高压下量子自旋液体出现？对身高影响最大的基因突变；被蛇咬后，猫比狗更长命 | 一周科技速览
01
SARS治愈者的抗体或可抑制新冠病毒
近期发表在《自然》杂志的一项研究发现，2003年非典（SARS）康复者体内的一种抗体，可以有效地抑制引发新冠肺炎流行的新冠病毒（SARS-CoV-2），产生中和效应。这一抗体被命名为S309，是从SARS康复者的记忆B细胞中鉴定出来的一种单克隆抗体（以下简称单抗）。
记忆B细胞是一种人体免疫细胞，它是在抗原首次入侵机体时产生的。这类细胞寿命很长，有的可以终身存在。它们能“记住”抗原的特征，在抗原再次入侵时，能够及时发现并调动免疫系统消灭抗原。此项研究中，从SARS康复者的记忆B细胞中提取出了数个单抗，S309就是其中之一，它能靶向新冠病毒表面的棘突蛋白（spike protein，又称为S蛋白）。棘突蛋白与人体的血管紧张素转换酶2（ACE2）具有高亲和力，是新冠病毒进入人体的关键。
新冠病毒和SARS同属冠状病毒中的sarbecovirus亚属，棘突蛋白有80％的氨基酸序列相同。因此，这种抗体虽是针对SARS产生的，对新冠病毒也一样管用。在体外实验中，S309可以有效地中和新冠病毒和SARS假病毒，还可通过结合S蛋白来鉴定出真正的SARS-CoV-2病毒（图）。其中，S309对SARS的半抑制浓度（IC50）值在120~180 ng/ml之间，对新冠病毒的IC50值为79 ng/ml。也就是说，79 ng/ml的S309，即可对新冠病毒的抑制程度达到50%。
此外，研究还发现，包含S309抗体以及其他抗体的混合物能够进一步增强其对新冠病毒的中和作用。基于上述实验证据，S309及包含其在内的混合抗体，值得作为新冠病毒疫苗或抗病毒治疗的一个研究方向，验证能否在人体中复现抗病毒效果。
[1] DOI: 10.1038/s41586-020-2349-y
02
对身高影响最大的基因突变被发现
图片来源：pixabay
近年来诸多研究表明，遗传是决定身高的重要因素。上周，一支由哈佛医学院、MIT等多个机构组成的科研团队在《自然》杂志上发表论文，揭示了一个导致身高偏矮的重要基因突变——FBN1基因的E1297G变体。
该研究以秘鲁的多种族人口为对象，而秘鲁人是全球平均身高最矮的人群之一，男性平均身高为165.3厘米，而女性则为152.9厘米。研究人员搜集了秘鲁首都利马市1947个家庭总共3134名个体的身高和基因分型数据，通过全基因组关联分析（GWAS），在FBN1基因突变中识别出一个错义变体E1297G。
该变体与身高偏矮关系密切：每一个E1297G等位基因拷贝，会让身高平均降低2.2厘米。也就是说，如果从父母那里各遗传到一个E1297G拷贝，那么叠加之后身高总共降低4.4厘米。而先前在以欧美人群为对象的研究中确认的4000余个身高相关的基因突变，其中99%对身高的影响是每个等位基因0.5毫米以下。E1297G变体只出现在秘鲁人口约5%的基因组中，其在墨西哥美州土著后代基因组中连1%都不到，而欧洲人后裔中则完全不存在该变体。
本研究还发现，与安第斯山区或者亚马逊林区的人相比，该变体更频繁地出现在沿海地区人群的身上。研究者由此推测，或许身高偏矮可以更好地适应沿海环境，自然选择让该基因变体保留在他们体内，延续至今。
研究人员表示，本次的发现，揭示了探究不同人口种族，有助于揭示更多先前研究遗漏的重要基因变体，从而加深对人类遗传学多样性程度的理解。
[1] DOI: 10.1038/s41586-020-2302-0
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/hms-rim051120.php
03
仿效并超越人眼的人造视网膜
和数码照相机的平面传感器不同，人类的视网膜是有弧度的。现代平面传感器固然可以精确成像，但需要配合复杂昂贵的光学元件（如镜头）。最近，香港科技大学的研究者成功制造出了仿效人眼的弧形光传感器，为未来机器视觉和人造假眼打下了基础。这种传感器的灵感来源于人眼，但它能识别人眼看不到的波长，并且没有“盲点”。相关论文发表于《自然》杂志。
图片来源：参考文献[1]
目前常应用于太阳能电池的钙钛矿材料不仅具有导电和光敏特性，还可被制成极细的“纳米导线”——这些导线可以起到和人眼中的光感受细胞类似的功能（感受光线并传递信号）。但问题是，如何将这些导线排列成类似视网膜的弧形矩阵？
研究者对弧形的铝箔进行了电化学处理，不仅将其转化为氧化态的绝缘体，同时在铝箔上创造了纳米级多孔结构。他们随后在这些孔洞中“种植”钙钛矿纳米导线，其单位密度甚至超过人眼中的光感受细胞。最后，他们将人造视网膜整合到一个“人造眼球”上，眼球内部填充了离子液体。纳米导线感光后产生的电荷会与离子液体进行交换，产生“视觉”信号。
研究者对人造眼进行的测试表明，它能在最短19毫秒内识别图案，这比人眼快了一倍。同时，比起同样像素数量的平面传感器，人造视网膜产生的图像更加锐利、对比度更高。研究者表示，他们下一步的计划是和医学研究者合作，创造可以和人类神经系统衔接的人造眼设备，但这可能是更大的挑战。
[1] DOI: 0.1038/s41586-020-2285-x
04
逆血而上的载药纳米机器人
生物医学工程发展的一个重要目标，是开发能够在身体内游走，具备监测、治疗功能的微纳米机器人。目前这项技术的一个瓶颈是如何驱动微纳米机器人在流动的血液中快速、定向的移动。
德国马克斯-普朗克智能系统研究所的Metin Sitti和同事从白血球的行为模式中汲取设计灵感，开发出了一种新型微型机器人——可以携带抗癌药物，沿着血管壁逆血流滚动，并靶向附着在乳腺癌细胞上释放药物。这项工作近日发表于Science Robotics。
研究人员搭建了内衬有人内皮细胞的微通道，并用小鼠的血液在通道中模拟人体血流，将直径数微米的机器人放入通道中。微机器人的主体是玻璃微球，其中半球涂有一层含有镍和金的磁性纳米薄膜，从而在外加旋转磁场下沿通道内壁滚动起来；另一半涂有抗癌药物多柔比星以及识别癌细胞的分子，使得微球可以特异性的附着在癌细胞上，并在紫外光照射下释放药物杀死癌细胞。
这种“微型滚轮”机器人能够在血管壁上翻滚运动，速度可以达到每秒600微米。无论是随着血液还是逆血液运动，机器人都可定向运动到特定的位置。Setti表示，如果微机器人来到某个血管交界处，结果走错了路，那么我们仍然可以操控它逆流爬壁走回原处。他还强调，机器人可以被定向输送到正确的位置，并让它们携带足够多的抗癌药物，这就可以大大减少使用的剂量，从而减少副作用。
在未来的研究中，研究人员希望用加热或近红外光等生物相容性更好的方法来触发药物的释放。他们还计划尝试用可生物降解的材料制做机器人，使其在体内几周或几个月后分解。该团队计划不久后开展动物实验，以测试微机器人在体内环境的适用性。
[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
被蛇咬伤后，猫比狗更长命
在澳大利亚经常发生宠物被毒蛇咬伤的情况，东部拟眼镜蛇（Pseudonaja textilis）是每年76%家养宠物咬伤事件的罪魁祸首。毒液能引发消耗性凝血病，使宠物体内血管形成广泛的微血栓，从而导致循环功能和其他内脏功能的障碍，严重时致命。
统计表明，在不使用抗蛇血清的情况下，只有31%的狗能够存活，猫的存活率却能达到66%，几乎是狗的2倍。这一有趣的现象引起了研究人员的兴趣，难道猫真的有九条命么？
东部拟眼镜蛇 图片来源：wiki
昆士兰大学的研究者使用凝血分析仪测试了包括东部拟眼镜蛇在内的11种毒蛇的毒液对狗、猫和人类血浆的影响，结果发现所有的毒液对狗血浆的作用都比对猫的快。狗的血液会更早进入血液凝结状态，即使没有毒液影响，狗的血液自发凝结时间也明显快于猫。
另外，猫和狗之间的行为差异也可能让狗更容易受伤。狗通常会用血管发达的鼻子和嘴来探索新事物，猫则经常用爪子。而且狗通常比猫活跃，这在咬伤后更容易造成不利的影响。目前该研究已发表于《比较生物化学和生理学》(Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology)杂志。研究人员认为这项研究爱狗人士提供了实际的指导，能够让人们更好地意识到宠物在被蛇咬伤后，狗狗需要在更短的时间内得到治疗。
[1] DOI: 10.1016/j.cbpc.2020.108769
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/uoq-wch051720.php
06
高压下磁性晶体变为自旋液体
如果拿两颗小钻石，在它们之间放一小块磁性晶体，将它们慢慢挤压在一起，会得到什么？近日，美国阿贡国家实验室给出答案：磁性液体。这似乎违反直觉，因为液体在压力下变成固体，反之则不然。
长期以来，物理学家尚未弄清高温超导的原理。菲尔·安德森（Phil Anderson）1987年提出，使材料处于量子自旋液态可能会导致高温超导。他认为电子的自旋在某些条件下将被微调为“受挫”状态，无法排列成有序模式。为了缓解这种受挫状态，电子自旋方向会随时间波动，仅在短时间内与相邻的自旋对齐，这类似于液体的行为。正是这些波动，促使高温超导所需的电子对的形成。而压力提供了一种“调节”电子自旋之间的距离并使磁体进入“受挫”状态的方法。在这种状态下，磁性在一定压力下会消失，自旋液体就会出现。创建自旋液态的关键是保持原子排列的晶体顺序和对称性，因为位置随机无序会导致另一种磁态。
研究人员利用两颗平顶钻石，通过缓慢施加稳定的压力使磁性材料Sr2IrO4处于类似于液体的状态，在高压下（20GPa），电子自旋变得无序，磁性消失，同时保留了原子的晶体排列。但研究人员不确定这些自旋是否被缠结——量子自旋液体的标志。如果这是一种量子自旋液体，那么用这种方法制造液体的能力将对量子计算机和高温超导的研究有深远意义。
[1]https://www.anl.gov/article/scientists-use-pressure-to-make-liquid-magnetism-breakthrough
[2] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.067201
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加点石墨烯，人造宝石或成下一代智能传感器“基石”
近日，由英国萨里大学和萨塞克斯大学领导的国际团队，研发出了一种新型可变色柔性光子晶体。这种新材料与颜色绚丽的蛋白石类似，人们可以通过肉眼直接观察其颜色变化：在自然光下新材料呈鲜艳的绿色，在拉伸时变为蓝色，而加热后变为透明。研究者认为，这种晶体或可成为下一代智能传感器的“基石”。
萨塞克斯大学Alan Dalton教授表示，他们的研究灵感来源于大自然中的蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及甲虫的壳——它们的颜色来源于自身的微观结构，而不是色素（例如羽毛的内部结构可导致它反射蓝光或绿光）。此前的研究发现，在光子晶体中加入高度有序的单一胶体粒子，可令其实现生物仿生，但结构的紊乱同时也会产生散射，导致光子晶体不透光。
为了解决这一问题，研究人员在聚合物蛋白石（Polymer opals）中加入了极少量的石墨烯作为掺杂剂，形成的“胶体晶体”不仅具有变色能力的，还对温度等物理或化学刺激极为敏感。另外，他们自行开发了蒸汽驱动自组装的制备方法，使胶体晶体可以制成任意大小和厚度，这种成本低廉且便捷的方法可以推广到其他二维晶体的制作上。
研究人员认为，上述特性使这种晶体有望成为下一代智能传感器的基石，在时间温度指示器、指纹分析、病毒检测、健康监测等领域发挥作用。目前，研究人员正在与先进材料开发公司（AMD）合作，希望在不久的将来将该技术投入商业化。
[1] DOI：10.1002/adfm.202002473
[2] phys.org/news/2020-05-pretty-peacock-gemstone-smart-sensors.html
08
2050年全球食物浪费量或翻倍
尽管食物短缺在全球范围内日益严重，但食物浪费问题也越来越令人担忧。由于目前研究者还无法量化零售商和个人消费者所浪费的确切食物数量，我们还难以全面了解浪费行为对于食物短缺和环境可持续性的影响。近期，美国普渡大学的研究者对全球158个国家不同收入水平群体的食物浪费情况进行了建模，预测出了未来三十年的演变趋势：在没有政策干预或行为改变的情况下，2050年全球浪费的食物几乎会翻倍，人均食物浪费量将增加72％，达到每人每天812千卡。
该模型还预测，虽然高、中、低收入国家人群的具体情况会有所不同，但总体上说，随着一些地区收入的增加和饮食结构的多样化，食物浪费现象也会增加。由于人口数量大及人均浪费增速快，中等收入国家在全球食物浪费中将起到巨大影响。研究预计南亚的食物浪费增加最快，其次是撒哈拉以南的非洲和南美洲。虽然目前美国的食物浪费水平较高，但模型预计美国在内的高收入地区，未来变化不大。
该研究的模拟结果还表明，限制食物浪费，可以减少耕地面积、改善人口的营养不良状况。特别是在更加开放的国际贸易制度、各国间粮食流通市场一体化的情况下，限制浪费的作用更为明显。
[1] DOI: 10.1016/j.foodpol.2020.101874
[2] DOI: 10.1038/s43016-020-0067-0
09
老鼠杏仁核中发现疼痛抑制中心
杜克大学的研究团队发现老鼠大脑的某个区域能控制疼痛感知。这项最近发表在《自然-神经科学》上的研究表明，老鼠大脑杏仁核中存在一组神经细胞，激活这组神经细胞的活动能显著降低老鼠对疼痛的应激和保护性行为。
通讯作者王帆教授表示：“人们相信大脑中确实有一个疼痛抑制中心，这就是为什么会有安慰剂效应，关键是这个中心在大脑的哪个部分。”
研究人员首先发现，不同的麻醉剂药物都能在杏仁核中激活同一组神经细胞（CeAGA），随后他们对这组神经细胞的功能进行了系统研究。通过光遗传学技术，研究人员将这些神经细胞激活，发现这一操作能显著消除老鼠感受到疼痛时的自我保护行为。王帆教授说：“效果非常明显，它们立刻就停止了舔爪子和抹脸的行为。”
另一方面，用光照抑制CeAGA细胞的活性，会让老鼠对疼痛的感知更加敏感，老鼠会更加频繁地去舔爪子。更有趣的是，即使没有疼痛刺激，只是用光照抑制了CeAGA细胞的活性，就能让老鼠感到不适，它们不愿待在接受实验操作的区域。
该研究还发现这些细胞对麻醉剂的生效至关重要。如果抑制了CeAGA细胞的活性，则麻醉剂的效果将会被抵消。团队希望未来发现能够精确激活这些细胞的小分子化合物，从而开发出新一代止痛药。
[1] DOI: 10.1038/s41593-020-0632-8
[2] https://today.duke.edu/2020/05/neurobiologist-finds-potent-pain-suppression-center-brain
《返朴》新冠病毒专题
特 别 提 示