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）

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

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。”

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。”

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。