在国际顶级期刊上，浙江大学科研团队发表了许多有趣而沉重的研究成果。

加强基础研究，夯实创新基础

浙江大学科研团队学习学术，潜心探索

创新突破产生了引人注目的突破

最近，科学家们还在国际顶级期刊上

发表了许多有趣而沉重的研究成果。

咱们一起来看看吧！

要点速览：

浙江大学生命科学研究所林世贤研究员团队在《科学》中发表文章，探索了一条全新的生物体可以自主编码非天然氨基酸的方法，并为实验室创建编码非天然氨基酸的人工生命体的概率研究按下了启动键。

在《自然》的基础上，浙江大学生命科学学院研究员蒋明凯透露了生态系统磷循环限制森林碳汇响应大气二氧化碳浓度升高的关键机制，该机制全面构建了第一个森林生态系统磷循环核算。

浙江大学物理学院/相关物质研究中心袁辉球队在《自然-物理》中发表文章，利用自身发展的金刚石准静水压技术，成功观察到超导体的零电阻，确定了镍氧化物的高温超导；暴露了超导与奇异金属的联系，发现当载流子浓度进入超导区时，载流子浓度大幅上升。

在《自然-衰老》中，浙江大学农业与生物科技学校沈星星研究小组和黄健华研究小组发布了一份文件，准确识别了一种全新的动物长寿基因，它不仅能显著延长昆虫和线虫的寿命，而且对人类细胞具有显著的抗衰老能力。

研究详情：

在实验室里可以创造人工有机体吗？

女娲造人，关于自然事物的无限可能，在神话中有着奇妙的遐想。随着现代科学的发展，科学家们发现蛋白质基本上是由20种天然氨基酸组成的，具有生命活动的功能。

然而，氨基酸的种类远不止这20种。近年来，科学家们通过各种研究手段获得了各种人工合成的非天然氨基酸。因此，科学家们开始思考:生物能否独立编码这些非天然氨基酸，使生物蛋白的设计和功能更有可能？

这个研究想法的真实难度远远超出想象！北京时间6月7日，浙江大学生命科学研究所林世贤研究员团队在国际顶级期刊《科学》上发文，探索了一条生物体可以自主编码非天然氨基酸的新路径。这为在实验室创建编码非天然氨基酸的人工生命体的概率研究按下了启动键。

论文第一作者为前博士后丁文龙、博士生于微和浙江大学绍兴研究院博士后陈宇霖，浙江大学生命科学研究所，论文通讯作者为林世贤。

在盲点中找到“弱点”

研究表明，自然生命体的翻译系统根据基因编码的信息，通过识别通用的64个三联遗传“密码子”，将20种天然氨基酸聚合成蛋白质，从而不断演变成复杂的有机体。

自从发现了生命体的翻译规律，科学家们就一直在探索是否可以通过改写遗传密码表来编码20种氨基酸以外的非天然氨基酸。

64种原始密码子中，61种有义密码子肩负着生成氨基酸的任务，3种终止密码子用于停止生成过程。

理论上，61种义密码子不应用于编码非天然氨基酸。过去的研究团队一直处于“灯下黑”的状态，在三种终止密码子中找到突破是该领域的共识，但这种研究思路总是存在关键瓶颈...

一些科学家试图选择四联密码子、非天然碱基等新型无义密码子来扩展遗传密码，但在工作效率、通用领域和便利性等方面存在更大的挑战。

浙江大学科研团队通过化学设计、合成生物重构、大数据模型预测等交叉学科的研究手段，发现哺乳动物细胞中使用频率最低的TCG密码是所有翻译系统的“弱点”——一个新的突破口。

稀有密码子重编码系统的原理示意图

这一突破为非天然氨基酸的高效和特殊遗传代码开辟了新的方向。

利用“特洛伊木马”创造新的蛋白质

氨基酸的生成需要tRNA和合成酶作为催化中介。如果你想引入非天然氨基酸，仅仅找到翻译系统的新突破是不够的。你必须“威胁皇帝让诸侯”，劫持TCG稀缺密码进行突破。

“我们团队第一次发现，密码子周围的序列对于劫持非常重要。因此，为了更好地劫持它，我们进行了特殊的改造。”林世贤说。

针对这一突破，浙江大学科研团队设计了一套“特洛伊木马”，在自己设计的重新编码tRNA上加载非天然氨基酸，并利用翻译系统的“弱点”植入目标蛋白。

因此，这种装有非天然氨基酸的“特洛伊木马”成功“混入”了翻译系统的合成车间，并将相应的非天然氨基酸插入到几乎任意的翻译工厂的蛋白质中。

林世贤表示，团队可以在不影响自然序列正常合成过程的情况下，通过大量的实验和模拟数据推断，提高非天然氨基酸的编码选择性，使其能够在不影响自然序列正常的情况下高效生成非天然氨基酸。“我们称之为稀缺密码子重编码技术，这与所有基于无义密码子的遗传密码扩展技术有本质区别！”

其中一位匿名审稿人提到，“这项工作是生物学和化学生物学的杰出壮举，为非天然氨基酸工具包增添了新的内容。此外，该方法目标明确，设计巧妙，实验过程扎实全面，数据和结果令人兴奋。”

未来有望建立一个全新的有机体？

人类和小鼠，都是由同样的20种天然氨基酸组成的。但是，为什么人类和小鼠有如此大的不同呢？

“氨基酸单独聚集后，身体的蛋白质会经历近千种翻译，如乙酰化、磷酸化和泛素化，比老鼠、真菌、细菌等其他生物复杂得多。”林世贤解释说，引入非天然氨基酸可以帮助我们更好地了解蛋白质装饰如何发挥其生物功能，为了了解复杂的生命过程提供了便捷的研究手段。

此外，利用非天然氨基酸材料实现新型蛋白质药物的智能创造，可以增强药物的功能，甚至可以制作新功能的蛋白质药物，加强药物与靶点的结合，增加药物在血液中的半衰期，增强药物的生物可视性。

林世贤想象着，一种由21种氨基酸甚至30种氨基酸组成的细胞可以在未来的基础上设计出来，并在此基础上构建出一个全新的人造有机体功能。“我们的技术为做这件‘不可能’的事情打下了良好的基础，这是我们以前无法想象的。”

浙江大学学者《自然》发文揭示谁是森林碳汇增长的“绊脚石”

森林是大气二氧化碳的吸收器和储存库。因此，当大气中二氧化碳浓度在未来上升时，陆地森林生态系统会产生额外的碳汇吗？人类能通过种植绿色和保护绿色来增加碳汇吗？过去的主流答案是“YES”。但是基于6年的田间监测，科学家们对这一主流观点进行了强有力的数据分析反驳。

在全面构建第一个森林生态系统磷循环核算的基础上，研究揭示了生态系统磷循环限制森林碳汇响应大气中二氧化碳浓度升高的关键机制。并指出，为了应对未来的气候问题，植物需要更积极的获取磷的策略来提高土壤中磷的植物利用率。

本研究结果于北京时间6月5日在国际顶级期刊《自然》上发表，题目为“Microbial competition for phosphorus limits CO2 response of a mature forest”。研究小组涵盖了中国、澳大利亚、瑞士、挪威、西班牙、荷兰、美国、英国、德国等国家的研究人员。本文第一作者为浙江大学生命科学学院蒋明凯研究员，第一单位为浙江大学。

磷在哪里，磷去哪了？

众所周知，绿色植物可以通过光合作用将二氧化碳和水转化为储存能量有机物，释放氧气。森林碳汇是指森林植物吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被或土壤中，从而缓解温室效应的作用。

森林碳汇功能随着全球气候的变化而变得更加重要，但是这种功能的发挥受到土壤养分的限制。“热带和亚热带森林的生产力一般受土壤磷元素可用性的限制，但如何限制生态系统磷循环的森林生产力，从而限制其在大气二氧化碳浓度上升环境下的碳汇潜力，仍然存在一些研究不足，这种不确定性是地球系统预测未来陆地-大气碳循环反馈的关键瓶颈之一。”蒋明凯说。

为了更清楚地了解森林的碳汇功能和磷的作用，科学家们探索了近六年。它们是基于国际科学设备。 ——位于澳大利亚的成熟森林室外二氧化碳倍增实验平台，对西悉尼坎贝兰平原上一片超过100年历史的成熟桉树森林进行实验，探索生态系统磷循环如何响应大气二氧化碳浓度的上升。

正常(a)和二氧化碳(b)生态系统磷预算上升环境下的生态系统

科学家们做了一项细致的“审计”工作。它们充分测量了森林生态系统中所有主要磷库的大小，如冠层植被、林下植被、凋谢物、土壤和土壤微生物等。，并跟踪磷在这些磷库之间移动的速度，构建全面详细的磷循环核算全生态系统。"就像跟踪银行账户的资金流一样，我们跟踪了森林中磷的循环模式，并对磷的有效性对植物生长响应的限制进行了评估。”蒋明凯介绍。

没有回头路，投资失败！

植物、微生物和土壤共同构成了一个复杂的循环系统，这是一个巨大的陆地森林生态系统。植物通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为自身营养，并从土壤中吸收磷来维持自身生长。微生物能将土壤中的有机物分解成无机物，释放磷，供植物吸收。但是，当土壤中磷不足时，微生物就会与植物竞争。

磷核算显示，土壤中大量的磷被微生物占据，对磷的竞争非常激烈。随着二氧化碳浓度的增加，植物会通过根系向土壤中释放更多的碳，但微生物不会释放更多的磷来支持植物的生长。植物期望的“用碳换磷”投资失败，没有获得额外的生长。

科学家对磷的吸收、分配和利用效率进行了分析，并对二氧化碳浓度上升组与对照组之间的差异进行了比较。结果表明，土壤微生物是限制森林生态系统磷循环和植物磷吸收的重要因素。在漫长的生态系统替代中，森林中的冠层树具有极高的磷利用效率。随着二氧化碳浓度的提高，植物对磷的利用效率也有所提高，但是土壤中磷的有效性并没有明显的改变。

“土壤微生物对土壤磷的矿化和固定限制了大气二氧化碳浓度上升下冠层树木的磷吸收率，进而限制了森林的额外固碳能力。植物需要更积极的获磷策略，比如根系分泌物形成的潜在激励作用，以提高植物对土壤磷的利用率，从而更好地实现‘固碳’目标。”蒋明凯说。

研究为改善陆地系统模式中碳磷交互关系的预测机制提供了理论支持，为减少气候问题的政策提供了重要的数据支持。蒋明凯说:“接下来，我们将研究土壤微生物的群落和功能，探索土壤微生物在大气二氧化碳浓度上升环境下如何限制森林碳磷交互关系和碳汇潜力。”

国家重点研发计划“十四五”(2022YFF0801904)、重点项目(LZ23C030001)浙江省自然基金、支持基金委青年项目(32301383)等资金。

浙江大学团队发现了镍氧化物高温超导的关键试验证据

2024年6月6日，北京时间，Nature 在线发布了浙江大学物理学院/关联物质研究中心袁辉球队在镍氧化物高温超导方面的最新研究成果。利用最新开发的金刚石对顶案准静水压力技术，他们成功地观察到 La₃Ni₂O₇ 超导体零电阻，确定其高温超导电性能。另外，这项工作还揭示了超导与奇异金属之间的关系，并发现当载流子浓度进入超导相区时，载流子浓度大幅上升。这一实验结论为镍氧化物高温超导提供了重要的实验证据，为研究奠定了基础。

新材料暴露出高温超导的迹象

超导是指电阻在某些材料上随着温度的下降而突然消失，电流可以无损耗地传输。同时，超导也表现出完全的抗磁性，即超导体中的磁感应强度为零，也称为迈斯纳效应。因此，零电阻和完全抗磁是判断超导是否存在的两个关键实验证据。

目前，大多数超导体的临界压力低于液氮沸点(77K，即零下196摄氏度)。例如，最早发现的汞、铅等元素超导体需要使用昂贵稀缺的液氦作为低温制冷剂来维持超导电性，从而限制其大规模应用。

科学家们致力于寻找一种新型高温超导材料，它具有更高的超导转换温度，特别是高于液氮温区。但在目前已知的超导材料中，只有铜氧化物高温超导体能够在常压下实现液氮温区超导。

中山大学王猛团队等2023年5月首次报道了两层镍氧化物La₃Ni₂O₇压致超导的迹象接近80K，但零电阻的缺乏促使学术界对其超导电性仍有疑问。

高压力技术的发展有助于发现超导零电阻。

根据袁辉球教授的分析，La₃Ni₂O₇中零电阻的缺乏可能是由样品和压力不均匀引起的。因此，实现零电阻的关键可能是小样品和准静水压的实验条件。据团队骨干焦琳研究人员介绍，经过几年的努力，团队开发了金刚石准静水压技术，压力可达50GPa，正好适合高温超导镍氧化物的研究。

2023年6月，王猛教授提供的La₃Ni₂O₇单晶后，他们将样品打磨至长宽约100微米，厚度约10微米，并使用两块直径只有几百微米的金刚石对样品施加压力。为获得较好的静水压力环境，他们选用压力均匀性较好的液体作为传压介质。他们在1000左右，以减少导线电路的电阻。μ用银胶将4-5根导线焊接在m长的样品上，用于电输测量。事实证明，这些技术优势在目前的镍氧化物高温超导研究中非常重要，随后也被其他同行效仿。

图1：高压力测量装置(左图)和高温超导零电阻现象。

得益于上述试验技术的发展，研究小组迅速观察到零电阻现象，为确定镍氧化物高温超导提供了重要的试验证据。当压力达到20.5GPa时，他们发现La₃Ni₂O₇超导开始出现在66K，40K电阻完全消失，显示出近乎完美的超导变化。在超导转换温度以上，其正常电阻表现出良好的线性温度依赖性，并延伸至测量最高温度270K，表现出与简单金属截然不同的奇异金属行为，表明镍氧化物高温超导体不可能是一种简单的常规超导体。

图2：电阻曲线(左图)和压力-温度相图(右图)在不同压力下

高压电子特性奇特

在这项工作中，研究小组还修改了之前报道的压力-温度图，并指出La。₃Ni₂O₇金属行为表现在低压区间，而不是之前报道的绝缘物行为。当压力增大时，化合物中的自旋/电荷密度波迅速被抑制，同时在13.7GPa周围观察到压力诱导结构变化和超导变化的证据。研究还发现，超导转换温度以上的线性电阻行为和超导转换温度随着压力的增加而逐渐受到抑制，表现出类似铜基和铁基高温超导的特性，揭示了超导和正常奇异金属行为的密切关系。通过测量霍尔电阻，他们还发现La₃Ni₂O₇当结构发生变化时，显著增加，说明高压结构改变了电子结构，导致高温超导。

袁辉球表示，他们的实验结论不仅证实了镍氧化物高温超导的出现，也增强了人们对镍基高温超导的研究信心，同时也为发展相应的理论模型提供了重要的测试数据。

中国科学院卡弗里理论科学研究所优势张富春教授认为，袁辉球教授团队的实验结论明确确定了镍氧化物的高温超导，是镍基超导发展的重要环节。中国科学院理论物理研究所的李伟研究员曾经说过，他确信镍基高温超导的出现，并在看到袁辉球教授团队的零电阻测试数据后开始了相关的理论研究。“首次观察到零电阻是极其重要的，它为两层镍氧化物超导的出现提供了强有力的支持，”论文审稿人指出。”

该项目得到了国家重点R&D项目、国家自然科学基金委员会和浙江省重点R&D项目的支持。这次探索的主要测试和测量都在浙江大学完成，中山大学王猛研究小组提供了La₃Ni₂O₇单晶样品。浙江大学物理学院博士生张亚楠和苏大钧是共同作品，浙江大学袁辉球教授和焦琳研究员，中山大学王猛教授是共同交流的作者。

浙江大学团队发现了一个全新的长寿基因

从《山海经》中的“蓬莱岛”到希腊神话中的“金苹果”，人类对健康长寿的向往自古就有，从未停止。如何抗衰老，延缓衰老，也是科学界、医学界长期关注的问题。根据科学家的最新工作，虫核基因组中有与线粒体一起进化的基因。它们还成功识别并准确识别动物中的新长寿基因。这种基因不仅可以显著延长昆虫和线虫的寿命，而且对人类细胞有显著的抗衰老能力。

北京时间6月4日，浙江大学农业与生物科技学校沈星星研究小组、黄健华研究小组在《自然-衰老》中与中国科学院王四宝研究小组合作。(Nature Aging)这项研究成果在上面公布。标题为“论文标题”Identification of a longevity gene through evolutionary rate covariation of insect mito-nuclear genomes”。他说：“通过全球寿命基因数据库的检查，我们发现这种长寿基因是世界上第八个新基因，它显著提高了动物的寿命。”沈星星说。

另辟蹊径，准确识别操纵线粒体的“远程”核基因

线粒体作为真核生物体中非常重要的细胞器，主要负责细胞能量的供应。随着年龄的增长，动物(包括人类)的线粒体功能通常会逐渐衰退。鉴于线粒体与衰老、神经退行性疾病、代谢性疾病、心血管疾病和肿瘤密切相关，如何保持线粒体功能的稳定尤为重要。近年来，通过优化线粒体功能来延长寿命的研究备受关注。

"一台电脑的待机时间不仅与电池的电量有关，还与CPU处理策略有关。那么衰老不仅与线粒体本身有关，还会受到其它能对线粒体产生影响的物质的影响？沈星星说:“与过去大多数集中在线粒体本身的研究不同，我们将重点放在与线粒体长期共同进化的细胞核上，系统地挖掘出‘远程’控制线粒体进化的核基因，结合进化生物学、计算生物学、功能基因组学等多个交叉学科。”

通过对公共数据库中的数据进行分析，研究小组收集了472种昆虫的核基因组和线粒体基因组。采用共进化算法，构建了线粒体基因组-核基因组之间的共进化全局图谱(图1)。通过对这张图的详细分析，我们发现了75个核基因。虽然它们不定位于线粒体，但它们与线粒体基因表现出显著的共同进化方法。这75个共进核基因表现出不同的功能，包括端粒维持、核糖生物发生、线粒体功能和DNA修复，这些功能都与生命衰老和疾病有关。“我们可以把这种共同进化的方式理解为，两辆车以同样的速度并行行驶在道路上，它们之间的速度变化紧密同步。一方的加速或减速会立即反映在另一方。”沈星星说。

团队选择了4个基因(CG13220)来验证这75个核基因的功能， CG11837, 在果蝇体内，Nop60B和CG11788进行了基因活性下降试验。数据显示，与对照组相比，这四个基因的活性下降导致了线粒体形态的异常变化。

图1 构建线粒体基因组-核基因组之间的共进化全局图谱

发散思维，发现全新的长寿基因

团队发现，CG11837基因不仅影响线粒体的形状，而且与动物的寿命长度有显著的正相关性。它们提出了一个关键问题:改变CG11837基因的活力会影响动物的寿命吗？

因此，研究人员首先在六种不同的动物中进行了基因敲降试验，如棕飞虱、果蝇、斯氏蚊子和美丽的隐杆线虫。令人惊讶的是，实验数据显示，CG11837基因的活力减少显著缩短了这六种动物的寿命，缩短幅度在25%到59%之间(图2a)。

图2 CG1183长寿基因在多个物种中的功能验证

敲打基因会缩短寿命，那么发散思维，激活基因能延长寿命吗？

为了深入探索CG11837基因是否具有延长寿命的潜力，研究人员还在果蝇和线虫中进行了基因表达试验。数据显示，与对照组相比，这两种动物的寿命明显增加，增加了12%到35%。

这个发现促进了研究人员的思考，这个基因还能延长人类的寿命吗？于是，他们对人体细胞进行了试验，发现CG11837基因的激活可以提高30%的抗衰老能力(图2c)。沈星星说：“这一系列研究证实了CG11837基因在动物中具有广泛的长寿效应。(图3)

图3 论文总结图

对于这项研究，《自然-衰老》的三位匿名评审专家指出，“过去，人们一直关注线粒体或线粒体的核基因与衰老的关系，从而忽略了不在线粒体定位核基因与线粒体的关系。从线粒体基因组-核基因组之间的共同进化来看，这种研究方法独特而新颖，打破了传统思维的局限，挖掘出了对衰老研究领域具有重要科学价值和实践价值的保守新长寿基因。

这项研究在实践应用中除了重要的理论价值外，还有什么前景？沈星星说:“在农业领域，这种基因可以成为控制害虫的新目标，从而减少对生物农药的依赖，实现环境友好的绿色防控；在公共卫生领域，通过影响这种基因表达，可以缩短蚊子等传播疾病媒介的使用寿命，从而降低疟疾、登革热等传染病的传播风险，为蚊媒疾病防控和公共卫生安全提供新的解决方案；在人类健康领域，激活CG11837基因将成为增加人类寿命的新策略，未来可能会出现基于CG11837基因的药物和治疗方案，为提高人类健康寿命和生活质量提供新的可能。”

浙江大学农业与生物科学学校博士生陶妹、博士后陈佳妮、医学院研究生徐延东、中国科学院分子植物科学卓越创新中心崔春来博士(现为华东师范大学研究员)为共同第一作者，共同通讯作者为浙江大学农业与生物科学学校沈星星研究员、黄健华教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心王四宝研究员。此外，赵阳研究员、陈学新教授和徐素宏教授给予了大力支持和指导，潘荣辉研究员、祝增荣教授和陈云教授也参与了这项研究。

“十四五”国家重点研发计划青年科学家(2022YFD1401600)、优秀的浙江省自然基金青年项目(LR23C140001)、资金支持，如新基石研究员项目。

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