点我！看中国科大最新科研进展

中国科大近期科研速览

• 中国科大在神经细胞GABAA受体转运调控研究中取得重要进展

• 中国科大研制新型仿生手术缝线

• 中国科大实现远距离量子纠缠纯化
  

带你一览近期我校取得的最新科研进展！

中国科大在神经细胞GABAA受体转运调控研究中取得重要进展

GABAA受体是中枢神经系统中主要的抑制性神经递质受体，可以通过介导神经细胞外氯离子内流从而抑制神经的兴奋性。GABAA受体在神经细胞膜上的定位分布对神经信号的产生与传导具有重要调控作用。大量研究表明，GABAA受体在细胞膜分布水平的失调与神经系统疾病的发生密切相关，包括多种神经发育及信号传导疾病，如精神分裂症、两极性躁郁症和自闭症等；慢性神经系统疾病，如焦虑、抑郁和失眠等。此外，GABAA受体还是重要的中枢神经疾病药物靶点。因此，GABAA受体的动态调控对于神经系统的重要作用毋庸置疑，一直以来都是国内外研究的焦点。然而，关于细胞膜上的GABAA受体转运调控的分子机制研究还存在大量的空白。

近日，中国科学技术大学无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室、微尺度物质科学国家研究中心、生命科学与医学部王朝教授课题组和熊伟教授课题组合作在《Nature Communications》上在线发表了题为“Structural basis of GABARAP-mediated GABAAreceptor trafficking and functions on GABAergic synaptic transmission”的研究论文。该研究利用结构生物学、神经生物学和化学生物学的深度交叉合作，揭示了GABARAP促进GABAA受体细胞膜转运的分子机制。

GABARAPL1/γ2-GIM复合物晶体结构以及GABARAP对GABA能神经信号传递的影响

GABARAP最早被鉴定为与GABAA受体γ2亚基相互作用的蛋白，是参与GABAA受体细胞膜定位过程的重要蛋白之一。过往的研究发现，GABARAP可以提高GABAA受体在COS-7细胞膜和海马神经元细胞膜上的分布水平，但其具体作用途径仍然不清晰。在此项研究中，研究人员通过体外生化实验发现γ2亚基的TM3-TM4胞内段一段18个氨基酸的短肽（γ2-GIM）能直接结合GABARAP，并利用多种生化手段进行了定量的相互作用分析。研究团队进一步发现γ2-GIM结合GABARAP和GABARAPL1的特异性，并解析了GABARAPL1/γ2-GIM复合物的三维结构，确定了复合物组装的分子机制。接下来，研究人员在HEK293细胞中共表达GABAA受体和GABARAP，并通过电生理手段发现GABARAP显著提高了GABAA介导的氯离子电流。这种作用可以被膜蛋白内吞抑制剂进一步增强；但当加入细胞外泌抑制剂后GABAA介导的氯离子电流则明显降低，证明GABARAP的作用途径为促进受体的转运过程。最后，研究团队利用课题组此前开发的Ankyrin来源的干扰性多肽工具(Nat Chem Biol, 2018)，内源性的破坏小鼠脑内GABAA受体和GABARAP的相互结合后，发现运动皮层神经元的微小抑制性突触后电流的发放（mIPSCs）显著降低。该工作过运用多种生物学研究方法来研究GABAA受体与GABARAP的复合物的结构和功能，揭示GABARAP调节GABAA受体在细胞膜上动态分布水平的分子机理，为相关的人类神经系统疾病的治疗和高效特异性药物的研发提供了充实的结构信息和分子基础。

中国科学技术大学王朝教授、熊伟教授以及华南理工大学李健潮教授为论文的共同通讯作者，王朝课题组博士后叶进和熊伟课题组特任副研究员邹桂昌为论文的共同第一作者。该研究得到了香港科技大学张明杰院士课题组的大力支持。研究工作获得了无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室、微尺度国家研究中心、国家自然科学基金委、科技部、中科院及中国博士后基金等项目支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20624-z

中国科大研制新型仿生手术缝线

医用材料是一类具有高附加值的材料，目前市面上的高端医用材料大多依赖进口，价格十分昂贵，因此发展具有自主知识产权的国产高端医用材料迫在眉睫。近期，中国科学技术大学俞书宏院士团队基于“藕断丝连”这一自然现象，深入探究了莲丝纤维的微观结构与力学性能，并受此启发研制出了一种可用于手术缝线的仿莲丝细菌纤维素水凝胶纤维。

研究人员将细菌纤维素（BC）水凝胶加工成具有仿莲丝微米螺旋结构的水凝胶纤维（BHF），该水凝胶纤维兼具较高的强度和韧性，同时具有优异的亲水性和生物相容性，此外，仿生螺旋结构还赋予了该材料与人体皮肤相近的弹性模量，在伤口处受力变形时，BHF可有效缓冲并吸收能量，并与人体组织实现同步形变，从而避免割伤伤口造成二次伤害。相对于传统的棉线或聚合物线，水凝胶纤维缝线具有高生物相容性、高含水量、低刺激性和低摩擦阻力等特点，在保护受损组织，促进伤口愈合以及减少不良反应方面都具有显著的优势，因此有希望成为下一代新型高端手术缝线。相关研究成果以“Bio-Inspired Lotus-Fiber-like Spiral Hydrogel Bacterial Cellulose Fibers”为题发表在Nano Letters上。目前该材料相关专利已审核通过并获得授权。

与高分子链形成的水凝胶不同，具有螺旋结构的BHF是一种由三维纳米纤维网络构成的水凝胶，因此具有独特的力学性能。研究人员沿截面方向对预处理过的BC水凝胶施加恒定的切向力，让水凝胶的两侧受到相反的切向力，从而发生局部塑性变形，导致水凝胶螺旋扭曲。在BC水凝胶两侧的塑性变形过程中，纤维素纳米纤维三维网络中的氢键被切向力破坏，三维网络产生滑动和变形。撤除切向力后，纳米纤维之间的氢键发生重组，纤维的螺旋结构被固定，由此制得了具有仿生螺旋结构的高性能细菌纤维素水凝胶纤维。因具有这种仿生螺旋结构，BHF的韧性可以达到约116.3 MJ m-3，是未处理的BC水凝胶纤维的9倍以上，同时，细菌纤维素水凝胶的三维纳米纤维网络使BHF具有超过90 MPa的高强度。其特有的纤维素纳米纤维网络和仿生螺旋结构为该材料带来了独特的“可拉伸、不回弹”的力学性能，为其在高端手术缝线领域的应用打下了良好的基础。

仿生水凝胶纤维的制备、结构分析与应用

BHF同时具有优异的力学性能和生物相容性，是一种非常好的医用材料，特别是用于外科手术缝合线。与高模量高硬度的商业手术缝线相比，BHF具有与软组织类似的模量（可通过控制螺旋度调节），其出色的可拉伸性和能量耗散效果使其能够吸收来自伤口周围组织变形的能量，且能随着伤口组织的变形产生一定的变形，有效保护伤口不被缝线二次割伤，因此是一种理想的手术缝合线。另外，纳米纤维水凝胶的多孔结构还使BHF能够吸附抗生素或抗炎药物等，并持续在伤口处释放，从而起到抗炎和加速伤口愈合的作用。基于这种仿生设计，BHF有望在更多的医用材料领域上展现出其独特的应用潜力。

这项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥综合性国家科学中心等资助。

论文链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03707

中国科大实现远距离量子纠缠纯化

我校郭光灿院士团队在量子通信和量子网络的研究中取得重要进展。该团队李传锋、柳必恒研究组与南京邮电大学盛宇波等人合作，利用高品质的超纠缠源，首次实现了11公里的远距离量子纠缠纯化，纯化效率比此前国际最好水平提升了6000多倍。该成果2021年1月8日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

量子中继是在噪声信道中实现长距离量子通信的重要途径，而量子纠缠纯化是量子中继中的关键操作，利用量子纠缠纯化操作可以从两份纠缠度较低的纠缠态中提炼出一份纠缠度较高的纠缠态。此前的纠缠纯化协议都是利用两对低纠缠度的光子对实现，而研究组与合作者提出仅需一对超纠缠光子对的纠缠纯化方案。

他们实验上制备出偏振和路径分别处于纠缠态的超纠缠光子对，并在11公里长的多芯光纤里进行纠缠分发，然后进行量子纠缠纯化操作。实验结果表明，分发后的偏振纠缠和路径纠缠初始保真度均为约0.665时，纯化得到的纠缠态的保真度可以提升到0.774，而初始保真度均为约0.771时，纯化后的保真度则可提升到0.887。他们还首次将纠缠纯化用于量子密钥分发，纯化前纠缠态的纠缠度太低，产生的有效密钥率为0，而经过纯化后，有效密钥率则提升到0.371。此外，由于只需要使用一对超纠缠光子对，该方案的纯化效率（每秒大约输出400对）比此前国际上的最好水平提升了6000多倍。

该成果迈出了纠缠纯化从实验室平台到远距离的关键一步，同时大幅提升了纠缠纯化效率，为将来实现高效率的量子中继提供了有力的技术保障。

论文第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏。该研究得到科技部、国家基金委、中科院、安徽省的支持。

（a）实验概念图，（b）实验原理图。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.010503

来源：中国科大新闻网

扫描二维码关注
中国科大本科招生各官方平台
了解更多最新信息
还可以通过消息、私信或者留言进行咨询

中国科大本科招生

微信公众号

新浪微博

抖音视频

微信视频号

哔哩哔哩

快手视频

推荐阅读