原标题：中国科学家接连登上国际顶刊《自然》《科学》封面 来源：澎湃新闻
记者获悉,来自中国的生命科学和量子信息科研成果于6月3日、6月4日接连登上国际顶尖学术期刊《自然》、《科学》杂志封面。
6月3日刊发的《自然》杂志封面为“Quantum connections”(量子连接),论文来自中国科大的郭光灿院士团队。该研究中,中国科学家首次实现多模式复用的量子中继基本链路,展现了多模式复用的量子通信加速效果,并实现了两个固态存储器的量子纠缠。该工作为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。
1天之后,6月4日刊发的《科学》杂志封面为“How transcription begins”(转录是如何开始的),论文来自复旦大学徐彦辉研究员团队。该研究关注发生在基因启动子区的转录起始过程,这也是基因表达调控的核心,决定着细胞的命运,影响众多生理病理过程。徐彦辉团队的研究包含通用转录因子(TFIID)的转录前起始复合物结构,揭示了启动子识别及PIC装配的动态过程,意义重大。
2天内2大国际科学顶刊封面接连聚焦中国的研究成果,是中国科研实力上升的缩影。尤其值得关注的是,中国的青年科学家在中国科技创新体系中正在扮演日益重要的角色。
在6月2日下午举行的浦江创新论坛·科技创新青年峰会上,浦江创新论坛主席、中国科学院院士徐冠华表示,“当前,在航空航天、深海、高铁、核能、生物、超算、通讯、互联网、新能源等重要领域,大批青年科技人才扛大旗,挑大梁,科技事业展现出江山代有才人出的喜人形式。”
他同时寄语,全球气候变化、能源资源短缺、粮食危机、全球性流行病肆虐,贫困等一系列风险也日益凸显,这些困难和挑战都更加需要青年人的知识和力量来共同积极应对。
他感慨道,人的一生看似漫长,实则匆匆,自己能够把握并且能够利用的好时间并不多。“所以我真诚希望青年朋友们在你们青少年时期放下名和利的思想包袱,按照自己的兴趣和爱好潜心做好科研,或许人到晚年,你会感到青年时期那段时光是自己最为宝贵的人生经历。”
正如在全球科学家正努力攻克的“终极疆域”脑科学领域,中国“脑计划”的领军人物、中国科学院院士蒲慕明对澎湃新闻记者表示,近年来很多的青年科学家海外留学归来,“年轻人很多,还是很有希望的。”
以视频方式参加浦江创新论坛的比尔·盖茨也点赞了中国的科研贡献。盖茨称,中国“已经成为全球包容性创新的一股重要力量”。他表示,中国在加大科学研究投入的同时,也努力确保新想法和新工具能够转化为有效的公共产品,这已经帮助挽救了本国和其他国家数以亿计的生命并改善了他们的生活。
探索生命的奥秘
在上世纪90年代,科学家们发现一个功能非常重要的转录共激活因子,命名为中介体(Mediator)。Mediator由26个蛋白所组成,分子量1.5兆道尔顿。由于人体中绝大多数活跃基因都需要Mediator才能够实现高表达。因此,对Mediator及PIC-Mediator复合物的研究是转录领域的核心。
6月4日刊的《科学》杂志聚焦了徐彦辉课题组的研究《人源中介体复合物及其结合转录前起始复合物的结构研究》(Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex),报道了首个结构与功能完整的PIC-Mediator复合物。
徐彦辉研究员为复旦大学博士生导师、复旦大学附属肿瘤医院兼职教授。徐彦辉的学士学位、博士学位均来自清华大学。他是饶子和院士、施一公院士的弟子。博士毕业后,他来到美国普林斯顿大学的施一公教授实验室,开始了博士后的培养。
徐彦辉研究员对于这项最新的研究,复旦团队表示,结构分析揭示了PIC-Mediator的动态组装过程以及Mediator调控Pol II CTD磷酸化的分子机制。该项工作与徐彦辉团队近期关于PIC的研究相呼应,较为全面地回答了转录起始过程的若干重要科学问题,是国内分子生物学领域的又一重大突破性成果。
该项工作首先报道了人源Mediator复合物近原子分辨率的冷冻电镜结构,首次把26个Mediator亚基进行完全定位和建模,为后续结构功能研究奠定了坚实基础。研究发现Mediator的Tail模块可呈现延展构象和弯折构象,两个构象的Mediator被分别命名为MED-E和MED-B。其中,MED-E与以往报道的结构相似,而MED-B构象是首次发现,表明Mediator本身的动态性。
TFIID赋予了PIC-Mediator结构和功能的完整性。在PIC-Mediator整体结构中,Mediator和TFIID分别位于TFIIH的上下两面,两者共同结合并稳定TFIIH,使TFIIH中CDK7激酶和XPB移位酶在PIC-Mediator中正确定位并发挥活性。其中XPB推动启动子DNA进入Pol II催化中心开始转录,而CDK7磷酸化Pol II的CTD允许Pol II聚合酶离开启动子区进入转录延伸,二者的活性是转录起始所必须的。TFIID还赋予了PIC-Mediator组装的高度动态性。通过两种代表结构进行比对,可看出PIC-Mediator各个部分都不同程度的发生了模块重排,使其更好地适应高度动态的转录起始过程。上述发现在基于TBP的PIC-Mediator系统中并未被报道,说明TFIID在转录起始超级复合物PIC-Mediator的组装和发挥功能中的关键作用。
该项工作提供了具有生理相关性和功能完整性的PIC-Mediator复合物结构,揭示了完整PIC-Mediator复合物的动态组装过程,提出了Mediator调控Pol II CTD磷酸化可能的分子机制。结构及其所提示的功能关联性对后续转录机制研究具有重要的指导意义,将分子生物学领域相关研究推到了一个新的高度。
构建量子网络
《自然》的封面则报道了中国科学家郭光灿院士团队首次实现多模式复用的量子中继基本链路,展现了多模式复用的量子通信加速效果,并实现了两个固态存储器的量子纠缠。该工作为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。
远程量子纠缠传输是构建大尺度量子通信网络的一项基本任务。而光子作为量子通信信道中的最佳载体,容易被光纤吸收或散射而呈指数衰减。比如,通过光纤向距离1000公里外的地方每秒发射100亿个光子,300年才能接收到1个光子。就是说,光子通过光纤的直接传输距离被限制在数百公里。
为此,科学家提出量子中继以实现远程量子纠缠传输。这是指,将远距离传输划分为若干短距离基本链路,先在基本链路的两个临近节点间建立可预报的量子纠缠,然后通过纠缠交换技术进行级联,从而逐步扩大量子纠缠的距离。
量子中继的核心在于量子储存器,即将光子储存起来而不改变其量子态。等到相邻存储器纠缠成功后,再执行下一步纠缠交换。
实际上,由于量子态的脆弱性,量子的存储和读取过程中不改变量子态十分困难。
到目前为止,已经在冷原子气体和单量子系统中实现量子中继的基本链路,但均采用发射型量子存储器。发射型存储器的纠缠光子是由存储器直接发射出来的,其结构简洁,但兼容性较差,难以同时满足确定性量子光源及多模式复用这两个量子中继中关键的通信加速技术。确定性量子光源不存在多光子噪声,其发射效率可以逼近100%。多模式复用与经典光通信中的复用技术原理类似,即并行使用不同的时间或频率模式的光子来加快通信的速率。
使用吸收性量子存储器可以克服这些问题。在基于吸收型量子存储器的量子中继架构中,量子光源与量子存储器相独立,所以这种架构可以同时兼容确定性量子光源以及多模式复用,是目前理论上传输速率最快的量子中继方案。
一个基本链路由两个分离的量子节点,以及中间站点贝尔态测量装置组成。每个量子节点中除了“牛郎”、“织女”、量子存储器之外,还各有一个纠缠光子对。
实验中,每个纠缠光子对中的一个光子被量子存储器捕获并存储,每个纠缠光子对的另一个光子通过光纤同时传输至中间站点“鹊桥”进行贝尔态测量,通过测量建立纠缠。
因此,“牛郎”和“织女”借助“鹊桥”可以在没见面的情况下成功建立纠缠。论文共同第一作者刘肖及胡军说:“我们成功演示了4个时间模式的并行复用,获得了4倍加速的纠缠分发速率,经过实验验证,通过贝尔态测量预报两个节点之间的纠缠保真度超过80%。”
李传锋教授表示:“下一步,研究组将继续提高量子存储器的各项指标,并采用确定性纠缠光源,从而大幅提高纠缠分发的速率,努力实现超越光纤直接传输的实用化量子中继器。”
