学术背景 糖尿病是一种全球性的健康问题，影响着超过5亿人。无论是1型糖尿病（T1D）还是2型糖尿病（T2D），其共同特征是功能性胰岛素分泌的β细胞数量显著减少。因此，恢复或增加β细胞数量被认为是治疗糖尿病的关键策略之一。目前，尽管通过胰腺移植、胰岛移植或干细胞衍生的β细胞移植等方法取得了一定进展，但这些方法成本高、供体稀缺，且难以大规模应用。因此，开发能够促进内源性β细胞再生的药物成为了研究热点。 近年来，研究发现小分子药物如DYRK1A抑制剂（如哈明碱）能够促进β细胞增殖，并增强其分化和功能。然而，这些药物在体内促进β细胞再生的具体机制尚不明确。本文通过单细胞RNA测序技术，研究了DYRK1A抑制剂对胰岛细胞的影响，特别是α细胞向β细胞转分化的可能性。 论文来源 本文由Esra Karak...
火星水历史的探索：从季节性循环到长期演化 学术背景 火星作为太阳系中最接近地球的行星之一，长期以来一直是科学家们关注的焦点。尤其是火星上水的存在与演化历史，直接关系到火星是否曾经具备支持生命的条件。理解火星水的历史不仅有助于揭示其地质和气候的演变，还为探索火星上是否存在过生命提供了重要线索。然而，尽管已有大量研究，火星水的历史仍然存在许多不确定性。本文旨在通过分析火星水的季节性循环、长期演化以及水流失到太空的过程，探讨火星水的历史及其对火星宜居性的影响。 论文来源 本文由Bruce M. Jakosky撰写，发表于PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences）2024年第121卷第52期。Bruce M. Jakosky来自Univ...
基于热力学图谱的相变与临界指数推断研究 学术背景 相变（phase transitions）是自然界中普遍存在的现象，从水的沸腾到磁性材料的铁磁-顺磁转变，再到生物大分子（如蛋白质和核酸）的构象转变，相变在多个科学领域中扮演着重要角色。然而，准确量化相变及其温度依赖性特征仍然是一个极具挑战性的问题，尤其是在数据稀疏或复杂的情况下。传统的统计力学方法虽然提供了研究相变的理论框架，但在实际应用中，由于相变区域的采样困难，计算相变特征（如临界温度、热容和临界指数）往往需要大量的计算资源。 为了解决这一问题，Lukas Herron、Kinjal Mondal、John S. Schneekloth Jr. 和 Pratyush Tiwary 等研究人员提出了一种名为“热力学图谱”（Thermody...
迈向系统农业生态学：间作设计与控制 学术背景 随着气候变化和自然资源（如肥沃土壤和水资源）的逐渐消失，探索替代当今工业化单一作物种植的农业模式变得至关重要。间作（Intercropping, IC）是一种有前景的农业实践，即在同一块土地上同时种植两种或更多作物。许多实验表明，在某些情况下，间作可以减少土壤侵蚀和化肥使用，改善土壤健康和土地管理，同时保持作物产量水平。然而，目前尚缺乏定量方法来预测、设计和控制特定环境和农业条件下的间作实施，并评估其稳健性。本文基于数据科学和系统生物学的方法和概念，开发了一种定量方法，旨在为间作的设计和控制提供科学依据。 论文来源 本文由Sirio Belga Fedelia和Stanislas Leibler共同撰写，分别来自Institute for Adv...
MINFLUX 纳米显微镜在生物组织中的应用：突破荧光显微镜的分辨率限制 学术背景 荧光显微镜在生物学研究中扮演着至关重要的角色，但其分辨率受到衍射极限的限制，通常只能达到约200纳米。近年来，超分辨率显微镜（super-resolution microscopy, SR）技术的发展突破了这一限制，使得研究人员能够在纳米尺度上观察生物分子的分布。然而，在复杂的生物组织中，尤其是较厚的样本中，光学像差、光的吸收和散射等问题严重影响了超分辨率显微镜的性能。为了在生理相关的环境中实现纳米级分辨率的蛋白质分布可视化，研究人员一直在探索新的成像技术。 MINFLUX（minimal photon fluxes）纳米显微镜是一种新兴的光学成像技术，它结合了坐标靶向和坐标随机超分辨率显微镜的优点，能够在极...
铁电向列液晶中由双半整数表面缺陷组成的π畴壁研究 学术背景 铁电材料中的π畴壁（π domain walls）是分隔不同极化区域的界面，其结构不仅在基础研究中具有重要意义，还在许多实际应用中具有重要价值。铁电向列液晶（ferroelectric nematic liquid crystals）是一种具有微观取向有序和宏观自发极化的极性流体。与传统的铁电晶体不同，铁电向列液晶具有连续的平移对称性，表现出低驱动电场、高光学非线性响应、极性拓扑结构等独特性质。这些特性不仅具有科学意义，还在非线性光学和光电应用中具有潜在价值。 尽管对固体铁电材料中的π畴壁已有深入研究，但其在流体中的结构仍不完全清楚。特别是，π畴壁在铁电向列液晶中的内部结构及其动力学行为尚未得到充分解释。本研究旨在揭示铁电向列液晶中...
光合系统II中水氧化过程中质子释放的机制研究 学术背景 光合系统II（Photosystem II, PSII）是自然界中唯一能够催化水分解的酶，其反应不仅释放出氧气，还为生物质的合成提供了电子。水分解反应释放的质子进入类囊体腔，形成质子动力势（proton-motive force, PMF），驱动ATP的合成。尽管近年来在PSII的结构和功能研究方面取得了显著进展，但水氧化反应中的关键步骤，特别是去质子化过程的机制仍然存在争议。本文通过结合量子/经典（QM/MM）自由能计算和原子分子动力学（MD）模拟，揭示了PSII中氧释放的锰-钙簇（Mn4O5Ca）如何通过保守的羧酸盐和水分子阵列将质子传递到类囊体腔，并识别了局部质子存储位点和分子门控机制，防止了质子回流的浪费反应。 论文来源 本文由...
研究背景 在单细胞胚胎中，蛋白质的不对称分布是细胞极性和发育的关键步骤。这种不对称分布通常依赖于复杂的反应-扩散机制（reaction-diffusion mechanisms），并涉及多个反馈回路。在Caenorhabditis elegans（秀丽隐杆线虫）的单细胞胚胎中，RNA结合蛋白MEX-5和MEX-6以及有丝分裂激酶PLK-1在细胞极性的建立和维持中起着重要作用。尽管MEX-5和MEX-6在序列上高度同源，但它们的不对称分布机制及其调控方式尚不完全清楚。本研究旨在揭示MEX-6梯度形成的生物物理机制，并探讨MEX-5、MEX-6和PLK-1之间的复杂相互作用。 研究来源 该研究由Alexandre Pierre Vaudano、Françoise Schwager、Monica ...
基因组范围内单细胞和单分子水平的转录因子足迹分析 学术背景 在人类和其他哺乳动物中，尽管每个体细胞的基因组基本相同，但不同细胞类型的功能却大相径庭。这种差异主要由转录因子（Transcription Factors, TFs）与基因调控区域的结合所决定，TFs通过控制DNA转录为RNA的过程来调控基因表达。理解TFs如何与基因组结合是功能基因组学研究中的核心问题之一。然而，现有的研究方法存在一定的局限性。传统的“自下而上”方法（如原子分辨率结构和单分子成像）和“自上而下”方法（如经典遗传学和分子生物学）虽然提供了许多有价值的信息，但无法在单细胞和单分子水平上全面揭示TFs的结合模式。 为了克服这些限制，本研究开发了一种名为“基于脱氨酶的足迹分析”（Footprinting with Deam...
软椭球形微凝胶在气-水界面的毛细驱动自组装研究 研究背景 在流体界面（如气-水界面）上，胶体颗粒的吸附会引发界面变形，进而产生各向异性的界面介导相互作用，并形成超结构。特别是软性椭球形微凝胶由于其可调节的长宽比、可控的功能性和柔软性，成为研究自发毛细驱动自组装的理想模型。微凝胶通常由聚苯乙烯（PS）核心和交联的荧光标记的聚（N-异丙基甲基丙烯酰胺）（PNIPMAM）外壳组成。通过单轴拉伸嵌入聚乙烯醇（PVA）薄膜中的颗粒，可以精细调节其长宽比（aspect ratio, ）。研究表明，长宽比的变化范围从1到8.8，这些微凝胶在气-水界面上的自组装行为通过荧光显微镜、理论计算和计算机模拟进行了研究。随着长宽比的增加，微凝胶的自组装从看似随机的结构转变为紧凑的簇，最终形成长链状的侧向组装。PN...