涡流或成下一代内存材料

磁铁可在计算机中存储数据，利用磁场的方向，每个微型条形磁铁都可将一位内存存储为零或一。美国能源部阿贡国家实验室研究人员希望用微小的磁涡流取代条形磁铁。这些被称为斯格明子的涡流小到十亿分之一米，形成于某些磁性材料中。微小磁涡可能会在新一代微电子技术中用于高性能计算机的内存。这项研究近日发表在《纳米快报》上。

该团队制造的磁性材料是铁、锗和碲的混合物，在结构上，这种材料就像一叠纸，一堆这样的薄片包含许多斯格明子，可从顶部剥离一张薄片并进行分析。研究发现，对于220开氏度以上温度，斯格明子以高度有序的模式排列，但是当研究人员冷却样品时，斯格明子排列会发生变化。就像啤酒泡沫中的气泡一样，一些斯格明子变大，一些变小，一些合并，一些消失。在105开氏度时，达到几乎完全无序的状态，但当温度回到220开氏度时，秩序又回来了。这种随温度变化的有序至无序转变可在未来的微电子学中用于内存开发。

微评：今天的微电子产品已消耗世界约10%的电力，能源效率对于下一代微电子技术至关重要。本项目研究中的微小磁涡流能量效率，或比现有高性能计算机中的内存高100到1000倍，是下一代计算机内存开发极有潜力的方向之一。

港科大低成本质子陶瓷燃料电池材料研究获突破

香港科技大学(HKUST)的研究人员设计了一种创新的铁基正极材料，实现了质子陶瓷燃料电池出色的电化学活性、高峰值功率密度和运行稳定性，降低了对铂元素的依赖。这标志着这种有前途的可再生能源技术的开发和商业化向前迈出了重要一步，研究成果日前发表在《自然催化》上。

质子陶瓷燃料电池基于质子导电陶瓷电解质，具有污染物排放低、效率高的优势，不仅可以很好地处理氢气，还适用于其他气体，如氨、沼气和甲烷，该技术通常用于分布式发电，包括离网发电，是燃料电池领域的一项新技术。基于这个方向，港科大机械与航空航天工程系和化学与生物工程系Francesco CIUCCI教授负责的研究团队，结合第一性原理模拟、分子轨道分析和实验，使用廉价的元素（如钡、铁和锆）设计出新的低成本陶瓷，从而创造了一种具有创纪录性能的质子陶瓷燃料电池,解决了以往正极材料热机械相容性差、高成本和不令人满意的性能限制。

微评：为了应对气候变化和能源短缺，世界各地都在加紧开发以氢能为主燃料电池技术。本项研究可以使用简单、适合大规模生产的合成技术来生产燃料电池正极材料，是实现质子陶瓷燃料电池商业可行性重要一步。

人工智能算法实现预测材料结构与特性

美国加州大学圣地亚哥分校工程学院的纳米工程师Shyue Ping Ong教授开发了一种人工智能算法，可即时地预测任何材料（无论是现有材料还是新材料）的结构和动态特性，此项研究成果发表在《自然》杂志上。材料的性质由其原子排列决定。研究人员表示，与蛋白质类似，人们需要了解材料的结构才能预测其特性。鉴于此，为了构建材料的等价物，研究团队将图形神经网络与多体交互相结合，构建了一种深度学习架构，可在元素周期表的所有元素中通用地、高精度地工作。为了训练该模型，研究团队使用了过去十年在材料项目中收集的海量材料性能、力和应力数据库，研究了被称为M3GNet的算法，利用该算法开发出了包含超过3100万种尚未合成材料的Matterverse.ai数据库，该数据库通过对无机晶体结构数据库中5000多个结构原型进行元素替换而生成，可用于材料化学方面与物理方面属性的预测。为了推广M3GNet的使用，该团队已将该框架作为开源Python代码发布在Github上。

微评：人工智能用于材料开发是一种变革性工具，可极大地扩展对新材料化学和结构的探索能力，开拓了与材料学科结合的科研领域。

超轻太阳能电池可将物体表面变为电源

美国麻省理工学院（MIT）纳米新兴技术主席法里博尔兹·马西、有机和纳米结构电子实验室负责人弗拉基米尔·布罗维科开发出一款超轻太阳能电池，可快速方便地将任何物体表面变为电源。这款比人头发丝还纤薄的太阳能电池黏附于一块织物上，重量仅为传统太阳能电池百分之一，但每千克发电量是其18倍，可集成在船帆、救灾帐篷和防水布、无人机机翼及各种建筑表面。

为生产太阳能电池，MIT有机和纳米结构电子实验室团队使用了电子墨水形式的纳米材料。在纳米洁净室内，他们使用挤出式涂布机将纳米电子材料层沉积到3微米厚的基底上，随后使用丝网印刷术，印制出电极并完成太阳能模块构建，接着将厚度约为15微米的印刷模块从塑料基板上剥离，形成一种超轻太阳能装置模块。测试结果显示，独立式太阳能电池每千克可产生730瓦的功率，如果将其黏附在高强度织物上，每千克约产生370瓦的功率，是传统太阳能电池的18倍。而且，即使将该织物太阳能电池卷起、展开500多次后，仍保持90%以上的初始发电能力。这种电池生产方法可以扩展，生产出面积更大的柔性电池。

微评：便携式太阳能电池可以在旅途中作为可穿戴电源提供能量，也可以在偏远地区运输和快速部署，以便在紧急情况下提供援助，具有较大商业价值。