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  • 快讯 中科院微生物所揭示护卫CRISPR-Cas的全新毒素-抗毒素RNA系统

    来源专题:转基因生物新品种培育
    编译者:王晶静
    发布时间:2021-05-07
    2020年,基于CRISPR-Cas9系统建立的基因组编辑技术获得“2020年度诺贝尔化学奖”。该生物技术起源于科学家对微生物中一种特殊的免疫系统(即CRISPR-Cas系统)的研究。CRISPR-Cas系统是在原核微生物(古菌和细菌)中广泛存在的抗病毒(噬菌体)免疫系统。宿主菌通过将入侵病毒的特定DNA序列插入其CRISPR结构中,可形成对该病毒的永久性“记忆”。这些记忆性序列(称为spacer)可转录加工生成crRNA,指导CRISPR-Cas系统效应物(如Cas9或Cascade复合物)特异性识别和切割再次入侵的病毒,实现对该类病毒的适应性免疫。CRISPR-Cas系统丰富多样的功能组分和核酸靶向机制,为人类提供了迄今最高效的基因组编辑技术(如CRISPR-Cas9系统)和基因检测技术(如CRISPR-Cas13a系统),是近十余年来生命科学研究的前沿。 CRISPR-Cas系统在微生物基因组中稳定性维持是其抗病毒功能实现的关键基础。一方面,CRISPR-Cas系统具有自我免疫的风险,并可能阻碍有益外源基因的获取,因此可对宿主细胞造成适合度代价(fitness cost)而可能在进化过程中频繁丢失。另一方面,微生物宿主与其病毒的“军备竞赛”中,CRISPR-Cas系统也会成为病毒反攻(Anti-CRISPR)的目标而丧失功能。面对多重的进化压力和适应性挑战,CRISPR-Cas系统为何能在微生物中广泛存在(存在于约90%的古菌和40%细菌中)并发挥其功能?在微生物宿主基因组中是否存在一类保护CRISPR-Cas功能但至今尚未被揭示的“暗物质”?这些问题有待进一步探究。 2021年4月30日,Science以长文形式在线发表了中国科学院微生物研究所研究员向华/李明团队的最新研究成果,论文题目为Toxin-antitoxin RNA pairs safeguard CRISPR-Cas systems。科研人员首次在自然界分布广泛的I型CRISPR-Cas基因簇内部发现了一类特殊的RNA“暗物质”:一类对其偶联的CRISPR-Cas系统具护卫功能的一对RNA的毒素-抗毒素(CreTA)系统。由于CRISPR-Cas系统可利用RNA抗毒素CreA控制RNA毒素CreT的表达,使宿主菌无法丢失其CRISPR-Cas系统(对其“上瘾”)。一旦CRISPR-Cas组分被破坏,就会诱导CreT毒素的表达,从而抑制甚或杀死该宿主菌(图1),从而保护CRISPR-Cas系统在细胞群体中的稳定存在。“成瘾”机制的发现为理解CRISPR-Cas系统的稳定性维持和广泛性分布提供了全新视角,研究还揭示了一大类新的功能多样的小RNA(曾被称为基因组中的“暗物质”),开辟了新的研究领域。 2014年,向华/李明团队即利用西班牙盐盒菌(Haloarcula hispanica)及其病毒在国际上建立了第一个I型CRISPR系统的高效适应模型,揭示出CRISPR系统对病毒高效适应需要引发的规律,并深入解析了“引发适应”过程精细的分子机制,包括Cascade与crRNA的可塑性。研究发现,4个成簇的编码CRISPR效应复合物Cascade的基因(cas6-cas8-cas7-cas5)无法单独敲除,但可作为整体一起敲除,从而推测这个基因簇内部可能隐藏了一个未知的“细胞成瘾”元件。经过7年探索,科研人员最终在cas6与cas8之间一段仅311 bp的基因间区内发现一类新的小RNA毒素-抗毒素系统,分别命名为CreT(RNA毒素)和CreA(RNA抗毒素)。CreTA通过与CRISPR效应复合物4个编码基因的结构与功能的偶联,守护了CRISPR-Cas系统的稳定性(图1)。该研究的主要创新性发现包括:首次发现受Cascade蛋白控制的小RNA毒素;解析了小分子RNA毒素CreT独特的抑菌机制;发现CreA抗毒素——类似crRNA的小分子RNA;揭示CreA RNA联合Cascade发挥抗毒素活性的分子机制;揭示CreTA对CRISPR-Cas系统的护卫功能;揭示CreTA同源或类似系统在不同微生物和不同CRISPR亚型中的普遍存在。 微生物所研究员向华和李明为该论文共同通讯作者,李明、向华研究组博士后龚路遥和博士生程飞跃为论文并列第一作者。美国国立卫生研究院(NIH)生物技术信息中心(NCBI)教授Eugene Koonin及其团队给予了帮助。研究工作得到中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家转基因重大科技专项、中国科协青年人才托举工程和中科院青年创新促进会等的支持。原文链接:https://science.sciencemag.org/content/372/6541/eabe5601 (原标题:微生物所揭示护卫CRISPR-Cas的全新毒素-抗毒素RNA系统)
  • 快讯 重磅!天大一篇Science刊发!

    来源专题:转基因生物新品种培育
    编译者:王晶静
    发布时间:2021-05-07
    近日,天津大学张雁教授联合上海科技大学赵素文教授、美国伊利诺伊大学Huimin Zhao教授等研究团队,在生命科学领域取得突破性研究成果:解析了一种特殊DNA的合成机制,并发现了这种特殊DNA遍布全球,大量能感染细菌的病毒(这种病毒也称为噬菌体)都含有这种DNA。这项重大发现对生命起源、物种进化、系统生物学的研究具有重要理论意义。该成果潜在应用价值广阔,包括超级耐药菌感染的治疗、绿色无抗生素畜牧饲料和食品保存技术开发、新型纳米材料制备、DNA信息存贮等。论文于2021年4月30日在国际顶级学术期刊《科学》刊发。天津大学为本项研究成果的第一完成单位。 DNA是生命体的遗传物质,决定生物的多样性和特征。生命的遗传信息存储在由A、G、C、T四种碱基组成的DNA序列中。DNA四种碱基互补作用的双螺旋结构1953年由科学家揭示,构成生命中心法则的基础。目前唯一的例外是1977年前苏联科学家在感染蓝细菌的一株噬菌体中发现由Z、G、C、T组成的DNA。这类特殊DNA用二氨基嘌呤(Z)完全取代正常的腺嘌呤(A),与胸腺嘧啶(T)配对,形成更稳定的三个氢键,极大地改变了DNA的物理化学特征,然而这类特殊DNA的合成机制及普遍性一直未解。 此次中国科学家找到了催化这一特殊DNA合成的多个酶,不仅涉及Z的合成,还包括A的消除。尽管DNA测序非常普及,但由于普通DNA测序手段并不能发现Z的存在,该团队 利用酶水解DNA再进行组分分析的传统方法,证实了地球上广泛存在含这类特殊DNA的噬菌体,并用最新一代的纳米孔DNA测序技术,对结果进行了进一步验证。 张雁说:“我们发现了这种特殊DNA的合成机制,从而能够实现低成本量产,拓展了DNA在新材料、信息存储等多方面的可应用性。人们通过设计DNA序列,使其在纳米甚至更小的尺度折叠成各种形状,从而作为新材料具有很好的应用前景,这种特殊DNA增加了结构的热稳定性,可以更快、更高效地折叠出特定3D结构的纳米材料。而用DNA取代计算机二进制的图片、录像等数据存储,所需空间大幅缩小,据科学推算,数公斤的DNA就可以存储目前人类所有的数据,新型DNA的Z碱基可以使DNA信息存储获得加密、分类等功能。抗生素滥用引起的超级耐药菌是人类医学面临的重大问题,替代抗生素的噬菌体疗法受到广泛关注,并且在临床上已有使用;抗生素在动物饲料以及食品防腐中的滥用也亟需替代。噬菌体是细菌的天敌,我们发现这种特殊DNA不被细菌的防御机制识别,装备了这类DNA的噬菌体对细菌更具杀伤力,作为广谱性杀菌生物制剂在医药、畜牧养殖、食品防腐等领域的应用具有广阔前景。” 天津大学药学院的博士生周彦为论文的第一作者,上海科技大学ihuman研究所的博士生许雪霞以及新加坡科技研究局(A*STAR)的Yifeng Wei博士为共同第一作者。原文链接:https://science.sciencemag.org/content/372/6541/512
  • 快讯 AXT首次生产8英寸GaAs晶圆

    来源专题:集成电路
    编译者:Lightfeng
    发布时间:2021-05-06
    美国晶体技术有限公司(简称AXT),位于美国加利福尼亚州弗里蒙特市,公司主要从事包括砷化镓、磷化铟等在内的Ⅲ-Ⅴ族化合物及单晶锗半导体衬底材料的制造。该公司已开发出第一批直径为8英寸的GaAs衬底,并将其交付给主要客户。8英寸GaAs晶圆使用的是掺硅的n型衬底,具有低刻蚀坑密度(EPD)和低水平滑移线。 首席执行官莫里斯·扬(Morris Young)说:“对于AXT而言,这是一项重大成就,也是一个重要的里程碑。直径尺寸的每增加一点,都会带来极大的技术难度。但是,AXT一直是该领域的领跑者,以不屈的精神来推动创新,释放新应用程序的潜力。此外,我们第一批晶圆的材料质量证明了我们对卓越的追求,以及VGF(垂直梯度冻结)晶体生长工艺的差异化。我们很高兴能够在可扩展性、低压力和低缺陷率方面为客户提供良好的解决方法” AXT表示,由于市场的发展引起了多个客户的关注,比如用于3D传感器和光检测和测距(LiDAR)的垂直腔表面发射激光器(VCSEL),以及用于显示的微型LED。AXT预测,当采用这些应用时,对8英寸GaAs晶片的需求范围将扩大。 Young说:“尽管我们仍在进行该项目的开发,但我们已经在定兴和喀左设立了世界一流的新制造工厂,这可以实现8英寸砷化镓晶片的商业化。AXT的两个新设施工厂经过专门设计和建造,利用先进的设备和自动化技术来大批量生产化合物半导体衬底晶片。此外,在设计新设备时已考虑到将来需要扩大制造量,AXT认为,我们有捷径可以来开发8英寸GaAs基板的大批量生产线。”
  • 快讯 Fraunhofer ISE的III-V // Si单片太阳能电池刷新串联光伏效率记录,已提高到35.9%

    来源专题:集成电路
    编译者:Lightfeng
    发布时间:2021-05-06
    德国弗赖堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所ISE再次创下新记录,其基于硅的III-V族单片三结太阳能电池的转换效率达到了35.9%。 新的单片三结太阳能电池,特别是III-V // Si串联太阳能电池,在地面AM1.5g光谱下测得转换效率为35.9%,创造了新的世界纪录,这证明了硅基串联光伏的潜力。 新的太阳能电池由III-V半导体层构成的,该层在原子级别上连接到了硅子电池,从外观上看,该电池类似于传统的双端太阳能电池,但其效率与NREL、CSEM和EPFL在2017年联合发布的具有机械堆叠结构的最佳四端太阳能电池相同。并且顶部子电池发出红色光,这表明材料质量出色,电池的纳米结构背面闪烁着彩虹色。 弗劳恩霍夫ISE III-V光伏与集中器技术系的博士生Patrick Schygulla指出:“在中间电池中使用新型化合物半导体(GaInAsP)是我们成功实现更高效率值的关键一步。新材料使我们能够进一步改善电荷载流子的寿命,从而获得更高的电池电压很高兴看到我们的材料开发成功地促进了III-V // Si三结太阳能电池的改进。” 新型高效III-V // Si串联电池可能会被用于电力驱动的飞机和无人机,其中单位面积的发电量起着重要作用。如今,新电池的生产成本仍高于传统的单结晶体硅太阳能电池,这是由于III-V层的复杂外延步骤以及制造电池还需要许多其他复杂的半导体工艺。 Fraunhofer ISE的研究人员正在努力工作,以降低生产成本,从而促进光伏市场的发展。 Fraunhofer ISE教授安德烈亚斯·贝特(Andreas Bett)说:“在硅上结合III-V半导体材料是我们追求串联结构的方法之一,目的是实现更高太阳能电池效率。使用文章里介绍的太阳能电池类型制造光伏组件,还需要几年的时间才能上市。但是,在光伏快速发展的背景下,这是一条非常重要并具有前瞻性的道路,这对于可持续能源发展是必不可少的。”
  • 快讯 II-VI在上海成立技术研发中心

    来源专题:集成电路
    编译者:Lightfeng
    发布时间:2021-05-06
    美国宾夕法尼亚州萨克森堡的工程材料和光电组件制造商贰陆公司(II-VI)公司,最近在中国上海举行了技术和研发中心的落成典礼。 上海技术中心拥有近600名员工,是II-VI最大的技术和研发中心。该中心将利用其的人才资源(包括大量的高级科学家和工程师)从事技术和产品开发,光学组件和系统设计。创新旨在进一步释放云和5G网络的潜力,提出生命科学集成解决方案(包括生物技术、医学和科学应用领域),以及开发用于材料加工和增材制造的高功率激光器。 首席执行官Vincent D. Mattera Jr博士说:“上海技术研发中心将成为II-VI全球创新计划里的一颗明珠,II-VI将继续影响的大市场趋势。” II-VI宣布将其碳化硅(SiC)生产基地扩展到中国以服务于全球最大的电动汽车(EV)市场,在此基础上进行技术研发中心的落成典礼。II-VI在中国的福州、广州、上海,深圳、苏州和无锡等城市拥有庞大的制造业务和产品开发业务,该公司22000名员工中有一半以上位于这些城市。 II-VI已成为美中关系全国委员会(NCUSCR)和美中贸易理事会(USCBC)的成员。 NCUSCR是一个非政府、无党派的美国非营利性组织,它主要通过进行公共教育,旨在推动美国与大中华区之间的理解与合作,坚信稳健、有益的中美关系符合美国和世界的利益。USCBC的使命是扩大中美商业关系,使其成员国受益。II-VI最近还成为了世界经济论坛的成员,该论坛将把重点放在先进制造业和生产平台上(包括技术采用和劳动力开发),同时推动弹性供应链的形成。