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【MBAChina網(wǎng)訊】生命學(xué)院黃善金課題組發(fā)文報(bào)道花粉管頂端微絲聚合控制機(jī)制

藥學(xué)院2014級本科生唐子琦在《自然·通訊》合作發(fā)文

地學(xué)系張強(qiáng)與環(huán)境學(xué)院賀克斌研究組發(fā)文揭示減排和氣象條件變化對北京空氣質(zhì)量改善的貢獻(xiàn)

電子系薛曉曉、鄭小平、周炳琨合作團(tuán)隊(duì)發(fā)文報(bào)道超級效率時(shí)間孤子

醫(yī)學(xué)院布萊恩·科比爾卡研究組揭示G蛋白偶聯(lián)受體-G蛋白復(fù)合物形成過程

自動化系李梢課題組發(fā)現(xiàn)胃癌極早期細(xì)胞標(biāo)志物

物理系張廣銘教授課題組在量子拓?fù)湎嘧兝碚摲矫嫒〉弥匾M(jìn)展

來源：清華大學(xué)

清華生命學(xué)院黃善金課題組發(fā)文報(bào)道花粉管頂端微絲聚合控制機(jī)制

5月23日，清華大學(xué)生命學(xué)院黃善金課題組在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了題為“腺苷酸環(huán)化酶相關(guān)蛋白1介導(dǎo)的花粉管頂端微絲聚合機(jī)制”（Mechanism of CAP1-mediated Apical Actin Polymerization in Pollen Tubes）的研究論文。該論文綜合生物化學(xué)、遺傳學(xué)和活體成像技術(shù)揭示了腺苷酸環(huán)化酶相關(guān)蛋白1（adenylyl cyclase associated protein 1; CAP1）通過產(chǎn)生可聚合的單體肌動蛋白（G-actin）控制花粉管頂端從質(zhì)膜上產(chǎn)生的微絲聚合。

開花植物的花粉管生長是一種頂端生長方式，通過其頂端生長把兩個(gè)不能運(yùn)動的精細(xì)胞輸送到胚珠進(jìn)行雙受精?；ǚ酃苌L非常快速，幾十年來，國際上有很多研究組在探討花粉管快速頂端生長機(jī)制。黃善金課題組以擬南芥花粉管為細(xì)胞學(xué)系統(tǒng)研究花粉管生長的調(diào)控機(jī)制，其中重點(diǎn)解析微絲骨架在控制花粉管生長過程中的功能和作用機(jī)制。一直以來，微絲骨架在花粉管生長過程中的重要性得到了人們的廣泛認(rèn)可和關(guān)注，但微絲在花粉管頂端是否存在一直存在爭論。另外，如果花粉管頂端存在微絲，那些微絲從哪里產(chǎn)生以及在空間上形成怎樣的排布也期待揭示。相關(guān)問題的回答將豐富人們對花粉管生長調(diào)控機(jī)制的理解。運(yùn)用活體微絲顯微成像技術(shù)并結(jié)合利用一些花粉管微絲動態(tài)出現(xiàn)缺陷的突變體，黃善金課題組早期的觀察發(fā)現(xiàn)花粉管頂端存在著一個(gè)高度動態(tài)的微絲群體，并證明了這些微絲主要是從花粉管頂端質(zhì)膜上聚合而來。

▲CAP1調(diào)控花粉管頂端微絲聚合作用模型

黃善金課題組后續(xù)的研究證明，微絲從花粉管頂端質(zhì)膜的聚合主要是由formin/profilin元件所控制。由于推測花粉管中G-actin主要以G-actin-profilin復(fù)合體的形式存在，產(chǎn)生和維持一個(gè)可聚合的ATP-G-actin-profilin復(fù)合體庫是花粉管頂端微絲聚合調(diào)控模型中的關(guān)鍵步驟。相比動物profilins能夠促進(jìn)G-actin的核苷酸交換，植物profilins缺乏或抑制G-actin的核苷酸交換，解聚的ADP-G-actin必須先轉(zhuǎn)換成ATP-G-actin然后再轉(zhuǎn)交給profilin形成ATP-G-actin-profilin復(fù)合體才能重新進(jìn)入微絲聚合循環(huán)。另外，由于微絲解聚因子（actin-depolymerizing factor; ADF）是花粉管微絲骨架動態(tài)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因子，解聚的G-actin應(yīng)該主要以ADP-G-actin-ADF復(fù)合體的形式存在。由于ADF偏好結(jié)合ADP-G-actin并抑制其核苷酸交換，如何使ADP-G-actin和ADF解離并使其轉(zhuǎn)化為ATP-G-actin至關(guān)重要。

在本研究中，黃善金課題組發(fā)現(xiàn)CAP1能夠和花粉ADF和profilin協(xié)作在體內(nèi)和體外促進(jìn)G-actin核苷酸交換和微絲動態(tài)轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)CAP1主要通過其氨基末端和ADF協(xié)作促進(jìn)微絲動態(tài)轉(zhuǎn)換并幫助ADP-G-actin從ADF上解離；CAP1接著通過其羧基末端促進(jìn)ADP-G-actin核苷酸交換產(chǎn)生ATP-G-actin，最后傳遞給profilin形成ATP-G-actin-profilin復(fù)合體用于支持錨定在質(zhì)膜上的formin蛋白介導(dǎo)的微絲聚合（見上圖）?？傊?，本研究系統(tǒng)地闡釋了CAP1作為中間分子在ADF和profilin之間發(fā)揮功能，進(jìn)而在花粉管微絲聚合和解聚過程中起到了核心的作用。該研究加深了人們對花粉管頂端微絲聚合和解聚機(jī)制的理解。

清華大學(xué)生命學(xué)院黃善金研究員為本文的通訊作者，黃善金課題組的博士后蔣玉祥、已畢業(yè)博士生常明和博士研究生蘭亞仙為本文的共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/05/22/1821639116

清華藥學(xué)院2014級本科生唐子琦在《自然·通訊》合作發(fā)文

提出檢測人腦組織中β-淀粉樣蛋白斑塊新方法

5月15日，清華大學(xué)藥學(xué)院2014級本科生唐子琦在優(yōu)秀本科生國際交流項(xiàng)目（2017年8月-2019年5月）中赴加州大學(xué)舊金山分校交流學(xué)習(xí)期間以第一作者身份在《自然·通訊》在線發(fā)表了題為《基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對阿爾茲海默癥病理學(xué)的可解釋性分類》（Interpretable classification of Alzheimer’s disease pathologies with a convolutional neural network pipeline）的研究論文，首次報(bào)道了利用深度學(xué)習(xí)算法自動且有效地對阿爾茲海默癥患者大腦中的β-淀粉樣蛋白斑塊（Amyloid-β plaque）和血管異常進(jìn)行病理學(xué)分析的新方法，使得自動檢測阿爾茲海默癥關(guān)鍵部分成為可能。

阿爾茲海默癥是癡呆癥中最常見的一種，但對該疾病成因和治療方面的研究進(jìn)展十分緩慢。β-淀粉樣蛋白斑塊作為阿爾茲海默癥的病理學(xué)標(biāo)志之一，是神經(jīng)病理學(xué)中的重要研究對象，但識別和分析大量人腦組織樣本中不同形態(tài)的β-淀粉樣蛋白斑塊沉淀十分困難且耗時(shí)。

▲CNN模型在不同尺度上對人腦切片中病理學(xué)特征的預(yù)測

為了增強(qiáng)對阿爾茲海默癥病理學(xué)的分析能力，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型。CNN是一種深度學(xué)習(xí)算法，能夠從大量數(shù)據(jù)中提取潛在的規(guī)律和模式，并據(jù)此對新的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。為了獲得足夠的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練CNN進(jìn)行人腦組織病理學(xué)分析，研究人員開發(fā)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺“Blob or Not”，使得病理學(xué)家能夠高效的標(biāo)注數(shù)以萬計(jì)的潛在斑塊區(qū)域圖片。研究小組利用由7萬張已標(biāo)注的病理學(xué)圖片組成的數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練CNN模型，以識別阿爾茲海默癥中不同類型的大腦變化，包括區(qū)分Cored plaque和Diffuse plaque，以及識別腦血管中的異常病變。

研究結(jié)果表明，此算法能夠以98.7%的準(zhǔn)確率處理整個(gè)大腦切片，處理速度只受限于所使用的計(jì)算機(jī)處理器數(shù)量。同時(shí)，研究小組對此算法的可靠性和可解釋性進(jìn)行了嚴(yán)格測試，以確保其在生物學(xué)分析上是有效的。

在未來，研究人員希望這些算法將成為神經(jīng)病理學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)部分，幫助病理學(xué)家分析大量實(shí)驗(yàn)和臨床數(shù)據(jù)，打開精確治療癡呆癥的大門。

該工作由加州大學(xué)舊金山分校的麥克·凱澤爾(Michael Keiser)課題組和加州大學(xué)戴維斯分校的布列塔尼·達(dá)格(Brittany Dugger)課題組合作完成，麥克·凱澤爾教授和布列塔尼·達(dá)格教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-10212-1

清華地學(xué)系張強(qiáng)與環(huán)境學(xué)院賀克斌研究組發(fā)文揭示減排和氣象條件變化對北京空氣質(zhì)量改善的貢獻(xiàn)

為改善空氣質(zhì)量，我國政府于2013年發(fā)布了《大氣污染防治行動計(jì)劃》（即“大氣十條”），其中要求2017年北京市年均PMμg/mPMμg/mμg/mPMPM

為回答上述問題，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系張強(qiáng)教授研究組、環(huán)境學(xué)院賀克斌院士研究組和北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在梳理總結(jié)北京五年間空氣污染治理措施的基礎(chǔ)上，耦合排放清單和大氣化學(xué)傳輸模型，量化了氣象條件變化、周邊區(qū)域減排以及北京本地各類減排措施對北京市PM

研究發(fā)現(xiàn)，盡管與2017年氣象條件與2013年相比更有利于污染清除，但北京本地和周邊區(qū)域的減排仍然是PMPMPMPMμg/m

▲圖1 北京市PM

研究系統(tǒng)分析量化了北京2013-2017年間空氣質(zhì)量改善的驅(qū)動因素，證實(shí)了“大氣十條”實(shí)施帶來的減排成效。研究同時(shí)指出，隨著“大氣十條”的實(shí)施，北京的主要大氣污染源構(gòu)成已經(jīng)發(fā)生了較大變化，未來應(yīng)采取更有針對性的減排措施并進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域協(xié)同控制，以實(shí)現(xiàn)北京及周邊區(qū)域空氣質(zhì)量的持續(xù)改善。

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系碩士生程靜為文章的第一作者，地學(xué)系張強(qiáng)教授和北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心李金香研究員為文章的共同通訊作者。

論文鏈接：

https://www.atmos-chem-phys.net/19/6125/2019/

清華電子系薛曉曉、鄭小平、周炳琨合作團(tuán)隊(duì)發(fā)文報(bào)道超級效率時(shí)間孤子

5月13日，清華大學(xué)電子工程系薛曉曉助理教授、鄭小平教授、周炳琨教授在《自然-光子》

▲圖1. 片上集成克爾光學(xué)頻率梳及其波形、光譜示意圖

克爾光頻梳簡稱為克爾梳，它利用微型諧振腔中的非線性光學(xué)克爾效應(yīng)，將單一頻率的激光轉(zhuǎn)變?yōu)榘罅康乳g隔頻率的寬帶光頻梳。在鎖模狀態(tài)下，光頻梳的各個(gè)頻率分量之間保持穩(wěn)定的相位關(guān)系，在時(shí)域產(chǎn)生一個(gè)超短光脈沖序列，稱為時(shí)間光孤子（圖1）。相對于傳統(tǒng)的光頻梳光源，克爾梳具有體積小、脈沖重復(fù)頻率高等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一項(xiàng)變革性的技術(shù)。然而，克爾梳的能量轉(zhuǎn)換效率非常低，通常只能達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)。極低的能量轉(zhuǎn)換效率成為阻礙克爾梳應(yīng)用的一大瓶頸。薛曉曉課題組此前在《激光與光子學(xué)綜述》

▲圖2. 雙耦合光學(xué)諧振腔中的超級效率時(shí)間孤子。(A) 器件結(jié)構(gòu)示意圖；(B) 工作原理；(C) 傳輸線RLC網(wǎng)絡(luò)類比。

在此次報(bào)道的研究中，課題組借鑒了經(jīng)典微波傳輸線理論中的阻抗變換和匹配方法，提出了對激光能量進(jìn)行回收再利用的雙諧振腔結(jié)構(gòu)（圖2），并建立了一組完備的雙耦合非線性薛定諤方程，得出了其高效孤子解。在基于光纖環(huán)形腔的實(shí)驗(yàn)中，課題組實(shí)現(xiàn)了接近100%的光能量回收再利用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析精確吻合，打破了傳統(tǒng)單諧振腔克爾梳的效率瓶頸。高效率片上集成光頻梳預(yù)期將對小型化光原子鐘、微波光子學(xué)、大容量光通信、精密光譜測量等應(yīng)用產(chǎn)生重要推動作用。

薛曉曉助理教授為論文的第一作者和通訊作者，清華大學(xué)為唯一完成單位。

論文鏈接：

http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0436-0

清華醫(yī)學(xué)院布萊恩·科比爾卡研究組揭示G蛋白偶聯(lián)受體-G蛋白復(fù)合物形成過程

5月9日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心布萊恩·科比爾卡（Brian K. Kobilka）教授研究組于《細(xì)胞》 （Gs兩篇論文相互印證，共同揭示了G蛋白偶聯(lián)受體與 G蛋白復(fù)合物形成的分子機(jī)理。

G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）家族在人體中有800多個(gè)成員，在視覺，嗅覺，味覺，以及激素和神經(jīng)遞質(zhì)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要的生理功能，同時(shí)也是關(guān)鍵的藥物研發(fā)靶點(diǎn)。GPCR作為膜受體蛋白，對外感知胞外的配體信號，對內(nèi)結(jié)合G蛋白或者Arrestin，將信號向下游傳遞，調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。在激動劑的作用下，GPCR會與二磷酸鳥苷（GDP）結(jié)合狀態(tài)的G蛋白，形成短暫的復(fù)合物（GPCR-GGG

▲圖1 GPCR與G蛋白復(fù)合物形成過程示意圖

布萊恩·科比爾卡教授在斯坦福大學(xué)的課題組在GPCR結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的工作。其于2007年首次獲得了beta2腎上腺素受體的非激活態(tài)高分辨率結(jié)構(gòu)，并于2011年利用模擬G蛋白的納米抗體穩(wěn)定beta2腎上腺素受體的激活態(tài)構(gòu)象，獲得了其激活態(tài)結(jié)構(gòu)。更于2011年發(fā)表了beta2腎上腺素受體與Gs蛋白在無核酸狀態(tài)下（β2AR-GGGG

相比于非激活態(tài)的GPCR，激活態(tài)的GPCR結(jié)構(gòu)上最顯著的特點(diǎn)在于第六個(gè)跨膜螺旋的外移（ 10埃甚至更遠(yuǎn)的距離）。布萊恩·科比爾卡教授研究組利用多種技術(shù)證明：在只有激動劑結(jié)合的情況下，beta2 腎上腺素受體無法穩(wěn)定在激活構(gòu)象，需要同時(shí)在胞內(nèi)區(qū)域有其他蛋白（納米抗體或者G蛋白）穩(wěn)定其激活態(tài)結(jié)構(gòu)。布萊恩·科比爾卡教授多年以前啟動一個(gè)課題，試圖將Gs蛋白羧基端的肽段融合在beta2 腎上腺素受體的羧基端，以獲得其穩(wěn)定在激活態(tài)的結(jié)構(gòu)，但是該課題沒有成功。其在清華大學(xué)的研究組改進(jìn)了蛋白編輯策略，將Gs蛋白羧基端的14個(gè)氨基酸（GsCT）融合在beta2 腎上腺素受體的胞內(nèi)第三個(gè)環(huán)狀區(qū)域，并引入二硫鍵將GsCT穩(wěn)定在其結(jié)合位置，最終獲得了3.7埃的 beta2 腎上腺素受體激活態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中觀察到的 Gs蛋白羧基端與受體相互作用的方式不同于2011年解析的β2AR-GsGGs

▲圖2 beta2 腎上腺素受體與Gs蛋白C末端的14個(gè)氨基酸（GsCT）融合蛋白的晶體結(jié)構(gòu)（A），在該結(jié)構(gòu)中，帶電荷的氨基酸E392Gs

同時(shí)，研究組獲得了2.8埃的GDP結(jié)合狀態(tài)下Gs蛋白（GsGsGsGsGs

▲圖3 β2AR與Gs蛋白形成復(fù)合物的動態(tài)模型。在GsGsGsGs

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院布萊恩·科比爾卡教授與劉翔宇博士為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)劉翔宇博士， 博士生許心宇，以及斯坦福大學(xué)Daniel Hilger博士為本文共同第一作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉洪濤博士、孫曉鷗博士、斯坦福大學(xué)杜洋博士（即將成為香港中文大學(xué)（深圳）科比爾卡新藥研究院Tenure-track助理教授）參與了本項(xiàng)研究。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30440-4

清華自動化系李梢課題組發(fā)現(xiàn)胃癌極早期細(xì)胞標(biāo)志物

5月7日，清華大學(xué)自動化系李梢課題組論文“解析胃癌前病變和早期胃癌的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組網(wǎng)絡(luò)（Dissecting the single-cell transcriptome network underlying gastric premalignant lesions and early gastric cancer）”作為長文發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（該研究通過胃炎和胃早癌患者單細(xì)胞測序，首次成功捕捉胃癌發(fā)生的單細(xì)胞微弱信號及其網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，突破性地發(fā)現(xiàn)了胃癌極早期細(xì)胞標(biāo)志物，在胃炎癌轉(zhuǎn)化單細(xì)胞機(jī)制和極早期診斷方面取得重大進(jìn)展。

▲圖1. 胃炎癌轉(zhuǎn)化單細(xì)胞圖譜。左圖為本研究獲得的胃炎癌不同階段50,000余個(gè)單細(xì)胞特征；右圖為從圖譜中解析出的包括胃癌極早期細(xì)胞在內(nèi)的胃炎癌轉(zhuǎn)化重要細(xì)胞類型及其網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)

首先，該研究第一次從單細(xì)胞層次解析出胃炎癌轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，為系統(tǒng)揭示胃癌發(fā)生的生物學(xué)基礎(chǔ)提供了一個(gè)全新的視角。通過克服微量細(xì)胞分離、異質(zhì)單細(xì)胞數(shù)據(jù)整合等系列技術(shù)難點(diǎn)，該研究成功捕獲了胃癌前病變及早期胃癌患者胃組織中50,000余個(gè)細(xì)胞，并對每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組檢測，建立了迄今最大規(guī)模的人體胃組織單細(xì)胞圖譜。進(jìn)而，對圖譜中單個(gè)細(xì)胞的特征進(jìn)行深入計(jì)算解析，從中識別出包括胃癌極早期細(xì)胞在內(nèi)的胃炎癌轉(zhuǎn)化過程中17種重要細(xì)胞類型，并建立了不同細(xì)胞類型之間的定量關(guān)聯(lián)關(guān)系，首次構(gòu)建出胃炎癌轉(zhuǎn)化單細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)?；谠摼W(wǎng)絡(luò)，作者發(fā)現(xiàn)不同類型上皮細(xì)胞在胃炎癌轉(zhuǎn)化過程中呈現(xiàn)出“炎癥增強(qiáng)-代謝加劇-細(xì)胞增殖增加”的共性特征。

同時(shí)，一些代表性細(xì)胞類型也呈現(xiàn)出個(gè)性特征，如胃腺底細(xì)胞在胃炎向胃癌轉(zhuǎn)化的過程中會獲得細(xì)胞干性，提示其可能是介導(dǎo)胃炎癌轉(zhuǎn)化的重要細(xì)胞類型。有趣的是，從單細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中新發(fā)現(xiàn)的一些分子特征，被課題組前期自主研制的、基于關(guān)系推斷的致病基因算法CIPHER成功預(yù)測，表明人工智能和生物信息算法在解析機(jī)體復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)上具有很大潛力。

▲圖2. 涵蓋細(xì)胞-分子-生物功能等多層次信息的胃炎癌轉(zhuǎn)化單細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)

尤為重要的是，該研究首次發(fā)現(xiàn)胃炎腸化早期、胃癌極早期的兩種細(xì)胞標(biāo)志物。研究者通過分析在癌前病變階段呈現(xiàn)出的多種與分化進(jìn)程相關(guān)的細(xì)胞亞型，識別出了能標(biāo)記腸化早期階段的細(xì)胞標(biāo)志，有望助力胃癌前病變的早期發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，作者通過系統(tǒng)分析胃早癌細(xì)胞與其他上皮細(xì)胞群之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，識別出具有特定分子特征的胃癌極早期細(xì)胞群。這類細(xì)胞群的出現(xiàn)早于當(dāng)前臨床病理所能識別出的胃癌，為胃癌的極早期精準(zhǔn)診斷提供了潛在標(biāo)志物，也為胃癌極早期干預(yù)提供了候選靶點(diǎn)，該文發(fā)現(xiàn)的這組胃癌前病變、胃癌極早期標(biāo)志物已申請發(fā)明專利，正在進(jìn)行試劑盒研制和更大樣本的臨床驗(yàn)證。同時(shí)，李梢課題組前期還發(fā)現(xiàn)了能早期干預(yù)這類細(xì)胞、有望逆轉(zhuǎn)炎癌轉(zhuǎn)化的藥食同源中藥成分，并獲發(fā)明專利。

▲圖3.首次發(fā)現(xiàn)的胃炎腸化早期（A）、胃癌極早期（B）兩種細(xì)胞標(biāo)志物

中醫(yī)藥在胃炎、胃癌診治和“治未病”上積累了豐富的臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文還有一個(gè)鮮明特點(diǎn)是對患者進(jìn)行了中、西醫(yī)特征的全面診查，發(fā)現(xiàn)納入研究的患者具有胃灼痛、或大便干燥、或舌苔黃等“胃火”相關(guān)的臨床表現(xiàn)。因此，本文的研究成果對于中醫(yī)客觀化、精準(zhǔn)化也提供了一條全新的途徑，為課題組前期發(fā)現(xiàn)的中醫(yī)寒熱相關(guān)代謝-免疫網(wǎng)絡(luò)失衡加劇、會促進(jìn)消化道系統(tǒng)炎癌轉(zhuǎn)化也提供了重要佐證。

自動化系博士生張鵬為論文第一作者，李梢教授為通訊作者，中日友好醫(yī)院杜時(shí)雨大夫在樣本采集上提供了重要幫助。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports/pdf/S2211-1247(19)30525-X.pdf

清華物理系張廣銘教授課題組在量子拓?fù)湎嘧兝碚摲矫嫒〉弥匾M(jìn)展

4月30日，清華大學(xué)物理系教授張廣銘課題組近期在量子拓?fù)湎嘧兝碚摲矫嫒〉弥匾M(jìn)展，在美國物理學(xué)會出版的國際權(quán)威期刊《物理評論快報(bào)》(

在自然界的三維空間中，微觀粒子依據(jù)其自旋為整數(shù)或半整數(shù)被劃分為玻色子與費(fèi)米子，它們滿足不同的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。然而，在二維空間中，粒子的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)可以超越玻色和費(fèi)米的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，被諾貝爾物理獎(jiǎng)得主維爾切克（F. Wilczek）稱為“任意子” (anyon)。凝聚態(tài)物理學(xué)大師安德森（P. W. Anderson）曾指出在量子阻挫磁性系統(tǒng)和銅氧化物高溫超導(dǎo)中可能存在一類物態(tài)——量子自旋液體，其低能激發(fā)準(zhǔn)粒子便表現(xiàn)出任意子的行為，準(zhǔn)粒子間的相互作用由演生出來的電磁場來傳遞。這種量子液體的物理性質(zhì)，已經(jīng)超越了上個(gè)世紀(jì)中葉，由諾獎(jiǎng)得主朗道（L. Landau）、金茲伯格（V. Ginzburg）、威爾遜（K. Wilson）等人所創(chuàng)立的對稱性自發(fā)破缺的理論范式。美國麻省理工學(xué)院的文小剛教授，在1990年代研究分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)時(shí)，指出了這類體系背后的物理本質(zhì)是大量微觀粒子由于強(qiáng)相互作用形成了一種新的有序——量子拓?fù)湫颉Ｒ酝P(guān)于這種量子自旋液體的研究大多是基于量子場論的方法與數(shù)值計(jì)算，直到2003年，科塔耶夫(A. Kitaev)提出了一個(gè)二維嚴(yán)格可解的量子自旋模型——環(huán)面編碼，毋庸置疑地詮釋了其基態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)和低能準(zhǔn)粒子激發(fā)的任意子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，首次提出此類系統(tǒng)可用于容錯(cuò)的量子計(jì)算，即拓?fù)淞孔佑?jì)算。

▲左圖是二維量子拓?fù)湮飸B(tài) ( Toric Code ) 的基態(tài)相圖，右圖是該模型通過嚴(yán)格的量子--經(jīng)典對應(yīng)關(guān)系得到二維經(jīng)典統(tǒng)計(jì)模型的相圖。

環(huán)面編碼模型等價(jià)于一個(gè)描述二維空間中最簡單的離散化的電磁場理論，其低能激發(fā)包含的準(zhǔn)粒子有：電荷e、磁通m、馬約拉納費(fèi)米子f。雖然電荷與磁通各自滿足波色統(tǒng)計(jì)，但是根據(jù)量子力學(xué)中的阿哈諾夫--伯姆(Aharonov-Bohm)效應(yīng)，電荷圍繞磁通量子一圈會產(chǎn)生一個(gè)π的相位，從而導(dǎo)致e與m之間出現(xiàn)一個(gè)超越常規(guī)波色與費(fèi)米的任意子統(tǒng)計(jì)。與我們熟知的真空中的連續(xù)化的電磁理論不同，這是一個(gè)描述s波超導(dǎo)體的電磁理論：由于電荷對的凝聚，電荷守恒定律下降為電荷數(shù)奇偶性的宇稱守恒，原本可連續(xù)變化的磁通量也被量子化為磁通量子。更為重要的是，這個(gè)簡單的二維空間的電磁理論具有優(yōu)美的電磁對偶性，即電荷與磁通互換，保持模型理論的形式不改變。環(huán)面編碼模型在量子拓?fù)湫虻难芯恐?，其地位堪比伊辛（Ising）模型在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的地位，被廣泛用作探索量子拓?fù)湫虻脑嚱鹗?。因而，徹底理解其量子相變的機(jī)制是建立普適的超越朗道范式的量子拓?fù)湎嘧兊幕A(chǔ)。此前的研究主要闡明了電荷凝聚（伴隨著磁通禁閉）或者磁通凝聚（伴隨著電荷禁閉）的量子拓?fù)湎嘧儭Ｈ欢陔姶艑ε嫉穆窂缴?，阿哈諾夫—伯姆效應(yīng)卻不容許電荷與磁通同時(shí)發(fā)生凝聚，其相變機(jī)制至今依舊是一個(gè)尚未解決的重大謎團(tuán)。

受到諾貝爾物理獎(jiǎng)得主拉福林（R. B. Laughlin）用波函數(shù)來刻畫分?jǐn)?shù)量子霍爾拓?fù)湮飸B(tài)的啟發(fā)，清華大學(xué)物理系張廣銘教授課題組另辟蹊徑，從量子波函數(shù)的角度來探討可能的量子拓?fù)湎嘧兊臋C(jī)制。他們借助于張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)的表示理論，構(gòu)造了一個(gè)可調(diào)控的量子多體波函數(shù)，并發(fā)現(xiàn)可映射到一個(gè)二維嚴(yán)格可解的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)模型：阿什肯—特勒（Ashkin-Teller）模型。借助于經(jīng)典模型的嚴(yán)格解，發(fā)現(xiàn)環(huán)面編碼模型中的量子拓?fù)鋺B(tài)嚴(yán)格對應(yīng)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)模型的“部分有序態(tài)”，并可以精準(zhǔn)確定拓?fù)湎嘧兊呐R界位置和量子拓?fù)湎嘧兊奈⒂^機(jī)制。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，在電磁對偶的調(diào)控路徑上，量子波函數(shù)會經(jīng)歷一個(gè)量子的考斯特里茲—邵勒斯（Kosterlitz-Thouless）相變點(diǎn)，進(jìn)入無能隙的庫侖氣體狀態(tài)，其中電荷之間的屏蔽相互作用演變?yōu)殚L程的庫侖相互作用，類似于從超導(dǎo)態(tài)到正常電子態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種庫侖氣體態(tài)在失去電磁對偶后即可發(fā)生電荷凝聚或者處于電荷禁閉相，由“退禁閉量子相變”理論刻畫，也是超越朗道對稱性自發(fā)破缺的相變普適類。需要指出的是，考斯特里茲--相變是刻畫二維經(jīng)典系統(tǒng)中的超越朗道相變范式的拓?fù)湎嘧兝碚摚怯纱笮l(wèi)-邵勒斯和邁克爾-考斯特里茲在1973年提出的，并獲得2016年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

論文的第一作者為張廣銘教授指導(dǎo)的清華大學(xué)物理系2014級博士生朱國毅。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.176401