Nature系列14篇，许晓栋、李隽、彭慧胜、黄志伟、包刚等成果速递丨顶刊日报20191030
1. Nature：菌群参与调控恐惧记忆消除
多细胞生物与病毒、细菌、真菌和寄生虫的复杂组合共同进化，统称为微生物群。在哺乳动物中，微生物群组成的变化可以影响许多生理过程（包括发育、代谢和免疫细胞功能），并与多种疾病的易感性有关。微生物群的改变也可以调节宿主行为，如与各种神经精神障碍有关的社会活动、应激和焦虑相关反应。然而，微生物群影响神经元活动和宿主行为的机制仍不清楚。
来自美国康奈尔大学的ConorListon团队和DavidArtis 团队合作研究表明，发现小鼠恐惧记忆消除需要菌群的参与。作者发现，与正常小鼠相比，ABX小鼠恐惧条件发射反应正常，但是恐惧消除反应异常。为了进一步确定这一结论，作者用同种方式检测无菌小鼠（GF），发现，与ABX小鼠类似，GF小鼠的恐惧消除也发生异常。这些结果都说明，菌群是恐惧记忆消除的决定因素之一。接下来，作者探究这一过程的在分子上，细胞上和组织学层面的神经学基础。作者提取正常小鼠和ABX小鼠的mPFC细胞并做RNA测序，发现二者转录组区别很大。通过STRING，KEGG和GO等数据库分析差异基因，发现这些基因集中在神经细胞活化，突触功能，中枢神经系统成熟和突触可塑性等方面。在细胞上，作者通过单细胞核测序技术（snRNA-seq），比较分析正常小鼠和ABX小鼠mPFC样品的细胞差异。结果显示，活化性神经元比抑制性神经元变化剧烈。星形胶质细胞，髓鞘少突胶质细胞和小胶质细胞这三类辅助性细胞变化最为明显。总之，这些数据表明，恐惧消退学习需要在出生后早期神经发育和成年小鼠体内的微生物源信号，这对我们理解饮食、感染和生活方式如何影响大脑健康和随后对神经精神疾病的易感性有启示。
Coco Chu1, Mitchell H. Murdock, Deqiang Jing,et al. The microbiota regulate neuronal function and fear extinction learning.Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1644-y
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1644-y
2. Nat. Rev. Mater.综述：用于体内传递基因组编辑机器的工程材料
CRISPR–Cas9等基因组编辑技术有望用于治疗无法治愈的遗传性疾病。离体基因组编辑已取得重大进展。然而，有效、安全和可靶向的体内递送系统的开发遇到了瓶颈，这些体内递送系统是许多疾病的治疗所需要的。为了在治疗和体内基因组编辑中实现高效和安全，在体内的基因编辑过程必须在空间和时间上得以控制，这就需要新颖的材料、传递策略和控制机制。
因此，目前，生物材料研究界正有巨大的机会来开发体内递送系统以克服了编辑效率低、脱靶效应、安全性以及细胞和组织特异性等问题。莱斯大学包刚教授对目前各种基因组编辑机器的体内递送方法进行综述，并对目前该领域面临的挑战和解决方案提出了展望，旨在刺激用于体内递送基因组编辑机器的工程材料能够进一步发展。
Tong,S.; Moyo, B.; Lee, C. M.; Leong, K.; Bao, G., Engineered materials for in vivodelivery of genome-editing machinery. Nature Reviews Materials 2019.
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0145-9
3. Nat. Mater.：纳米尺度的结晶动力学途径
在从原子到微米尺度系统中的成核和生长至关重要，因为它们决定了晶体的结构和功能属性。然而，在纳米尺度上，由于液体介质中单个结构单元的运动非常复杂，探索其结晶的途径具有挑战。近日，伊利诺伊大学Qian Chen，美国西北大学Erik Luijten等实现了直接对单分散金纳米棱镜到单颗粒尺度超晶格的过渡过程的成像。
作者利用低剂量率的液相透射电子显微镜来控制纳米粒子之间的相互作用，而不会影响其运动。将粒子跟踪与Monte Carlo模拟相结合，作者发现超晶格的位置有序性来自取向失调。这种方法使作者能够测量诸如线张力和相位坐标之类的参数，绘制出涉及致密的非晶态中间体的非经典成核途径的图表。作者通过不同纳米颗粒的结晶展示了其方法的多功能性，为更广泛的应用指明了方向。
ZihaoOu, Ziwei Wang, Erik Luijten,* Qian Chen*, et al. Kinetic pathways ofcrystallization at the nanoscale. Nat. Mater., 2019
DOI: 10.1038/s41563-019-0514-1
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0514-1
4. Nat. Mater.: 通过刚性感应阻止转化的癌细胞生长
癌细胞的一个共同特征是激酶和生化信号通路的改变，使得在软基质上的生长得以转化，而细胞骨架蛋白的改变则被认为是次要问题。然而，新加坡国立大学Michael P. Sheetz课题组发现来自不同组织的癌细胞可以分别通过不存在或存在机械感知模块，而在转化的状态和刚性依赖的生长状态之间切换。在来自不同组织的各种癌症细胞系中，与来自相同组织的正常细胞相比，细胞的刚性感知收缩减少了十倍以上。
恢复细胞骨架蛋白的正常水平，包括原肌球蛋白，可以恢复刚度感应和刚度依赖性生长。其他刚性传感器蛋白（包括肌球蛋白IIA）的进一步消耗可以恢复转化生长并阻止传感。此外，恢复对癌细胞的刚性感应可抑制肿瘤形成并改变表达模式。因此，通过改变细胞骨架蛋白质水平来减少刚度感测模块使癌细胞在软表面上生长，这是癌症进展的促成因素。
Yang,B.; Wolfenson, H.; Chung, V. Y.; Nakazawa, N.; Liu, S.; Hu, J.; Huang, R.Y.-J.; Sheetz, M. P., Stopping transformed cancer cell growth by rigiditysensing. Nature Materials 2019.
https://doi.org/10.1038/s41563-019-0507-0
5. Nat. Catal.：引入N2提高Ru基催化剂催化加氢脱氧反应的活性
氮气（N2）因其价格便宜，易于从空气液化中产生，更重要的是N2三键不易活化而被认为是惰性的，被广泛用作许多催化反应的载气或保护气体。在多相催化中，N2很少被认为是促进剂或是提高催化性能的活性组分。近日，牛津大学Dermot O’Hare，Shik Chi Edman Tsang，清华大学李隽等多团队合作，发现N2可作为催化助剂，用于降低Ru基催化剂催化加氢脱氧的活化能。作者研究发现，在160°C和1bar的氢气条件下，额外的引入6bar的N2，可以将二氧化钛负载的钌催化剂（Ru/TiO2）催化p-cresol加氢脱氧制甲苯的活性提高4.3倍。
详细的研究表明，N2可以在金属Ru表面吸附和活化，从而形成氢化的氮物种(N2Hx，x=1, 2)，该物种中的N–H提供质子氢，以降低直接的芳香碳-氧键断裂和羟基氢化的活化能。作者进一步通过使用不同的钌催化剂，包括Ru/TiO2，Ru/Al2O3，Ru/ZrO2和Ru/C，发现引入N2可以被视为一种普适性策略用于提高钌基催化剂催化加氢脱氧反应的活性。
HaohongDuan, Jin-Cheng Liu, Ming Xu, Jun Li*, Shik Chi Edman Tsang,* Dermot O’Hare,* et al. Molecularnitrogen promotes catalytic hydrodeoxygenation. Nat.Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0368-6
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0368-6
6. Nat. Mater.: 压力控制原子薄的CrI3中的层间磁性
堆积顺序会影响二维范德华材料的物理性能。康奈尔大学Kin Fai Mak和Jie Shan团队施加了高达2 GPa的静水压力，以改变范德华磁绝缘子CrI3中的堆叠顺序。通过磁圆二色性和电子隧穿测量，观察到原子薄CrI3中不可逆的层间反铁磁-铁磁跃迁。
该效应伴随着单斜面向菱面体的堆积顺序变化。在结构变化之前，可以通过压力将层间反铁磁耦合能调整近100％。该实验揭示了层间铁磁性基态。该基态建立在块状CrI3中，但未在天然剥落薄膜中观察到。观察到的磁性基态与堆积顺序之间的相关性与第一性原理计算高度吻合，并暗示了通过莫尔工程学走向纳米级磁性织构的途径。
Pressure-controlled interlayer magnetism in atomically thin CrI3，Nature Materials (2019)
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0506-1
7. Nat. Mater.: 通过层堆叠的压力调整来切换2D磁性状态
二维范德华晶体的物理性质可能对层间耦合敏感。对于二维磁体，理论认为层间交换耦合在很大程度上取决于层间距，而堆叠结构甚至可以改变层间磁交换的符号，从而极大地改变了基态。华盛顿大学许晓栋团队报道了二维磁体CrI3中的磁阶压力调整。
研究发现，静水压力可使层间磁耦合增加一倍以上。在双层CrI3中，压力会引起从分层反铁磁相到铁磁相的转变。在三层CrI3中，压力可以产生三相共存的磁畴，一相为铁磁相，二相为反铁磁相。所观察到的磁阶变化可以通过堆叠布置的变化来解释。堆叠顺序和磁性之间的这种耦合为设计人员的磁性相和功能性提供了充足的机会。
Switching 2D magnetic states via pressure tuning of layer stacking，Nature Materials (2019)
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0505-2
8. Nat. Photon.：高阶相干反斯托克斯拉曼散射显微镜
相干拉曼散射（例如，相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）和受激拉曼散射）显微镜已成为生物和生物医学系统中无标记生物分子成像的强大工具，但其空间分辨率受到衍射的限制。近日，新加坡国立大学黄志伟研究团队报道了更高阶的相干抗斯托克斯拉曼散射（HO-CARS）显微镜，打破了无标签，超分辨率振动成像的衍射极限。HO-CARS显微镜的分辨率提高已经在生物样品中进行了分析和证明。与常规CARS显微镜相比，HO-CARS技术提供了固有的高共振与非共振背景比。
在严格聚焦下，源自高阶非线性过程（χ（5），χ（7））的HO-CARS信号在级联的低阶非线性过程（χ（3））上占主导地位，产生更丰富的光谱信息。这项研究表明，在生物和生物医学系统中，HO-CARS显微技术是一种具有很高的图像对比度、非常有吸引力的无标签超分辨率成像工具。
Huang, Z. et al. Higher-order coherent anti-Stokes Ramanscattering microscopy realizes label-free super-resolution vibrational imaging.Nat. Photon. 2019.
DOI: 10.1038/s41566-019-0535-y
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0535-y
9. Nat. Photon.: 合成的手性光控制手性分子
光波的磁性成分对于定义波的螺旋度至关重要，但它对物质的光学响应的影响很小。手性分子提供了一个典型的例子，其中电磁相互作用的弱点阻碍了控制其手性光学响应强度的能力，将其限制在低于全部电势几个数量级的水平。德国马克斯·玻恩研究所David Ayuso, Misha Ivanov 和 Olga Smirnova等人介绍并从理论上分析了一种新型的手性光：自由传播的局部和全局手性电场，它们与手性物质的相互作用极为有效。
研究表明，这种合成手性光能够完全控制随机取向的手性分子的非线性对映敏感光学响应的强度，极化和传播方向。可以在所需对映异构体中随意淬灭或增强这种反应，从而开辟了有效的方法来控制手性物质，以及对气体，液体和固体中的手性动力学进行超快速成像。
Syntheticchiral light for efficient control of chiral light–matter interaction， Nature Photonics (2019)
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0531-2
10. Nat. Photon.:使用多功能超表面系统的单镜头定量相位梯度显微镜
透明样品的定量相成像（QPI）在生物医学应用中起着至关重要的作用，而将这些系统小型化将使其能够应用于医学是未来发展的趋势。近日，加州理工学院AndreiFaraon基于经典的微分干涉对比（DIC）显微镜，提出了一种基于两个介电超表面层的紧凑型定量相梯度显微镜（QGPM）。
由于介电超表面的多功能性和紧凑性，QPGM可一次捕获三张DIC图像，以生成定量的相位梯度图像。超表面光学系统的体积约为1 mm3。研究人员的成像实验证明了QPGM捕获定量相位梯度数据的能力，其相位梯度灵敏度优于92.3 mrad μm-1并具有单细胞分辨率。研究结果还证明了超表面在开发用于无标签细胞成像和即时护理设备的小型QPI系统方面的潜力。
Kwon,K. Faraon, A. et al. Single-shot quantitative phase gradientmicroscopy using a system of multifunctional metasurfaces. Nat. Photon. 2019.
DOI: 10.1038/s41566-019-0536-x
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0536-x
11. Nat. Photon.综述: 混合上转换纳米系统的未来和挑战
为了提高光子上转换的效率，结合有机染料和无机纳米粒子的混合方法被证明是成功的，尤其是以染料敏化掺杂镧系元素的上转换纳米粒子，纳米粒子敏化分子三重-三重态湮灭系统和金属-有机-杂化态框架的纳米粒子。
近日，哥伦比亚大学P. JamesSchuck联合韩国化学技术研究所Yung Doug Suh、新南威尔士大学TimothyW. Schmidt、悉尼科技大学DayongJin综述了该领域的最新进展，并研究了影响上转换性能的关键因素，例如光谱重叠，核-壳设计以及材料之间界面处的三重态激子和猝灭剂。尽管仍然必须克服诸如稳定性，三重态猝灭，浓度猝灭和重吸收之类的问题，但是混合纳米系统的智能设计为诸如太阳能光伏器件，深层生物医学成像，光遗传学和纳米医学等应用提供了令人兴奋的机会。
Schuck, P. J. Suh， Y. D. Schmidt, T.D. Jin, D. et al. Future and challengesfor hybrid upconversion nanosystems. Nat. Photon. 2019.
DOI:10.1038/s41566-019-0528-x
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0528-x
12. Nat. Biomed.Eng.: 碳纳米管功能化螺旋纤维束用于体内多种疾病标记物的长期监测
植入的电子设备和生物组织之间的机械不匹配会导致读数不正确和长期组织损伤。因此，复旦大学彭慧胜教授团队利用功能化的多壁碳纳米管扭曲成螺旋状的纤维束，以模仿肌肉的分层结构在体内监测多种疾病生物标记。柔性纤维束是可注射的，其具有低的弯曲刚度并且在压缩下表现出超低的应力。
作为这些纤维束传感能力的概念证明，实验结果表明，当将纤维束植入小鼠的肿瘤中时，它们能够对H2O2进行空间分辨和实时监控，并且可以与粘性皮肤贴片上的无线传输集成系统结合，监测猫静脉血中的钙离子和葡萄糖达28天。因此，作为化学功能化电化学传感器的螺旋纤维束，其多功能性将适用于多种传感。
Wang,L.; Xie, S.; Wang, Z.; Liu, F.; Yang, Y.; Tang, C.; Wu, X.; Liu, P.; Li, Y.;Saiyin, H.; Zheng, S.; Sun, X.; Xu, F.; Yu, H.; Peng, H., Functionalizedhelical fibre bundles of carbon nanotubes as electrochemical sensors forlong-term in vivo monitoring of multiple disease biomarkers. Nature BiomedicalEngineering 2019.
https://doi.org/10.1038/s41551-019-0462-8
13. Nat. Commun.: 钛掺杂修饰BN纳米笼意外得到外面体配合物！
尽管包含金属的BN纳米笼早就得到了广泛的关注，但是其明确的分子结构仍然困扰着研究者们。人们普遍认为，这一大类化合物的结构就像他们的等电子同系物碳-金属富勒烯一样将金属原子限制在纳米笼内部。在本文中，扬州大学的Yang Wang 等通过碰撞诱导解离实验证明了Ti(BN)n(n=19-24)是外表面结构而不是普遍认为的内表面结构。他们发现该化合物的最小结构具有一些共同的键合特征，这说明该类化合物具有很高的稳定性而且可以在已形成BN纳米团簇的前提下进行合成。
Ti原子的掺杂不仅显著改变了纳米笼的结构，而且也影响了B原子和N原子的排布方式。这使得Ti(BN)n化合物具有一定的CO2捕获能力和固氮能力。这些发现可能扩展或改变对与其他过渡金属功能化的BN纳米结构的理解。
RuyiLi, Yang Wang et al, Modification of boron nitride nanocages by titanium dopingresults unexpectedly in exohedral complexes, Nature Communications. 2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12877-0?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+ncomms%2Frss%2Fcurrent+%28Nature+Communications+-+current%29
14. Nat. Communu.：工程化两亲性肽将蛋白质和CRISPR相关核酸酶递送至气道上皮
由于其特异性的和分化的细胞施加了无法逾越的屏障，因此将生物载体递送至气道上皮细胞具有很大的挑战性。在载体中，重组蛋白提供了治疗前景，但缺乏有效的递送方法限制了它们的发展。于此，美国爱荷华大学Paul B. McCray Jr.教授使用工程化两亲性肽实现了将蛋白质和SpCas9或AsCas12a核糖核蛋白（RNP）递送至培养的人高分化气道上皮细胞和小鼠肺中。
这些与GFP蛋白或CRISPR相关核酸酶（Cas）RNP非共价结合的穿梭肽，可快速进入培养的人纤毛和非纤毛上皮细胞和小鼠气道上皮细胞。实验表明，与SpCas9或AsCas12aRNP结合的穿梭肽的滴注可实现ROSAmT/mG小鼠气道上皮中loxP位点的编辑。而且穿梭肽广泛分布于呼吸道范围内，但并没有发现具有短期毒性。这项基于肽的技术为蛋白质和CasRNP输送至难治性气道上皮细胞提供了潜在的治疗途径。
Krishnamurthy,S.; Wohlford-Lenane, C.; Kandimalla, S.; Sartre, G.; Meyerholz, D. K.; Théberge, V.; Hallée, S.; Duperré, A.-M.; Del’Guidice, T.; Lepetit-Stoffaes,J.-P.; Barbeau, X.; Guay, D.; McCray, P. B., Engineered amphiphilic peptidesenable delivery of proteins and CRISPR-associated nucleases to airwayepithelia. Nature Communications 2019, 10 (1), 4906.
https://doi.org/10.1038/s41467-019-12922-y