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新民晚報訊連日來， 上海科技大學不少課題組在各自領域分別取得突破。 課題組分別完成了哺乳動物細胞中潛在納米藥物的三維定量觀測、通過全基因組CRISPR篩選尋找腫瘤免疫治療新靶點、發表生物大分子納米微纖材料綜述及原位觀測膠體粒子在氣液介面處自組裝形成二維超晶格結構的過程。
圖說：細胞三維納米成像與細胞內納米材料的三維分佈 上海科技大學供圖
實現哺乳動物細胞中潛在納米藥物的三維定量觀測
在細胞水準研究功能性納米物質與細胞內生物結構的相互作用， 對於在納米醫藥、納米毒理學等新興領域的深入探究至關重要。 上海科技大學物質學院江懷東教授課題組、劉志教授課題組與國家納米科學中心陳春英課題組合作，
該項研究利用X射線譜學、掃描透射成像等多模式成像技術， 並結合納米CT新演算法， 實現了哺乳動物巨噬細胞的高分辨成像， 並定量觀測了潛在納米抗癌藥物在細胞內的三維分佈。 為理解納米藥物的高效低毒抗腫瘤效果提供了重要資訊， 同時為在亞細胞器尺寸上研究納米材料的生物學效應提供了新方法。
目前， 細胞及亞細胞結構的直接成像主要通過傳統光學顯微鏡與電子顯微鏡。 然而光學顯微鏡受限於自身解析度或螢光標記等因素， 無法針對細胞內非螢光物質進行三維高分辨成像；電子顯微鏡受制於樣品製備方式和電子穿透深度，
該項工作主要是在國內第三代同步輻射上海光源的軟X射線譜學顯微光束線站開展的。 利用掃描透射X射線成像技術得到單個巨噬細胞的二維投影， 隨後通過新型納米CT演算法實現單個完整哺乳動物細胞的無損三維納米成像。 同時根據不同元素對X射線吸收的差異， 利用同步輻射光源的能量可調特性， 實現化學分辨成像， 能夠直接觀測和精確定位細胞內含有Gd元素的納米抗癌物質的三維分佈， 並進行定量分析，
該工作基於大科學裝置發展了一種具備化學分辨能力的X射線三維高分辨成像技術， 為納米尺度的物質結構及功能性作用機理研究提供直觀可靠的定量化觀測手段， 未來將會在材料學、納米科學、環境科學和生物學等領域得到更廣泛的應用。
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尋找腫瘤免疫治療新靶點
作為人體免疫系統的重要組成部分， T細胞在對腫瘤細胞的免疫監控和殺傷中起著至關重要的作用。 但是， 腫瘤細胞能夠利用多種方法來抑制T細胞的抗腫瘤活性， 從而逃避機體免疫系統的攻擊。 因此， 提高T細胞的活性對治療腫瘤極其關鍵。 上海科技大學生命學院王皞鵬教授課題組與加州大學三藩市分校及中山大學合作利用CRISPR全基因組遺傳篩選， 系統性地研究了T細胞啟動的分子機制， 繪製了人類T細胞功能的調控圖譜。
目前， 基於T細胞的腫瘤免疫療法已經在臨床上取得令人矚目的成功， 具有廣泛的應用前景。 但現有的治療方法只對一部分腫瘤病人有效， 還有相當程度的副作用。因此，進一步研究T細胞啟動的調控機理，將有助於開發新的腫瘤免疫治療方法以改善療效，讓更多病人受益。
近年來，基於CRISPR的篩選技術發展迅速，已成為科研人員對各種重要生物問題進行研究的“利器”。然而在此研究前，尚未有關於T細胞的全基因組CRISPR篩選的報導。此項研究中，王皞鵬課題組利用全基因組CRISPR遺傳篩選，系統性地研究了T細胞啟動的分子機制，在國際上首次繪製了人類T細胞功能的調控圖譜。
值得一提的是，該項研究中所建立的全基因組篩選實驗手段也可以用於解析部分重要的腫瘤免疫調控通路，幫助開發腫瘤免疫治療的新策略。
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發表生物大分子納米微纖材料綜述
近日，上海科技大學物質學院淩盛傑教授與合作者在知名學術期刊《自然評論•材料》上線上發表關於生物大分子納米微纖材料的綜述。
在這篇綜述中，淩盛傑概述了在自然界中生物大分子納米微纖的“普適性”材料構築策略，包括納米尺寸限制效應、微纖的高度取向以及微纖在二維和三維空間中的各項異性及週期性排列，並闡述了這些多尺度結構對於生物材料的力學和光學性質的貢獻。淩盛傑介紹了最近生物大分子納米微纖材料的仿生設計和製備策略：包括如何模仿生物材料設計原則以構築納米微纖在一維到三維空間中的有序組織，從而實現材料的力學增強及特殊光學性質。此外，作者在總結之前工作的基礎上，提出如何利用生物材料組學方法來更有效地利用、設計和構築生物大分子納米材料。
生物大分子納米微纖廣泛存在於生物結構材料中，如由纖維素、甲殼素和絲蛋白組成的納米微纖。雖然這些生物大分子納米材料具有不同的化學組成，但在介觀尺度上，它們往往具有類似的結構組織。例如，這些生物大分子納米組裝體通常被認為是半晶體聚合物材料，且晶體尺寸大都被限制在一定的尺度。在更高結構尺度上，這些納米微纖通常結合形成微纖維束，甚至形成高度有序的二維、三維空間排列。
這些自然界中存在的獨特的材料構築方式，不僅賦予了生物材料優異的力學性能，還使其具有特異功能。比如，通過精確控制微晶和微纖的尺寸，蜘蛛能夠紡出最為強韌的絲纖維；而通過精確控制納米纖維素在細胞壁中的取向，樹木能夠有效順應（對幼齡木而言）或抵抗（對成年木而言）環境風力並調控其生長方向；通過控制甲殼素微纖在蝦、蟹殼中的三維層狀堆疊，蝦、蟹能耐受超強外力的撞擊而免遭傷害。
為了利用這些能從自然界中大量獲得的生物大分子納米組裝體，最近三十年來，一系列“自上而下”和“自下而上”的方法已經被開發，從木材、蝦蟹殼和蠶絲等生物材料中獲得的生物大分子納米微纖，已被製成各式各樣的結構和功能材料。但遺憾的是，大多數材料的性能和功能都無法與自然界的生物材料相比。因此，深入解析生物大分子納米微纖在自然界中的結構，並以此為靈感設計和構築“結構-性能”優化的材料，對於生物大分子納米微纖的高效利用尤其重要，這不僅可以大大提高生物大分子材料的使用性能，更能擴展其功能。
圖說：X射線表面掠入射小角散射實驗佈局和原理圖 上海科技大學供圖
原位觀測膠體粒子自組裝過程
膠體粒子可溶於液體或吸附於液體的表面，這不僅是常見的自然現象，還被廣泛應用於物理、材料和化學等領域，因此，對膠體粒子的研究具有重大的科學意義。上海科技大學物質學院陳剛教授課題組利用同步輻射X射線表面掠入射小角散射技術，原位觀測膠體粒子在氣液介面處自組裝形成二維超晶格結構的過程，並由此破解了一個困擾學術界近四十年的謎題。
1980年，美國科學家在利用光學顯微鏡觀測膠體粒子的二維結晶過程時，發現在有限範圍的液面上佈置一定量的膠體粒子時，在庫倫相互排斥作用下它們會形成有序和晶態的陣列。在之後的研究中，科學家們不斷發現膠體粒子在沒有外力的作用下也會自發形成長程有序的亞穩態排列。
在經典庫倫定律下，帶有同種電荷的粒子之間相互排斥；然而實驗中觀測到膠體粒子長程有序的排列說明它們之間存在著長程的相互吸引力。顯然，這一物理現象無法用經典的靜電理論進行全面的解釋。從上世紀80年代開始，圍繞這一長程作用力的來源，全世界科學家們開展了不懈的實驗和理論研究，但至今對於其內在的物理機制仍有很大的爭議，實驗和理論之間也存在諸多分歧。概括而言，造成這一看似簡單卻長期困擾科學家的物理難題的主要原因是：對於液體介面處的微觀物體，我們所能使用的研究手段非常有限。
在這項研究中，陳剛課題組首次將同步輻射X射線表面掠入射小角散射技術應用於膠體粒子在氣液介面處的自組裝研究。這一方法不但可以原位地跟蹤觀測膠體粒子在介面內的結構演變過程，同時可以跟蹤測量其相對於介面的位置和結構的變化。通過這一研究，研究人員觀測到膠體粒子在氣液介面處從無序的分散狀態，經過多個亞穩態，最後形成穩定的二維六角密排的超晶格結構的過程。在這一過程中，他們意外發現，隨著膠體粒子之間相互靠近，它們在液體中的浸潤深度（或接觸角）發生了變化。這一突破性的發現是之前的研究沒有也無法實現的。由於膠體粒子浸潤深度的變化，使其周圍液面發生形變形成凹面，當相鄰粒子之間的凹面相互重疊時會產生毛細力，而這一由液面彎曲形成的毛細力正是導致帶相同電荷的膠體粒子之間長程相互吸引的真正原因。為了進一步分析膠體粒子之間的相互作用勢，研究人員進行了完整的有限元分析與模擬。至此，一個曾經困擾全世界科學家們將近四十年的謎題得以破解。
還有相當程度的副作用。因此，進一步研究T細胞啟動的調控機理，將有助於開發新的腫瘤免疫治療方法以改善療效，讓更多病人受益。近年來，基於CRISPR的篩選技術發展迅速，已成為科研人員對各種重要生物問題進行研究的“利器”。然而在此研究前，尚未有關於T細胞的全基因組CRISPR篩選的報導。此項研究中，王皞鵬課題組利用全基因組CRISPR遺傳篩選，系統性地研究了T細胞啟動的分子機制，在國際上首次繪製了人類T細胞功能的調控圖譜。
值得一提的是，該項研究中所建立的全基因組篩選實驗手段也可以用於解析部分重要的腫瘤免疫調控通路，幫助開發腫瘤免疫治療的新策略。
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發表生物大分子納米微纖材料綜述
近日，上海科技大學物質學院淩盛傑教授與合作者在知名學術期刊《自然評論•材料》上線上發表關於生物大分子納米微纖材料的綜述。
在這篇綜述中，淩盛傑概述了在自然界中生物大分子納米微纖的“普適性”材料構築策略，包括納米尺寸限制效應、微纖的高度取向以及微纖在二維和三維空間中的各項異性及週期性排列，並闡述了這些多尺度結構對於生物材料的力學和光學性質的貢獻。淩盛傑介紹了最近生物大分子納米微纖材料的仿生設計和製備策略：包括如何模仿生物材料設計原則以構築納米微纖在一維到三維空間中的有序組織，從而實現材料的力學增強及特殊光學性質。此外，作者在總結之前工作的基礎上，提出如何利用生物材料組學方法來更有效地利用、設計和構築生物大分子納米材料。
生物大分子納米微纖廣泛存在於生物結構材料中，如由纖維素、甲殼素和絲蛋白組成的納米微纖。雖然這些生物大分子納米材料具有不同的化學組成，但在介觀尺度上，它們往往具有類似的結構組織。例如，這些生物大分子納米組裝體通常被認為是半晶體聚合物材料，且晶體尺寸大都被限制在一定的尺度。在更高結構尺度上，這些納米微纖通常結合形成微纖維束，甚至形成高度有序的二維、三維空間排列。
這些自然界中存在的獨特的材料構築方式，不僅賦予了生物材料優異的力學性能，還使其具有特異功能。比如，通過精確控制微晶和微纖的尺寸，蜘蛛能夠紡出最為強韌的絲纖維；而通過精確控制納米纖維素在細胞壁中的取向，樹木能夠有效順應（對幼齡木而言）或抵抗（對成年木而言）環境風力並調控其生長方向；通過控制甲殼素微纖在蝦、蟹殼中的三維層狀堆疊，蝦、蟹能耐受超強外力的撞擊而免遭傷害。
為了利用這些能從自然界中大量獲得的生物大分子納米組裝體，最近三十年來，一系列“自上而下”和“自下而上”的方法已經被開發，從木材、蝦蟹殼和蠶絲等生物材料中獲得的生物大分子納米微纖，已被製成各式各樣的結構和功能材料。但遺憾的是，大多數材料的性能和功能都無法與自然界的生物材料相比。因此，深入解析生物大分子納米微纖在自然界中的結構，並以此為靈感設計和構築“結構-性能”優化的材料，對於生物大分子納米微纖的高效利用尤其重要，這不僅可以大大提高生物大分子材料的使用性能，更能擴展其功能。
圖說：X射線表面掠入射小角散射實驗佈局和原理圖 上海科技大學供圖
原位觀測膠體粒子自組裝過程
膠體粒子可溶於液體或吸附於液體的表面，這不僅是常見的自然現象，還被廣泛應用於物理、材料和化學等領域，因此，對膠體粒子的研究具有重大的科學意義。上海科技大學物質學院陳剛教授課題組利用同步輻射X射線表面掠入射小角散射技術，原位觀測膠體粒子在氣液介面處自組裝形成二維超晶格結構的過程，並由此破解了一個困擾學術界近四十年的謎題。
1980年，美國科學家在利用光學顯微鏡觀測膠體粒子的二維結晶過程時，發現在有限範圍的液面上佈置一定量的膠體粒子時，在庫倫相互排斥作用下它們會形成有序和晶態的陣列。在之後的研究中，科學家們不斷發現膠體粒子在沒有外力的作用下也會自發形成長程有序的亞穩態排列。
在經典庫倫定律下，帶有同種電荷的粒子之間相互排斥；然而實驗中觀測到膠體粒子長程有序的排列說明它們之間存在著長程的相互吸引力。顯然，這一物理現象無法用經典的靜電理論進行全面的解釋。從上世紀80年代開始，圍繞這一長程作用力的來源，全世界科學家們開展了不懈的實驗和理論研究，但至今對於其內在的物理機制仍有很大的爭議，實驗和理論之間也存在諸多分歧。概括而言，造成這一看似簡單卻長期困擾科學家的物理難題的主要原因是：對於液體介面處的微觀物體，我們所能使用的研究手段非常有限。
在這項研究中，陳剛課題組首次將同步輻射X射線表面掠入射小角散射技術應用於膠體粒子在氣液介面處的自組裝研究。這一方法不但可以原位地跟蹤觀測膠體粒子在介面內的結構演變過程，同時可以跟蹤測量其相對於介面的位置和結構的變化。通過這一研究，研究人員觀測到膠體粒子在氣液介面處從無序的分散狀態，經過多個亞穩態，最後形成穩定的二維六角密排的超晶格結構的過程。在這一過程中，他們意外發現，隨著膠體粒子之間相互靠近，它們在液體中的浸潤深度（或接觸角）發生了變化。這一突破性的發現是之前的研究沒有也無法實現的。由於膠體粒子浸潤深度的變化，使其周圍液面發生形變形成凹面，當相鄰粒子之間的凹面相互重疊時會產生毛細力，而這一由液面彎曲形成的毛細力正是導致帶相同電荷的膠體粒子之間長程相互吸引的真正原因。為了進一步分析膠體粒子之間的相互作用勢，研究人員進行了完整的有限元分析與模擬。至此，一個曾經困擾全世界科學家們將近四十年的謎題得以破解。