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2017-07-24 清华大学

生命学院颜宁研究组在《细胞》发文报道电鳗激活态电压门控钠离子通道Nav1.4与β1复合物三维结构


电子系宁存政课题组在硅基纳米激光器和光放大器研究取得重大突破


生命学院颜宁研究组在《细胞》发文报道电鳗激活态电压门控钠离子通道Nav1.4与β1复合物三维结构

7月20日,清华大学生命学院颜宁研究组在《细胞》(Cell36 25782 36 9476 0 0 1351 0 0:00:19 0:00:07 0:00:12 1990>)期刊在线发表题为《来自电鳗的电压门控钠离子通道Nav1.4-β1复合物结构》(Structure of the Nav1.4-β1 complex from electric eel)的研究论文,首次报道了带有辅助性亚基的真核生物电压门控钠离子通道复合物可能处于激活态的冷冻电镜结构。清华大学生命学院院长王宏伟评价说,该成果是电压门控离子通道(voltage-gated ion channel)的结构与机理研究领域的一项重要成果,“也是颜宁教授在清华建立独立实验室以来,在离子通道领域取得的最重要的科学突破。”


电压门控钠离子通道Nav1.4-β1复合物结构示意图。


电压门控钠离子通道(以下简称“钠通道”)位于细胞膜上,能够引发和传导动作电位,参与神经信号传递、肌肉收缩等重要生理过程,钠通道感受膜电势的变化而激活或失活。对于可激发的细胞,细胞膜两侧由于钠离子、钾离子、钙离子、氯离子等离子的不对称分布,产生跨膜电势差。在静息状态下,细胞膜内电势低,膜外电势高,3-5纳米厚的细胞膜两侧电势差大概为-70毫伏左右。通常情况下,钠通道在细胞膜去极化状态,也就是细胞内相对电势升高时激活(即钠通道中心通透孔道打开,钠离子由高浓度的胞外侧流向胞内),从而引发动作电位的起始;而其又具备特殊的结构特征,使之在激活的几毫秒内迅速失活,从而保证通过与钾离子通道的协同作用结束动作电位,以及由钠钾泵介导的静息电势的重建,为下一轮的动作电位产生做好准备。


真核生物的钠通道主要由负责感受膜电势控制孔道开闭进而选择性通透钠离子的α亚基和参与调控的β亚基组成。在人体中共有9种钠通道α亚型(分别命名为Nav1.1-1.9)和4种β (β1-4)亚基,特异分布于神经和肌肉组织中。由于其重要的基本生理功能,钠通道的异常会导致诸如痛觉失常、癫痫、心率失常等一系列神经和心血管疾病。至今为止,已经发现了1000多种与疾病相关的钠通道突变体。另一方面,很多已知的包括蝎毒、蛇毒、河鲀毒素在内的生物毒素以及临床上广泛应用的麻醉剂等小分子均通过直接作用于钠通道而发挥作用。钠通道是诸多国际大制药公司研究的重要靶点,其结构为学术界和制药界共同关注。


颜宁研究组十年来一直致力于电压门控离子通道的结构生物学研究,取得了一系列重要成果,包括来自细菌中的钠通道NavRh的晶体结构 (Zhang et al., 2012)。近两年,相继报道了与钠离子通道有同源性的世界上首个真核电压门控钙离子通道复合物Cav1.1 (Wu et al., 2016; Wu et al., 2015)以及首个真核钠通道NavPaS (Shen et al., 2017)的高分辨率冷冻电镜结构,为理解真核电压门控离子通道的结构与功能提供了重要基础。


在最新的研究中,颜宁研究组首次报道了真核钠通道复合物Nav1.4-β1的冷冻电镜结构,整体分辨率达到4.0 埃米,中心区域分辨率在3.5 埃米左右,大部分区域氨基酸侧链清晰可见。该蛋白来自于电鳗(Electrophorus electricus),它具有一个特化的肌肉组织称为电板(electroplax),在受到刺激或捕猎时能够放出很强的电流;电流产生的基础即为钠通道的瞬时激活。因而该器官富集钠通道,其序列与人源九个亚型中的Nav1.4最为接近,因此命名为EeNav1.4。值得一提的是,电鳗中的钠通道正是历史上首个被纯化并被克隆的钠通道,已经具有半个世纪的研究历史,是钠通道功能和机理研究的重要模型,因此该蛋白一直以来也是结构生物学的研究热点。


在本研究中,研究组成员利用特异性的抗体从电鳗的电板组织中提纯出Nav1.4-β1复合物,通过对纯化条件和制样条件的不断摸索和优化,获得了性质稳定且均一的蛋白样品,并进一步制备出优质的冷冻电镜样品,最终利用冷冻电镜技术解析出其高分辨三维结构。与此前解析的钠通道NavPaS相比,该结构展示了三大新的结构特征:


(1)该结构中带有辅助性亚基β1,首次揭示了辅助性亚基与α亚基的相互作用方式,有助于更好的理解β亚基对钠通道功能的调控机制。


(2)与钠通道快速失活相关的III-IV 连接片段的位置与之前在Cav1.1和NavPaS结构相比有一个十分显著的位移,特别是与快速失活直接相关的IFM元件插入到了中间孔道结构域的内外两层之间。这一新的结构刷新了我们之前对钠通道失活机制的理解,却与历史上大量基于电生理的突变体分析十分吻合。本论文就此提出了一个解释钠通道快速失活的新的变构阻滞机制(allosteric blocking mechanism)。


(3)该结构特征与预测的激活态基本吻合,极有可能揭示了首个处于开放状态的真核钠通道的结构,实属意外之喜。由于钠通道蛋白在提纯后会很快失活,理论上处于开放状态的结构是极难甚至不可能捕捉到的。进一步分析电子密度发现,有一团疑似去垢剂分子的密度堵在胞内门控区域,帮助稳定了钠通道的开放状态。因此该结构整体呈现的极有可能是完全没有预料到的激活态。这一难得的构象有助于更好地理解电压门控离子通道最基本的机电耦合机理问题(electromechanical coupling mechanism)。除此之外,该结构还为基于结构的药物设计和功能研究提供了全新的模板。


颜宁教授为本文的通讯作者。结构生物学高精尖创新中心卓越学者闫浈(医学院博士后)、医学院副研究员周强、生命学院博士生王琳、生命学院博士毕业生吴建平为本文的共同第一作者;清华大学冷冻电镜平台雷建林博士指导数据收集。本研究获得了清华大学冷冻电镜平台工作人员李小梅和李晓敏的大力支持。国家蛋白质科学中心(北京)清华大学冷冻电镜平台和清华大学高性能计算平台分别为本研究的数据收集和数据处理提供了支持。


论文链接:

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30758-4




电子系宁存政课题组在硅基纳米激光器和光放大器研究取得重大突破

纳米尺度上的激光器和光放大器是未来芯片上光电集成的核心器件,对未来超级计算机和“片上数据中心”等信息科学技术至关重要。如能将这些纳米级器件做在硅基衬底上,将引领片上光互连的革命性发展,因而成为近几十年来国际学术界和科技产业界共同关注的焦点之一。


清华大学电子系“千人计划”专家宁存政教授长期研究半导体发光物理、纳米光子学、器件极端微型化制作及表征,曾在世界上首次制成尺寸小于半波长的电注入纳米激光器,并首次实现了电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转,是纳米激光技术领域的开拓型领军人物。宁存政教授课题组一直致力于微纳光电子材料器件的物理及应用研究,不断突破激光器和光放大器尺寸小型化极限,为光电集成及其在未来计算机芯片上的应用进行前沿探索。十多年来,课题组专注开发纳米激光器和具有高光学增益的光放大器新材料,最近同时在这两方面取得重大突破,并于7月17日同日在《自然》杂志的两个子刊《自然·光子学》(Nature Photonics)和《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表了最新的实验结果。


图片说明:基于二维材料的纳米激光器的结构示意图。

网状结构示意单层二维材料,底下是一个用作激光腔的硅纳米悬臂。


助理研究员李永卓等人在《自然·纳米技术》上发表的“基于单层二碲化钼和硅纳米臂腔的室温连续模纳米激光”(Room-temperature continuous-wave lasing from monolayer molybdenum ditelluride integrated with a silicon nanobeam cavity),首次报道了室温下连续模运转的基于二维材料的纳米激光器。这种只有单层分子厚度的二维半导体材料受到多个领域的高度重视,二维材料凭借其独特的激子发光机制为纳米激光提供了最薄的光学增益材料。两年前,美国科学家在可见光波段实现了低温下运转的激光激射,但室温运转一直没有实现。


宁存政教授领导的课题组结合多年来开展的纳米激光研究经验,利用厚度只有0.7纳米的单层二碲化钼作为增益材料,以一个宽度仅300多纳米、厚度200多纳米的硅纳米臂腔作为激光器谐振腔。课题组发现,在上述二维材料中,电子和空穴的结合能非常高,可形成稳定的激子态,具有较高的发光效率。硅基纳米臂腔具有超高的光学品质因子,而二碲化钼的激子辐射波长在硅材料内几乎没有吸收。因而,二维材料和硅基纳米臂腔的“强-强”结合,是将激光器运转温度提升到室温的重要原因。


此研究需要制作尺寸精准的纳米悬臂结构,并在悬臂上刻蚀出大小不同的一维圆孔阵列,同时将只有单层的二维材料精准地转移到纳米悬臂结构上,这对纳米加工和纳米操作技术提出了巨大挑战。宁存政教授带领青年教师李永卓等人攻克了一系列困难,终于在世界上首次实现了二维材料纳米激光的室温运转。


纳米激光器研究对基础研究和实际应用都有重要意义。首先,二维材料作为最薄的光学增益材料,已被证明可以支持低温下的激光运转,但是这种单层分子材料是否足以支持室温下的激光运转,在科技界尚存疑虑。室温运转是绝大部分激光实际应用的前提,因而新型激光的室温运转在半导体激光发展史上具有指标性意义。另外,由于二维材料中极强的库伦相互作用,电子和空穴总是以激子态出现,因而这种激光实际上与一种新型的激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚密切相关,是基础物理领域目前最为活跃的课题之一。


纳米线波导实现光放大的示意图(左),纳米线的扫描电子显微镜照片(右)。


助理研究员孙皓等人发表在《自然·光子学》杂志的长文“单晶铒氯硅酸盐纳米线中的超高光学增益”(Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire),首次报道了在单根铒化合物纳米线波导中实现大于100 dB/cm的光学净增益。该研究成果突破了传统掺铒材料中光学增益仅为几个dB/cm的限制,为在硅基光电集成芯片上实现纳米尺度的高增益光放大器奠定了重要基础。


掺铒光纤放大器是全光网络和信息高速传递系统中不可缺少的关键器件,其问世是光纤通信领域革命性的技术突破,使得长距离、高速率、大容量的光纤通信成为可能。然而在典型的掺铒材料中由于铒离子浓度太低,使得每厘米的光学增益仅为几个dB。因此,基于掺铒材料的激光器和放大器由于尺寸过大,无法用于未来光子芯片上的系统集成。


近几十年来,人们一直试图另辟蹊径,转而研究含铒浓度很高的铒化合物,试图通过铒浓度的增加来提高光学增益。但研究发现,采用薄膜外延生长的铒化合物由于结晶质量较差、导致荧光寿命过短,同时由于含铒浓度高还会引发荧光淬灭效应,目前还未有光学净增益的报道。如何将这种长距离光通信中的成功技术典范拓展到光子集成芯片领域,是亟待解决的重大课题,也是近几十年来的一个研究重点。

        

近年来,宁存政教授课题组成功研制出一种生长在硅基衬底上的新型单晶铒化合物纳米线。为了获得具有高光学增益的含铒材料,通常需要同时满足高含铒浓度和良好结晶质量的条件。宁存政教授带领青年教师孙皓等人经过几年的不懈努力,成功攻克了亚微米尺度下单根纳米线波导精准测试的诸多瓶颈难点,最终获得近乎无缺陷的具有单晶结晶质量的高含铒浓度纳米线。课题组首次在单根纳米线上准确测量了材料的本征吸收系数,最终获得高达100dB/cm的光学净增益,远高于其他含铒材料的报道值。


这一研究结果对微纳结构材料的基础物理特性研究和器件应用有着重要意义。首先,含铒材料的增益特性研究为进一步开发工作于光通信波段1.5 μm的硅基片上光子集成有源器件奠定了物理基础;其次,结合含铒材料的量子相干寿命长并且谱线很窄等特点,使其在量子信息系统应用中极具吸引力;此外,该材料还可应用在诸如太阳能电池、固体照明、生物荧光标记等领域。同时,该研究对于具有相似结晶质量的其他稀土元素的纳米线结构的研究,也具有参考意义。


纳米线的信号增强和光学净增益的测试结果,图为测试系统照片。


以上两项研究的另一重大意义在于硅基光电子集成和未来计算机芯片。众所周知,硅材料是目前微电子技术包括计算机芯片的基础,也是未来光电集成的极可能的基底材料。但由于硅是一个效率极低的发光材料,所以未来光电集成芯片中需要以某种方式将其它发光材料与硅衬底集成。而这种集成也是近几十年来光电集成中悬而未决的难题。通常做法是将发光效率高的III-V族化合物半导体与硅粘合在一起。与此相比,二维材料或是纳米线结构不会由于应力或晶格失配引起任何损伤或性能降低,为未来硅基光电集成提供了一个新的思路。


宁存政课题组实验室。


这两项研究工作均是清华大学与美国亚利桑那州立大学的合作成果,关键工作在国内完成。电子系助理研究员孙皓为《自然·光子学》文章的第一作者,其它重要合作者包括亚利桑那州立大学的殷雷俊博士和刘志程博士,清华课题组工程师郑熠泽等。电子系助理研究员李永卓为《自然·纳米技术》文章的第一作者,参与论文工作的还有清华大学博士生章建行、工程师黄丹丹、助理研究员孙皓、博士生冯家斌和王震,以及亚利桑那州立大学的樊帆博士。宁存政教授为两篇论文的通信作者。


论文链接:

https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.128.html


http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.115.html



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