三所高校齐发Nature，清华大学一日内连发五篇！ • 时代学者

近日，清华大学、南京工业大学、南京中医药大学在Nature杂志发表了最新研究论文，清华大学5项最新科研成果接连发表于《自然》(Nature)，其中一项科研成果的论文作为封面文章登上Nature杂志。

清华大学

清华大学依托精密仪器系的类脑计算研究中心施路平教授团队，提出了一种基于视觉原语的互补双通路类脑视觉感知新范式，研制出世界首款类脑互补视觉芯片「天眸芯」。2024年5月29日，基于该研究成果的论文「面向开放世界感知、具有互补通路的视觉芯片」（A Vision Chip with Complementary Pathways for Open-world Sensing）作为封面文章，登上《自然》(Nature)杂志。这是该团队继异构融合类脑计算「天机芯」后，第二次登上《自然》杂志封面，标志着我国在类脑计算和类脑感知两个重要方向上均取得了基础性突破。

据介绍，新研究提出了一种受 HVS 多级特性启发的互补感知范式，其借鉴人类视觉系统的基本原理，将开放世界的视觉信息拆解为基于视觉原语的信息表示，并通过有机组合这些原语，模仿人视觉系统的特征，形成两条优势互补、信息完备的视觉感知通路。

基于这一新范式，团队研制出了世界首款类脑互补视觉芯片「天眸芯」（Tianmouc），它可以在极低的带宽（降低 90%）和功耗条件下，实现每秒 10000 帧的高速、10bit 的高精度、130dB 的高动态范围视觉信息采集。它不仅突破了传统视觉感知范式的性能瓶颈，而且能够高效应对各种极端场景，确保系统的稳定性和安全性。

基于「天眸芯」，清华团队自主研发了高性能软件和算法，并在开放环境车载平台上进行了性能验证。在多种极端场景下，该系统实现了低延迟、高性能的实时感知推理，展现了其在智能无人系统领域的巨大应用潜力。

类脑互补视觉芯片「天眸芯」

清华大学精密仪器系施路平教授和赵蓉教授为论文通讯作者，精密仪器系杨哲宇博士（现为北京灵汐科技有限公司研发经理）、精密仪器系2020级博士生王韬毅、林逸晗为论文共同第一作者。清华大学为论文第一单位，合作单位包括北京灵汐科技有限公司。该研究得到了科技部科技创新2030「脑科学与类脑研究」重大项目和国家自然科学基金委的支持，也得到了清华大学/IDG-麦戈文脑科学研究院的支持。

中国科学院院士、清华大学交叉信息研究院教授段路明，带领研究组首次实现基于数百离子量子比特的量子模拟计算。2024年5月29日，该成果研究论文《具有单比特分辨率的数百囚禁离子二维量子模拟器》（A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions）在《自然》(Nature)发表，该研究报道了512个离子在二维维格纳晶体中的稳定捕获和它们横向运动的边带冷却，被Nature审稿人称为「量子模拟领域的巨大进步」「值得关注的里程碑」。

本工作中，段路明团队研究人员利用低温一体化离子阱技术和二维离子阵列方案，大规模扩展离子量子比特数并提高离子阵列稳定性，首次实现512离子的稳定囚禁和边带冷却，并首次对300离子实现可单比特分辨的量子态测量。

图1 实验获得512离子二维阵列图像与典型300离子单点分辨测量结果

图2 典型300离子长程横场伊辛模型量子模拟计算结果

研究人员进而利用300个离子量子比特实现可调耦合的长程横场伊辛模型的量子模拟计算。一方面，研究人员通过准绝热演化制备阻挫伊辛模型的基态，测量其量子比特空间关联，从而获取离子的集体振动模式信息，并与理论结果对比验证；另一方面，研究人员对该模型的动力学演化进行量子模拟计算，并对末态分布进行量子采样，通过粗粒化分析验证其给出非平庸的概率分布，超越经典计算机的直接模拟能力。该实验系统为进一步研究多体非平衡态量子动力学这一重要难题提供了强大的工具。

该论文第一作者为清华大学交叉信息研究院2020级博士生郭世安，通讯作者为交叉信息研究院段路明教授。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吴宇恺，博士生叶京、张霖、王也、严若宇、易雨瑾、许煜麟、侯云瀚，博士后许钰梓、张弛，助理研究员祁宾祥，副研究员周子超、何丽，以及华翊量子公司成员连文倩、姚睿、李博文、郭伟轩。该研究得到了科技创新2030 —「量子通信与量子计算机」重大项目（2021ZD0301601,2021ZD0301605）、新基石研究员项目、清华大学自主科研计划、教育部、清华大学笃实专项和启动经费的资助与支持。

2024年5月29日，清华大学生命学院刘俊杰（Jun-Jie Gogo Liu）课题组联合北京大学生命学院白洋课题组和清华大学生命学院陈春来课题组在《自然》(Nature)在线发表题为「Pro-CRISPR PcrIIC1-associated Cas9 system for enhanced bacterial immunity」的研究论文，该研究鉴定了2062个完整的Cas9位点，预测了它们相关蛋白的结构，并揭示了II-C型Cas9的三种结构生长轨迹。

通过生物信息学分析，研究团队观察到一类新型关联基因（Novel-associated genes, NAGs），显著富集存在于在较大蛋白体积的II-C型Cas9的基因簇中，并推测这些NAGs可能参与到Cas9介导的细菌免疫过程中。

图1. 新型关联基因的基因簇位置（左）以及Cas9蛋白体积相关性（右）

为了进一步探索Cas9和NAGs的关系，研究人员开发了一套结构生长轨迹分析方法（structural growth trajectory analysis, SGT analysis），通过预测1381个II-C型Cas9的蛋白结构，实现了对Cas9蛋白结构演变的量化和轨迹分析。通过分析，发现了较大蛋白体积的II-C型Cas9存在自身新功能结构域生长进化的趋势，呈现出三条不同的蛋白体积逐渐变大的进化轨迹。并且研究人员还发现与NAGs的协同作用富集在三条生长轨迹的终点，这可能说明在漫长的进化过程中，Cas9系统新功能结构域的插入和NAGs的出现具有一定的相关性。

图2. 结构生长轨迹分析方法（左）和II-C型Cas9的生长轨迹图（右）

随后研究团队通过生化实验和冷冻电镜解析复合体结构表明，来自金黄色细菌属（Chryseobacterium sp.）的CbCas9生长出了一个全新的增强Cas9活性的β-REC2结构域，以及一个全新的能够与其关联基因PcrIIC1互作的CTH结构域。通过蛋白间相互作用，2个CbCas9蛋白和2个PcrIIC1蛋白能够形成异源四聚体复合物。

图3. CbCas9效应蛋白结构（左）和CbCas9-PcrIIC1复合体结构（右）

研究团队发现，PcrIIC1蛋白能够作为一种CRISPR免疫增效子（Pro-CRISPR），通过与CbCas9形成异源四聚体复合体增强其活性。CbCas9-PcrIIC1复合物表现出增强的DNA结合和切割活性，更广泛的前间隔序列邻近基序（PAM）兼容性，更强的DNA双链解旋能力以及对靶向序列互补错配（mismatch）的容忍能力。

图4. PcrIIC1增强CbCas9的DNA结合（a）、切割（b）、PAM兼容性（c）、DNA解旋（d）和错配容忍（e）能力

为了进一步探究PcrIIC1增强Cas9活性的具体机制，研究人员利用冷冻电镜解析高分辨结构发现，CbCas9-PcrIIC1复合物的能力增强来源于复合物中的两个CbCas9能够结合同一条长链DNA，通过更强的电荷相互作用，使得该复合物的DNA结合能力增强。并且，复合体中的两个CbCas9通过协同作用，使得长链DNA发生扭曲和变构，更容易被解旋，从而促进了CbCas9-PcrIIC1复合物的DNA干扰（interference）能力。同时，研究团队还发现，两个CbCas9能够对称地分别靶向长链DNA的两条单链上的靶标序列，从而提高其在基因组上搜寻靶标的效率。

图5. CbCas9-PcrIIC1复合物结合长链DNA的结构

最终，为了检验CRISPR免疫增效子PcrIIC1对CbCas9抗噬菌体免疫能力的影响，研究人员在大肠杆菌中进行了抗噬菌体实验。实验显示，与单独的CbCas9相比，PcrIIC1的协助显著减小了噬菌斑面积，表明CRISPR免疫得到了增强。而如果破坏CbCas9与PcrIIC1的相互作用，会导致增强的免疫力丧失，证实了CbCas9-PcrIIC1复合体的组装对增强CRISPR免疫至关重要。此外，PcrIIC1能够提高CbCas9对错配的容忍度，使其能够有效对抗携带靶位点基因组突变的入侵噬菌体。

图6. PcrIIC1显著增强了CbCas9系统的细菌免疫活性

总的来说，研究团队首次通过大规模结构预测揭示了II-C型Cas9蛋白从紧凑型到大型的进化轨迹并鉴定出NAGs。NAGs仅在II-C型基因簇上被发现，并且主要与分子量较大的Cas9蛋白偶联。特别是，其中一种新型关联基因编码的PcrIIC1作为一种CRISPR免疫增效子（pro-CRISPR），与CbCas9形成异源四聚体功能性复合物，通过二聚化CbCas9显著增强其对DNA底物的识别、靶向和切割的能力，最终提高了细菌对噬菌体的免疫力。

清华大学生命学院刘俊杰副教授、北京大学生命学院白洋研究员和清华大学生命学院陈春来副教授为该文通讯作者；清华大学生命学院博士后张寿悦、博士生孙奥、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生钱景美和清华大学生命学院博士生林铄为该文共同第一作者。

此外，该项研究工作得到了中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组、北京生命科学研究所董梦秋课题组的大力支持。该工作由国家重点研发计划（2022YFF1002801）、基金委原创项目(32150018)、农业部、科学探索奖、清华大学和北京大学的经费、资源支持。

2024年5月29日，清华大学水利水电工程系杨雨亭副教授课题组在《自然》(Nature)发表题为「Streamflow seasonality in a snow-dwindling world」的研究论文（Research Article），系统地揭示了河川径流过程对降雪变化的复杂响应机理，阐明了冬季降雪减少对径流季节性的影响规律。

研究基于北半球3000余个受降雪影响流域的长期（1950-2020）水文气象观测资料分析发现，冬季降雪减少导致春季融雪时间普遍提前、降水质心时间推后。由于不同流域径流发生时间对融雪和降水的敏感性存在差异，在降雪比例较高的流域，冬季降雪减少导致径流提前；而在降雪比例较低的流域，冬季降雪减少导致径流推后。上述两种相反的变化趋势存在一个降雪比例阈值，即多年平均降雪比例约为40%，该阈值对应的平均海拔高度约为1500米。研究还发现降雪减少导致暖季径流和年径流峰值显著下降，从而降低了径流的季节变异性。同时，降雪减少增强了径流的季节变异性与径流质心发生时间在年际间的波动。该研究系统揭示了气候变暖背景下融雪径流响应规律，改写了「降雪减少、融雪提前、径流提前」的传统认知，为全球升温背景下降雪减少对径流过程的影响提供了新的机理认识。

图1 径流季节性与多年平均降雪比例的关系

研究结果还凸显了全球及地区水资源管理所面临的挑战，对确保水资源的可持续利用具有重要意义。持续升温可能会导致积雪较多的地区经历更加频繁的春季洪水，而在积雪稀少的地区，春季洪水发生频率与强度则可能出现下降趋势。同时，冬季降雪减少将导致夏秋季节径流量下降、干旱风险上升，对供水、粮食安全及水电能源生产等方面构成威胁。此外，径流季节性的年际波动增加意味着径流季节性预报难度加大、不确定性上升，这将给水资源的季节性预测与管理带来更大的挑战。为此，论文作者指出，有必要对受降雪影响地区的水资源基础设施规划和管理进行重新评估，制定灵活且有针对性的应对策略，以适应气候变化对区域水文循环带来的影响，确保水资源的长期安全与可持续利用。

图2 径流质心时间受冬季降雪减少的影响

清华大学水利系博士生韩俊太、博士毕业生刘紫微为论文共同第一作者，杨雨亭副教授为论文通讯作者。论文合作者包括英国布鲁斯托大学Ross Woods教授、澳大利亚联邦科工组织Tim McVicar研究员、清华大学杨大文教授、王泰华助理研究员、博士生侯颖、博士后郭禹含、李昶明。该研究得到了国家自然科学基金黄河专项项目（42041004）、面上项目（42071029）、科技部重点研发项目（2023YFC3206603）以及云南省科技厅重点研发项目（202203AA080010）的资助。

近日，清华大学化学系刘强课题组在手性识别与不对称催化研究领域取得新进展，通过设计并构建一类具有精细可调限域结构的阴离子型锰氢催化活性中间体，在酮亚胺化合物的不对称氢化反应中成功实现了对微小差异烷基取代基之间的精准手性识别。2024年5月28日，相关研究以「微小差异烷基取代酮亚胺化合物的不对称氢化」（Asymmetric hydrogenation of ketimines with minimally different alkyl groups）为题，发表在《自然》(Nature)上。

图1.微小差异烷基取代基之间的手性识别：存在的挑战及催化剂设计

刘强课题组长期致力于开发高活性、高选择性的丰产金属氢催化体系及其合成应用。近年来，他们发展了基于协同效应的阴离子金属氢中间体催化转化新模式，展现出优异的反应活性和立体选择性。他们首次分离并表征了具有催化活性的胺基阴离子金属氢中间体，并发现此类新型中间体在惰性底物的催化氢化反应中展现出明显优于传统中性金属氢中间体的反应活性。在此前期工作基础上，并受到自然界中酶的精细限域结构及其与反应物之间多重次级相互作用的启发，最近他们设计了一类结构明确的手性丰产金属锰催化剂。此项研究不仅为高效手性催化剂的设计提供了新思路，也为在不对称催化反应中实现极具挑战性的手性识别提供了有益的参考。

清华大学化学系2019级博士生王明扬和2021级博士生刘昊为论文共同第一作者，化学系刘强副教授为论文通讯作者。合作者包括郑州大学教授蓝宇和河南大学副教授刘士晗等。研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

南京工业大学

平板显示器和固态照明应用对更高效、更亮的薄膜发光二极管(LED)的需求日益增长，这推动了对三维钙钛矿(3D)的研究。这些材料表现出高电荷迁移率和低量子效率下降，有望实现具有增强亮度的高效LED。为了提高LED的效率，在促进辐射复合的同时尽量减少非辐射复合是至关重要的。各种钝化策略已被用于降低三维钙钛矿薄膜的缺陷密度，以实现接近单晶的水平。然而，缓慢的辐射重组限制了3D钙钛矿的光致发光量子效率(PLQEs)低于80%，导致LED器件的外部量子效率(EQEs)低于25%。

近日，南京工业大学黄维院士、王建浦教授和朱琳教授团队等人在Nature上发表了题为“Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs”的文章，提出了一种双添加剂结晶方法，可以形成高效的3D钙钛矿，实现了96%的PLQE。这种方法促进了以高激子结合能而闻名的四方相FAPbI3钙钛矿的形成，有效地加速了辐射复合，实现了具有创纪录峰值EQE为32.0%的钙钛矿LED，即使在100 mA cm−2的高电流密度下，效率仍然大于30.0%。这些发现为推进高效、高亮度钙钛矿LED的发展提供了有价值的见解。

为了实现具有卓越亮度的高效LED，使用具有高PLQEs，最小的俄歇或激子猝灭，高电荷迁移率以及具有有利于高效光解耦结构的发光材料至关重要。现有的薄膜发光材料，包括有机半导体、量子点和低维钙钛矿，都不能同时满足所有这些标准。在该项工作中，研究者们提出了一种直接的方法来解决这一挑战，使用具有增加激子结合能的3D钙钛矿，这有助于加速辐射重组的速度。通过促进四方相FAPbI3钙钛矿的形成，成功地在三维钙钛矿薄膜中实现了接近统一的PLQE。这使得能够实现前所未有的32.0% EQE记录的LED。该项工作在为突破钙钛矿LED的效率限制铺平道路，并在下一代显示和照明技术中发挥其全部功能方面具有至关重要的意义。

南京中医药大学

5月29日，南京中医药大学医学院朱家鹏教授和耶鲁大学张凯教授联合研究团队的科研成果“High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes” 在国际顶级期刊《自然》（Nature）上在线发表。该研究突破了蛋白质纯化的传统概念，直接以线粒体成像，首次实现了线粒体原位膜蛋白的高分辨结构解析，得到呼吸链超级复合体的最真实最清晰的三维结构，为氧化磷酸化这一最基本的生命过程的研究提供了坚实的理论基础。这是南京中医药大学首次以第一完成单位在Nature上发表的高水平研究论文，标志着其在能量代谢相关结构生物学领域的重大研究进展。

线粒体研究的历史沿革是一段跨越了数个世纪的探索旅程，标志着人类对生命机制深层理解的渴望与进步。最早在19世纪末，科学家们通过显微镜首次观察到线粒体的存在。21世纪，线粒体研究进入新的高峰，研究领域不断拓宽，从线粒体的基本生物学到其在疾病中的作用，再到线粒体替代疗法和抗衰老研究。线粒体研究正处于前所未有的黄金时期，它的发现和理论正不断推动医学深入发展，揭示生命科学奥秘。

当前，结构生物学在揭示线粒体复杂功能和机制方面取得了显著进展，通过使用冷冻电镜（cryo-EM）和X射线晶体学等高分辨率成像技术，科学家们已经能够详细描绘出线粒体内部结构和关键蛋白质复合体的三维结构。但仍面临诸多挑战，比如线粒体内部结构的极端复杂性和动态性，使得获取生理性与底物结合的代表性结构极其困难；对于线粒体内部代表性蛋白的研究主要通过体外提纯的方法，往往只能捕捉到特定时刻的“快照”，距离真实的线粒体内部环境和重要蛋白的详细反应机制还有很大的空白。

朱家鹏研究团队突破了蛋白质纯化的传统概念和冷冻电子显微镜技术的束缚，首次实现了在完整的细胞器水平上对心脏来源的线粒体进行超高分辨率成像，可直接从线粒体上精准捕获生命过程的一瞥，精确到了近乎原子级别的细节。

▲实验研究图

该研究展现了呼吸链在线粒体上的排布，观测到生理状态下天然底物运作的微观过程，精确定位了呼吸链蛋白质的侧链结构，达到了前所未有的1.8埃（原子尺度的一种度量单位）的分辨率，意味着可观测到蛋白质中几乎每一个原子的位置。该研究不仅揭示了健康细胞中的情况，还通过模拟心脏缺血的细胞条件，预先对心脏进行处理提取线粒体，观察到病态呼吸链的变化，让科学家们能够直接明确呼吸链的作用机制，为现代医学发展和疾病治疗提供了新方向。

南京中医药大学2022届博士、2023年南京中医药大学与耶鲁大学联合培养博士后郑婉为第一作者，南京中医药大学朱家鹏教授和耶鲁大学张凯教授为通讯作者。

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