中国科大在地球磁场、纳米粒子等研究领域取得重要进展

近期科研速览目录：

• 中国科大发现地球磁场磁场重联由电子动力学触发的证据

• 中国科大实现Nano-CT直接观察细胞内纳米粒子的形成

带你一览近期我校取得的最新科研进展！

Part 01

中国科大发现地球磁场磁场重联由电子动力学触发的证据

中国科学技术大学中科院近地空间环境重点实验室陆全明、王荣生研究团队，联合美国加州大学洛杉矶分校卢三博士和其他多家欧美科研机构，在地球磁尾磁场重联触发机制方面取得重要进展。他们结合MMS卫星高分辨率观测资料和数值模拟，发现了地球磁尾磁场重联由电子动力学触发的证据。相关结果10月7日在线发表在《Nature Communications》上。

磁场重联是等离子体中的一种基本物理过程。该过程中，磁能会爆发式地释放、转化为等离子体的动能和热能。日地空间环境中许多爆发式能量释放事件，例如：太阳耀斑、日冕物质抛射、磁层亚暴等，都是由磁场重联导致的。地球磁尾发生的磁场重联，其触发时间只有几秒到几十秒，卫星很难直接地探测到触发阶段的粒子动力学行为。因此，磁场重联触发机制的研究主要来源于理论和数值模拟。

依据理论和数值模拟的研究，地球磁尾的磁场重联触发有两种可能的机制。第一种机制是强驱动环境中电子动力学触发磁场重联。第二种是离子动力学驱动磁场重联。关于两种机制的争论持续了长达半个世纪。研究团队结合高时间分辨率卫星数据和数值模拟，发现地球磁尾位型下的磁场重联触发过程起始于小尺度的电子尺度区域的证据，由该区域内电子动力学行为主导，并导致了进一步的爆发式能量释放过程。这为长达半个世纪的地球磁尾磁场重联触发问题的解决提供了新思路。

论文共同第一作者是中国科学技术大学王荣生教授和加州大学洛杉矶分校卢三博士，通讯作者是中国科学技术大学陆全明教授。该研究获得了中国科学院和国家自然科学基金委的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18787-w

Part 02

中国科大实现Nano-CT直接观察细胞内纳米粒子的形成

2020年10月23日，国际著名学术期刊《Science Advances》在线发表了中国科学技术大学化学与材料科学学院梁高林教授课题组的研究成果，文章标题为《Directly observing intracellular nanoparticle formation with nanocomputed tomography》。该文章报道了一种含碘小分子在细胞内自组装成富碘纳米粒子的“智能”策略，并用纳米计算机断层扫描（Nano-CT）直接观察到细胞内纳米粒子的形成（Sci Adv, 2020, 6, eaba3190. DOI: 10.1126/sciadv.aba3190）。

利用小分子前体在细胞内组装成纳米结构是一种智能策略，其在分子影像和药物递送领域显示出很大优势。小分子容易被细胞摄取，但会很快被清除。纳米结构在细胞中保留时间长，但很难被细胞摄取。小分子在细胞内形成纳米结构的“智能”策略，恰好利用了小分子和纳米结构互补的优势。但由于细胞内存在大量的天然纳米结构，迄今为止，如何把人工形成的纳米结构从细胞内的天然纳米结构中区分出来仍然是一个挑战。

梁高林教授基于本课题组特色的CBT-Cys点击缩合反应，合理设计并合成了含碘小分子4-nitrobenzyl carbamate-Cys(SEt)-Asp-Asp-Phe(Iodine)-2-cyano-benzothiazole (NBC-Iod-CBT)。当NBC-Iod-CBT进入硝基还原酶高表达的癌细胞后，其双硫键被细胞内谷胱甘肽还原、NBC底物被硝基还原酶酶切，生成活泼中间体Cys-Iod-CBT。两个Cys-Ido-CBTs之间立即发生CBT-Cys点击缩合反生成两亲性的环状二聚体Iod-CBT-Dimer，该二聚体可自组装成纳米粒子Iod-CBT-NPs。Nano-CT是一种在完整细胞内观察三维纳米结构的理想技术。其水窗技术可以使未染色的、约10微米厚的冷冻细胞以独特的高对比度和分辨率在其接近原生状态时进行三维成像。因此，细胞内形成的富碘纳米粒子Iod-CBT-NPs可以通过高对比度的Nano-CT直接成像（见下图）。而且，由于不同物质对X射线的吸收能力不同，它们的线性吸收系数值不同，细胞内形成的纳米粒子可以通过其线性吸收系数来进一步确定。梁高林教授发展出来的这种策略有望帮助人们进一步区分细胞内形成的其他人工纳米结构，从而深入了解细胞内纳米结构的形成机制。

该论文的第一作者为中国科学技术大学化学与材料科学学院博士生张苗苗。梁高林教授为唯一通讯作者。

该项目研究得到国家杰出青年科学基金、基金委创新研究群体项目以及科技部国家重点研发计划的资助。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/43/eaba3190

来源：地球和空间科学学院、化学与材料科学学院、科研部

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