大爆发！中国科大一日连发三篇《自然》

2月10日凌晨，国际权威学术期刊《自然》在线发表了中国科大团队在笼目结构超导体、基于超冷原子分子的量子模拟、蛋白质设计三个方面取得的重要进展。以下是成果简介。

在笼目结构超导体研究领域取得重要进展

中国科学技术大学陈仙辉、吴涛和王震宇等组成的团队，近日在笼目超导体

CsV₃Sb₅中发现一种新型电子向列相。该发现不仅为理解笼目结构超导体中电荷密度波与超导电性之间的反常竞争提供了重要实验证据，也为进一步研究关联电子体系中与非常规超导电性密切相关的交织序提供了新的研究方向。相关成果2月10日以“加速预览”的方式在线发表于《自然》。

电子向列相广泛存在于高温超导体、量子霍尔绝缘体等电子体系，与高温超导电性之间存在紧密联系，被认为是一种与高温超导相关联的交织序。探索具有新结构的超导材料体系，从而进一步研究超导与各种交织序的关联是当前领域的一个重要研究方向，其中一类备受关注的体系为二维笼目结构。理论预测二维笼目体系可呈现出新奇的超导电性和丰富的电子有序态，但长期以来缺乏合适的材料体系实现其关联物理，笼目超导体CsV₃Sb₅的发现为该方向的探索提供新的研究体系。

笼目结构超导体中三重调制电荷密度波导致的电子向列序与超导电性的物理示意图：刘慧（中国科大艺术与科学研究中心）

陈仙辉团队在前期研究中已成功揭示该体系中面内三重调制的电荷密度波态，以及电荷密度波与超导电性在压力下的反常竞争关系。在此基础上，团队结合扫描隧道显微镜、核磁共振以及弹性电阻三种实验技术，发现体系在进入超导态之前，三重调制电荷密度波态会进一步演化为一种热力学稳定的电子向列相，并确定转变温度在35开尔文左右。新型电子向列相具有Z₃对称性，在理论上被three state Potts模型所描述，因而又被称为“Potts”向列相。有趣的是，这种新型电子向列相近期在双层转角石墨烯体系中也被观察到。
这一成果不仅在笼目结构超导体中揭示了一种新型电子向列相，也为理解这类体系中超导与电荷密度波之间的竞争提供了实验证据。此前的扫描隧道谱研究表明，CsV₃Sb₅体系中可能存在超导电性与电荷密度波序相互交织而形成的配对密度波态（PDW）。在超导转变温度之上发现的电子向列序，可以被理解成一种与PDW相关的交织序，这一研究结果也为理解高温超导体中的PDW提供了重要线索和思路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04493-8

首次在超冷原子分子混合气中

合成三原子分子

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作，在超冷原子分子混合气中首次合成三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出重要一步。该成果2月10日发表于《自然》。

量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位研究，因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。
超冷分子将为实现量子计算打开新思路，并为量子模拟提供理想平台。但由于分子内部的振动转动能级复杂，通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了一条新途径。人们可以绕开直接冷却分子的困难，从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子，是合成分子领域的重要研究方向。

从超冷原子和双原子分子混合气中利用射频场合成三原子分子的示意图

中国科学技术大学研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振。在Feshbach共振附近，三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致，同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子Feshbach共振的成功观测，为合成三原子分子提供了新机遇。
在该项研究中，中国科学技术大学研究小组和中国科学院化学所研究小组合作，首次成功实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中，他们从接近绝对零度的超冷原子混合气出发，制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的Feshbach共振附近，通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。他们成功地在钠钾分子的射频损失谱上观测到射频合成三原子分子的信号，并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。这一成果为量子模拟和超冷化学的研究开辟了一条新的道路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04297-2

建立蛋白质从头设计新方法

中国科学技术大学刘海燕教授、陈泉副教授团队基于数据驱动原理，开辟出一条全新的蛋白质从头设计路线，在蛋白质设计这一前沿科技领域实现了关键核心技术的原始创新，为工业酶、生物材料、生物医药蛋白等功能蛋白的设计奠定了坚实的基础。相关成果北京时间2月10日发表于《自然》。

团队部分成员

摄影：代蕊

动画制作：量子鲲工作室

蛋白质是生命的基础，是生命功能的主要执行者，其结构与功能由氨基酸序列所决定。目前，能够形成稳定三维结构的蛋白质，几乎全部是天然蛋白质，其氨基酸序列是长期自然进化形成。在天然蛋白结构功能不能满足工业或医疗应用需求时，想要得到特定的功能蛋白，就需要对其结构进行设计。
近年来，国际上蛋白质从头设计的代表性工作主要采用RosettaDesign——使用天然结构片段作为构建模块来拼接产生人工结构。然而，这种方法存在设计结果单一、对主链结构细节过于敏感等不足，显著限制了设计主链结构的多样性和可变性。

中国科学技术大学相关团队长期深耕计算结构生物学方向的基础研究和应用基础研究。施蕴渝院士是国内这一领域的开拓者。刘海燕教授、陈泉副教授团队十余年来致力于发展数据驱动的蛋白质设计方法。
该团队首先建立了给定主链结构设计氨基酸序列的ABACUS模型，进而发展了能在氨基酸序列待定时从头设计全新主链结构的SCUBA模型。理论计算和实验证明，用SCUBA设计主链结构，能够突破只能用天然片段来拼接产生新主链结构的限制，从而显著扩展从头设计蛋白的结构多样性，甚至设计出不同于已知天然蛋白的新颖结构。“SCUBA模型+ABACUS模型”构成了能够从头设计具有全新结构和序列的人工蛋白完整工具链，是RosettaDesign之外目前唯一经充分实验验证的蛋白质从头设计方法，并与之互为补充。
在论文中，团队报道了9种从头设计的蛋白质分子的高分辨晶体结构，其中5种蛋白质具有不同于已知天然蛋白的新颖结构。

在这幅展开的画卷上，展开的部分是天然蛋白质结构，毛笔正在绘制的是从头设计蛋白的结构。毛笔代表了蛋白质设计的工具（SCUBA+ABACUS），可”描绘“出不同于已知天然蛋白的新颖结构。

 美术设计：陈磊

审稿人认为，这项工作中提出的方法具有足够的新颖性和实用性；从头设计蛋白质具有挑战性，本工作中6种不同蛋白质的高分辨率设计是一项重要成就，证明这种方法运行良好。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5

来源：中国科学技术大学新闻中心

文字：桂运安  王敏

编辑：李文心

文章转载自中国科学技术大学

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