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2023年 第45卷 第1期    刊出日期：2023-02-25

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特约专稿

太赫兹波调控技术：驾驭太赫兹之光

姚建铨, 李杰, 张雅婷, 丁欣, 吴亮

2023, 45(1):  1-16.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2023.01.001

摘要 ( 1125 )   PDF (7929KB) ( 1056 )  

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随着研究的不断深入，太赫兹科学与技术在多个基础研究及工程应用领域的重要地位日益凸显。辐射源、传输与控制及探测感知是太赫兹技术进一步发展需要继续探索的三个重要方面。太赫兹波应用的共同基础是使其与物质发生有效的相互作用以携带信息、传输能量等，实现这些过程往往需要对太赫兹信号的振幅、相位、频率、偏振、波前等电磁特性及自旋角动量、轨道角动量等光子特性在时空维度上进行调控。上述调控可以直接在辐射源处进行，也可以在传输过程中引入额外的功能器件。文章介绍了几种最具代表性的、基于源及器件的太赫兹波调控技术，并总结其基本原理、发展历程及最新进展。太赫兹波调控技术的发展将为太赫兹波的进一步应用奠定坚实的基础。




专题综述

病毒基因组包装马达

戴立强, 舒咬根

2023, 45(1):  17-21.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2023.01.002

摘要 ( 516 )   PDF (2444KB) ( 424 )  

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病毒只有通过侵入宿主细胞，占用后者的马达蛋白并耗尽其能量才能完成复制，而基因组的包装是其复制过程的重要一环。双链DNA或双链RNA病毒必须借助生物马达施力将无序的新生遗传物质注入衣壳内形成有序的类晶体结构后才算完成了复制。文章简单介绍了包装马达的结构、功能及其工作机制，并从能量效率角度推断其力学化学是不可逆的。




DNA损伤修复的单分子水平研究进展

江婷, 翟帆帆, 钟珊珊, 樊军

2023, 45(1):  22-32.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2022.03.009

摘要 ( 653 )   PDF (4120KB) ( 465 )  

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外源或内源的DNA损伤在生物体内持续发生。DNA损伤修复的缺陷与很多疾病甚至癌症等息息相关，而生物细胞进化出一系列精密的修复机制以耐受或切除这些损伤。单分子技术区别于常规的生化、分子生物学等手段，可以在体外与活细胞内研究DNA修复相关生物分子的动态反应特征，从而对DNA修复机制进行更充分的剖析。文章围绕常见的DNA损伤及其修复类型，阐述了近年来利用原子力显微镜、磁镊、光镊等单分子操控技术，以及全内反射荧光显微镜、光激活定位显微镜和超分辨显微示踪等单分子荧光成像技术在DNA修复机制研究中取得的进展，梳理了利用单分子技术解决的长期存在的关于DNA修复难题，并展望了单分子技术联合其他交叉学科技术在研究DNA修复机制方面的前景。



RNA聚合酶动态调控DNA转录的单分子水平研究进展

郝理, 江婷, 樊军

2023, 45(1):  33-44.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2022.05.010

摘要 ( 478 )   PDF (2667KB) ( 509 )  

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真核生物的RNA聚合酶II(Pol II)和原核生物的RNA聚合酶(RNAP)主要负责转录合成信使RNA(mRNA)，调控不同基因的转录水平，以调节生物体的生长发育和应对复杂多变的环境。研究者采用传统的荧光显微镜观测到RNAP可形成团簇，据此针对DNA转录调控提出“转录工厂”模型。随着单分子技术的发展，研究者在单分子水平上观测到了活细胞中RNAP动态调控DNA转录，提出RNAP可以通过液-液相分离机制进行转录调控。该综述总结了不同单分子荧光显微镜的技术原理，以及相关的荧光探针标记方法，并介绍了在真核生物和原核生物中应用单分子成像技术，可视化RNA聚合酶动态调控DNA转录过程的研究进展，最后展望了单分子技术在转录调控研究中的应用前景。




光镊与DNA纳米技术在膜生物学研究中的应用

林小娜, 石丽君, 叶杨, 王云云, 马璐, 杨洋, 边鑫

2023, 45(1):  45-53.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2023.01.005

摘要 ( 402 )   PDF (1730KB) ( 378 )  

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生物膜是生命活动中信号传导和物质运输的平台。近年来，多学科的交叉应用为膜蛋白介导的膜融合与分裂、囊泡形成与分泌，以及脂质代谢的调控机制等膜生物学研究带来了新的信息。例如，单分子光镊力谱方法通过精准、定量地检测蛋白与膜的相互作用，为在时空维度上理解这一生物过程的复杂调控机制提供了强有力的手段。此外，DNA纳米技术通过构建纳米尺度可编程的自组装结构，提供了可精确修饰与功能化的分子器件。经过疏水修饰的核酸纳米器件可以作用于磷脂膜或生物膜，进而对膜进行表面改性、诱导形变、控制理化参数以及跨膜通信等调控操作。该领域的进步将为细胞生物学机制研究、分泌囊泡的分析检测、人工脂质体的制备优化、新型分子载具开发以及新型药物开发提供特色的工具手段，并构建新颖的体系平台助力合成生物学、化学生物学以及分子医学的发展。




科学创造未来

氢能与新材料

朱宏伟

2023, 45(1):  54-56.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2023.01.006

摘要 ( 467 )   PDF (1587KB) ( 361 )  

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氢是清洁高效的能量载体和重要的化工原料。文章从当前氢能利用过程中面临的问题和挑战入手，简述了新材料在制氢、氢气分离与提纯、储氢及氢能转换等各环节的应用，对氢能利用中新材料的发展趋势进行了展望。




科技进展

氢燃烧特性对氢内燃机性能的影响

李星国

2023, 45(1):  57-67.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2022.03.007

摘要 ( 827 )   PDF (2755KB) ( 528 )  

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氢能开发是“双碳”战略中的重要一环，目前氢能主要是通过氢燃料电池把化学能转变成电能的形式得以应用。与此不同，氢内燃机则是将氢能直接转变成机械能，应用在交通、机器运转、发电等众多领域，对氢能发展具有重要的推动作用。氢内燃机与传统内燃机的最大区别是用氢气取代传统的化石燃料，因此，氢气的燃烧特性对内燃机的性能具有很大影响，对内燃机的结构也提出新的要求。至今从氢燃烧特性的角度去理解氢内燃机的研究不多，为此，文章尝试从氢气燃烧特性的角度出发理解氢内燃机的性能，并重点对氢内燃机的热效率、输出功率、NO_x 排放、异常燃烧等性能进行分析和讨论。结果显示，氢内燃机比传统内燃机和氢燃料电池在节能减排、输出功率、成本等方面具有更加优异的综合性能，是氢能-电能转换的另一种有效的方法。氢内燃机的发展也能促进氢能的大规模应用，其性能受到氢气燃烧特性的影响，氢燃烧特性的控制对氢内燃机性能的提高非常重要。




聚集体自噬研究进展

花蕊, 葛亮, 马欣宇

2023, 45(1):  68-78.  doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2023.01.008

摘要 ( 591 )   PDF (2439KB) ( 513 )  

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错误折叠蛋白在细胞内大量堆积后会形成蛋白聚集体，干扰细胞正常生理活动，以至引发各种人类疾病，尤其是神经退行性疾病。因此，研究聚集体的形成和清除过程对治疗神经退行性疾病具有重要意义。蛋白聚集体在形成过程中会受到相分离的调控，在液相、固相等多种状态间转变，这影响了聚集体的性质及其清除方式。尽管细胞内多种蛋白质量监测系统均可参与错误折叠蛋白的清除，但是一旦聚集体形成，通常需要通过自噬途径清除，即聚集体自噬过程。在聚集体自噬中，p62、NBR1、TAX1BP1、Tollip、CCT2等自噬受体能够帮助自噬系统识别蛋白聚集体，在聚集体的清除中发挥重要作用。文章主要介绍聚集体的形成以及通过自噬清除的过程，并聚焦于聚集体自噬领域的最新研究进展。