近期清华大学、浙江大学、南开大学、南京师范大学分别在Science上发表最新研究成果。
“先锋转录”因子，如OCT4和SOX2，在多能性调控中起着至关重要的作用。然而，主要的TF控制的多能性调节回路主要是从培养的细胞中推断出来的。
2023年12月15日，清华大学颉伟团队（李丽佳、赖方秾、胡晓瑜及刘伯峰为共同第一作者）在Science 在线发表题为“Multifaceted SOX2-chromatin interaction underpins pluripotency progression in early embryos”的研究论文，该研究检测了SOX2在小鼠胚胎第3.5天(E3.5)至E7.5天的结合。
在E3.5内细胞团(ICM)中，SOX2调节ICM-滋养外胚层程序，但对于打开全局增强子是必不可少的。相反，SOX2占据了部分由早期表达TF TFAP2C和NR5A2打开的可预先进入的增强子。然后，当细胞通过打开增强子或使其处于快速激活状态而采用初始和形成性多能性时，SOX2广泛地重新分布。因此，多方面的先锋TF-增强子相互作用支持胚胎的多能性进展，包括E3.5 ICM中连接全能性和多能性的独特状态。
另外，2023年7月17日，清华大学颉伟及宾夕法尼亚大学Richard M. Schultz共同通讯在 Nature 在线发表题为“OBOX regulates murine zygotic genome activation and early development”的研究论文，该研究发现OBOX，一个类似PRD的同源盒结构域TF家族(OBOX1-8)，是小鼠ZGA的关键调节因子。缺乏母系转录的Obox1/2/5/7和合子表达的Obox3/4的小鼠出现2-4细胞阻滞，并伴有ZGA受损。母体和合子的OBOX冗余支持胚胎发育，因为OBOX KO缺陷可以通过恢复其中任何一个来挽救。染色质结合分析显示，敲除Obox优先影响Obox结合靶点。在机制上，OBOX促进了RNA Pol II的“预配置（pre-configuration）”，因为Pol II从最初的1细胞结合靶点迁移到ZGA基因启动子和远端增强子。Obox突变体的Pol II预配置受损伴随着ZGA缺陷和染色质可及性转变，以及1细胞Pol II靶点的异常激活。最后，OBOX的异位表达激活了mESCs中的ZGA基因和MERVL重复序列。因此，这些数据表明OBOX调节小鼠ZGA和早期胚胎发生。
2020年10月28日，清华大学颉伟团队在 Nature 在线发表题为“The landscape of RNA Pol II binding reveals a stepwise transition during ZGA”的研究论文，该研究揭示了小鼠早期胚胎中RNA聚合酶II通过“三步走”的模式参与实现基因组激活的过程。该发现不仅有助于我们进一步理解合子基因组激活（ZGA，zygotic genome activation）这一重要生物学事件的基本机制，也为早期胚胎发育相关疾病与辅助生殖相关研究提供了重要的理论基础。
哺乳动物胚胎在受精后经历几轮细胞分裂，形成囊胚。在小鼠中，囊胚被指定为滋养外胚层(TE)，最终形成胎盘，内细胞团(ICM)随后分化为原始内胚层(PrE)和外胚层。在这一过程中，具有多能性的细胞出现并通过几种状态转移，这些状态可以在体外被捕获，包括初始多能性、形成多能性和启动多能性。初始多能性表现为与着床前外胚层相似的初始胚胎干细胞(2i ESCs)所表现出的多能性状态。
植入后，外胚层细胞迅速过渡到形成性多能状态，表现出对原始生殖细胞(PGC)和体细胞命运诱导的能力。这种转变可以通过幼稚胚胎干细胞分化为外胚层样细胞(EpiLCs)来重现。最后，外胚层干细胞(EpiSCs)被认为具有再现性多能性，可以从E5.5到E8外胚层中衍生出来。EpiSCs已经失去了PGC诱导的能力。
多能性进展过程中的SOX2调控回路揭示了多方面的TF增强子相互作用
转录因子(TF)通过作用于顺式调控元件对基因表达进行精确的时空调控，在发育过程中发挥核心作用。关键的主控TF，如NANOG、SOX2和OCT4，对多能性网络至关重要。其中，SOX2是已知最早且唯一局限于小鼠桑椹胚(16细胞)内细胞的多能性TF (ICM祖细胞)。小鼠中Sox2缺乏导致着床后不久外胚层形成失败和胚胎死亡。由于来自胚胎的研究材料有限，主要多能因子控制的调控回路主要是从培养细胞模型中推断出来的，在小鼠囊胚(例如NANOG)中研究了有限的TF规则组。因此，这些TF如何调节多能性及其在生理条件下的转变仍然是一个谜。例如，缺乏sox2的胚胎仍然可以形成含有形态正常的ICM的囊胚，但不能产生ESCs。
一致地，当SOX2被耗尽时，ESCs会失去多能性。此外，OCT4和SOX2被认为是“先锋因子”，可以打开无法进入的染色质并招募其他TF。它们如何在体内潜在地推动这种多能性转变仍不清楚。该研究应用CUT&RUN捕获了从E3.5 ICM到E7.5外胚层的SOX2-染色质结合，涵盖了多能性的整个过程。该研究结果表明，SOX2通过阶段和环境依赖的作用模式参与增强子来调节发育程序。此外，这些数据揭示了E3.5 ICM中连接全能性和多能性的独特状态和调控回路。
分子筛的设计对气体分离至关重要，但由于分子筛和纳米孔内扩散之间的内在矛盾，长期存在吸附动力学缓慢的问题。
2023年12月14日，浙江大学邢华斌及杨立峰在Science 在线发表题为“A molecular sieve with ultrafast adsorption kinetics for propylene separation”的研究论文，该研究报道了一种分子筛ZU-609，它具有局部筛选通道，具有分子筛选门和快速扩散通道。
分子筛门的精确截面积使丙烷从丙烯中排除。由磺酸阴离子组成的大通道和螺旋排列的金属有机结构共存，使得丙烯的吸附动力学快速，并且在ZU-609中测量到的丙烯扩散系数比以前的分子筛高一到两个数量级。通过突破性实验，得到纯度99.9%的丙烯，产率为32.2 L kg−1。
作为关键原料，丙烯(C3H6)的产量在2020年超过了1亿吨/年，预计到2050年其需求将超过1.5亿吨/年。丙烷(C3H8)是丙烯制造的常见副产品，丙烯/丙烷分离是生产聚合物级丙烯的关键。传统的深冷精馏由于相对挥发性较近，是能源密集型的，烯烃/石蜡分离占全球碳排放量的近1%。据估计，非热驱动的替代品的发展可以使分离的能源效率提高10倍。
基于多孔材料的物理吸附被认为是一种替代低温蒸馏的方法，因为它的能耗适中。先进多孔材料的发展，如金属有机框架、沸石等，引起了极大的兴趣。具有开放金属位和阳离子的吸附剂可以通过π络合作用选择性地与丙烯相互作用，但选择性较低。此外，具有受限孔隙结构的动力学驱动吸附剂基于分子扩散速率的差异实现分离。然而，由于选择性低至中等，这些方法不可避免地会受到类似烷烃的共吸附，并且需要连续的吸附-解吸循环来进一步提高所产烯烃的纯度。
分子筛分避免共吸附，因为它只吸附分子大小或形状截止范围内的分子，有利于生产高纯度烯烃。然而，由于两个重要的挑战，设计具有最佳吸附热力学和气体分离动力学的理想分子筛仍然是一项艰巨的任务(i)分子筛的孔径控制(31)；(ii)孔隙形状控制快速吸附动力学。考虑到在3到5 Å范围内以0.2到0.4 Å的增量微调孔径的困难，由于丙烯和丙烷的尺寸差异很小(< 0.4 Å)，将丙烯从丙烷中完全排除仍然是一个挑战。分子筛的吸附动力学受到限制，因为基于受限通道实现了超高选择性。因此，达到扩散速率阈值需要较高的吸附温度，但这种方法牺牲了容量和能量效率。
这种困境归因于沿整个窄筛道的连续扩散限制路径，这是分子筛中典型的孔结构，只允许吸附物的“单列扩散”。具有窄窗和大空隙的常见笼型结构的发展打破了分离选择性和容量之间的权衡，但仍然受到扩散限制。为了合理利用分子筛内部有限的孔隙空间，提出了一种具有局部有限扩散路径的筛分通道来解决这一难题。沿扩散路径的局部收缩起到筛除大分子的作用，同时存在的大通道使得吸附分子能够快速扩散。相对于整个窄筛道，局部筛道缩短了被吸附分子的受限扩散路径。由二级构建块(SBUs)自组装的多孔晶体材料为定制具有设计孔径、形状和孔隙化学的多孔材料提供了可能性。在原有二维结构的基础上，利用阴离子进行合理修饰，为孔形和孔径控制提供了可能，并以此为基础设计了ZU-609分子筛。
为了舒适和安全，人体必须保持在一定的温度范围内。然而，温度调节服的挑战存在于恶劣的应用场景，如全昼夜循环，寒冷的极地地区和太空旅行。
2023年12月15日，南开大学刘永胜、马儒军及陈永胜共同通讯在Science在线发表题为“Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight”的研究论文，该研究集成柔性有机光伏(OPV)模块直接从阳光和双向电热(EC)设备中获取能量，开发了一种灵活且可持续的个人体温调节服装系统。
柔性OPV-EC热调节服(OETC)可将人体热舒适区从22°C-28°C扩展到12.5°C-37.6°C，温度调节速率快。EC装置的低能耗和高效率允许24小时可控和双模式温度调节，12小时的阳光能量输入。该自供电可穿戴式体温调节平台结构简单、设计紧凑、效率高、自适应性强，以太阳光为唯一能源。
在日常生活中，衣物在调节体温、保持身体热舒适方面发挥着不可或缺的作用。最常见的一种情况是，在环境温度波动和有时快速变化的情况下，将体温保持在安全范围内，例如，从舒适的室内环境(~25°C)步行到炎热(>36°C)或寒冷(<15°C)的室外环境。如果没有快速适应这种快速变化的环境温度和降温或升温的能力，人们可能会感到不舒服或生病，甚至可能死亡。更具挑战性的场景是在恶劣的环境中保持身体在一个舒适的温度范围内(皮肤温度)，比如寒冷的极地地区或太空旅行(在阳光下非常热，但在黑暗中非常冷)。因此，能够像宇航服一样将人体保持在舒适的温度范围(皮肤温度)的可穿戴体温调节服装一直是智能服装系统长期追求但具有挑战性的目标。
事实上，许多热调节系统已经被开发出来，它们可以大致分为被动和主动系统。被动式热调节系统包括辐射式热调节系统、相变式热调节系统和吸附式热调节系统。然而，大多数具有自我可持续性的太阳能供电系统只能实现单向温度调节。具有双向温度调节的系统需要提高效率、响应速度和可调温度范围(皮肤温度)。
穿着OETC时可以根据需要在热（阳光下）和冷（黑暗中）环境之间循环实现个人热舒适
主动温度调节系统允许人体快速降温或升温。一般来说，冷却背心是基于冷却剂循环或水/冰流体通道，允许可穿戴的温度调节；然而，这些系统需要大型和复杂的机械压缩机。尽管已经开发出一些优秀的固态主动温度调节系统，并且可以消除对压缩机和传统液体或蒸汽制冷剂的需求，但它们仍然存在一些实质性的局限性。例如，虽然焦耳效应加热器在控制温度下加热是有效的，但高功耗和缺乏冷却能力强烈限制了它的应用。基于磁热效应和弹性热效应的热调节系统分别需要大磁场和高机械负荷才能实现良好的热管理效果，因此耐磨性有限。基于珀尔帖效应的热电(TE)温度调节装置已经找到了各种应用。然而，这些设备通常表现出低效率，因为他们的高能耗。特别是，它们都需要额外的能量输入，没有额外的能量是无法长时间保持工作的。尽管基于电池的热调节系统可以在短时间内实现良好的热管理性能，但其有限的能量供应无法为人体提供全天、持续的热调节。
该研究开发了一种先进的自供电可穿戴式体温调节系统，将灵活的OPV模块和EC体温调节单元集成在一起，实现高效的个性化体温调节。主动控制功能，可根据人体需要进行快速冷/暖双模温度调节。此外，通过OETC可将热舒适区从6.0扩展到25.1 K，具有快速的温度调节功能，可确保人体在各种复杂不稳定环境下的安全舒适。得益于EC装置的低能耗，OETC可以实现可控的全天双模温度调节。因此，OETC在高端体温调节领域具有极大的应用潜力，甚至扩展人类在极地和个人太空行走等恶劣环境中的生存能力。
有效控制传热对节能减排至关重要。与导电方面的成就相比，热传递的主动控制更具挑战性。铁电体由于其可调谐的畴结构而成为热开关的有希望的候选者。然而，铁电体的开关比很低(<1.2)。
2023年12月15日，东南大学陈云飞及哈尔滨工业大学陈祖煌共同通讯（刘晨晗、司洋洋和东南大学张华为共同第一作者）（南京师范大学为单位）在Science 在线发表题为“Low voltage–driven high-performance thermal switching in antiferroelectric PbZrO3 thin films”的研究论文，该研究报道了一种高质量的反铁电PbZrO3外延薄膜，其在小电压(<10 V)下表现出高对比度(>2.2)、快速度(<150纳秒)和长寿命(>107)的热交换。原位倒易空间映射和原子模型表明，场驱动的反铁电-铁电相变诱导了原始细胞尺寸的显著变化，这极大地调节了声子-声子散射相空间并导致了高开关比。这些结果推进了铁材料热输运控制的概念。
余热的回收和管理对于节能减排具有重要意义，因为世界上约60%的能源被浪费为热能。这就需要有效利用余热和主动控制传热。热传递的一种形式是声子传输。虽然调制声子输运比电子输运面临更大的挑战，但由于声子器件的概念化，声子输运的主动和可逆控制以减轻与热相关的担忧已经激发了广泛的研究兴趣。到目前为止，声子传输或导热系数k(即热开关)的主动和可逆控制已经通过许多不同的方法进行了探索：应变工程、光触发分子链排列、电化学控制相变或离子插入，温度触发相变和电场驱动的畴壁密度变化等。在实际应用中，高性能热开关应满足三个关键条件：高开关比、大开关周期、短开关时间。尽管对各种材料的热开关方法进行了广泛的研究，但很难找到一种在室温下满足所有三个基本条件的材料。
铁电(FE)材料是热开关的潜在候选材料，因为它们具有快速偶极子开关和电可调谐的畴结构，可以通过声子畴壁散射的作用来调节导热性。然而，在室温下，铁电体中观察到的开关比(λ= kon/koff)相当低，约为1.1至1.2。最近的观察表明，低开关比源于域大小和声子平均自由程之间的不匹配。也就是说，在室温附近，由Umklapp主导的声子平均自由程(在几纳米到几十纳米范围内)远短于畴尺寸(在几十到几百纳米范围内)，导致畴壁对导热性的影响较弱。由于相变可以直接改变晶格结构，从而实现声子平均自由程的大范围调制，因此也可以用于铁材料的热交换。然而，在电场驱动下的相变诱导热开关的观察报告是缺失的。
外部电压或电场触发“ON”和“OFF”模式示意图
论文的第一作者为南京师范大学刘晨晗副教授、哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生司洋洋和东南大学博士研究生张华。论文的通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）陈祖煌教授和东南大学陈云飞教授。参与研究的还有北京科技大学邓世清副教授、中国科技大学罗震林研究员和苏州大学许彬教授等国内外高校及研究机构的学者。
