活体猪肾脏移植给人类；气候变暖引起地球自转变慢 | 一周趣科学Vol.12

细菌酶类在融合位点上的“默契”

大多数的肽是由细胞中的核糖体合成的，它们就像是流水线，每一颗核糖体都可以自主地从头到尾合成一条肽链。

但在细菌中，还有许多肽类物质不是流水线生产的，而是由一系列的酶在细胞中“纯手工”打造的。

假设这个肽链由5个肽键组成，那么就会有5种酶来合作，每一种酶只负责一个肽键的合成。它们就像是现代商品社会中坚守初心的“手艺人”。

正如现在许多商品宣传“纯手工制作”就会卖得很贵一样，这些纯手工制作的肽类物质往往具有非常奇特的生物活性。

许多重要的药物，例如抗生素和抗癌药物，都源自这类非核糖体合成的肽类物质。

德国马克斯·普朗克陆地微生物学研究所的 Helge Bode 研究团队在实验室中利用这些酶系统进行靶向药物生产。

他们遇到的问题是：这些酶的性格比较倔强，每个酶都只会特定地合成某一个特定的肽键，这就使提升产品性能以及增加可选择性变得很困难。

想要解决这个问题，必须修改部分酶，从而修改整个酶复合物的功能特性，产生具有新特性的产品。

想要修改酶的同时还要几个酶之间的配合不出问题，这就好比把智能锁密码改掉并且不通知舍友，指望他能够自己猜中一样。

在通过生物信息学方法分析了数万种酶，然后将分析结果与实验室实验相结合后，这一看似不可能的任务居然被科学家完成了。

该团队找到了一个新的“融合点”，各个酶之间在这个位点上有着最高的默契。只要这一点不动，酶之间就能理解彼此的意图，因此对酶进行修改也不会出太大问题。

在它的帮助下，甚至可以组合来自完全不同的生物体（例如细菌和真菌）的序列。

研究人员随后在医学背景下进行了测试：他们用这种方法，构建了一种新的具有药理活性的肽。这项基础广泛的研究显示了天然细菌物质作为新药基础的巨大潜力。

图1 细菌天然产物可用于生产新的活性成分并对其进行优化 （图片来源：bionity.com）

课代表总结：就是说，细菌里的酶也会把钥匙藏在门垫下面吧？

参考文献

Kenan A. J. Bozhüyük et al. ,Evolution-inspired engineering of nonribosomal peptide synthetases.Science383,eadg4320(2024).DOI:10.1126/science.adg4320

能够自我更新的涂料，还能除室内甲醛

一般来说，美丽的白色墙漆不会永远保持美丽和白色，但这不完全是坏事。白漆变黑是因为它吸收了空气中的污染物，从而变得灰暗。

但是这种净化效果是不可持续的，一旦墙漆表面吸附满了污染物，它本身就会变成污染源，不但不能继续净化，反而会让空气变得更糟糕。

近日，来自奥地利维也纳工业大学的 Günther Rupprechter 研究团队在《美国化学学会·催化》杂志上发表文章，报道了他们对于这一问题的解决方案：一种能够自我清洁的新型墙漆。

而这种墙漆的秘密，就是二氧化钛。

二氧化钛是一种光催化剂——一种在适当的光线下能够发生化学反应的材料。紫外线辐射在二氧化钛颗粒中产生自由电荷载体，从而导致墙上捕获的污染物分解并释放出来。

这样，污染物就会变得无害，而且不会永久附着在墙漆上，墙壁颜色长期保持稳定。

然而在实践中，我们不可能在自己家里开一盏紫外线灯，所以单独用二氧化钛肯定是不足以解决问题的。除此之外，二氧化钛还会破坏油漆的稳定性，产生裂纹。

为了解决这一问题，研究团队尝试破解二氧化钛的催化机理，并尝试向二氧化钛纳米颗粒中引入一些额外的磷、氮和碳原子，改变了颗粒的光化学性质。

这样一来，颗粒可以收集的光频率发生变化，除了紫外线之外，普通可见光也可以触发光催化，这样一来，污染物清除的效率就大大提升了。

实验表明，添加了改良二氧化钛颗粒的墙漆对甲醛、烹饪污染物、卫生用品残留的去除率达到了96%。

用于二氧化钛纳米粒子的钛是从金属废料中获得的，而额外添加的磷、氮和碳原子是从普通的树叶中获得的，这极大地降低了这种墙漆的生产成本。

进一步的实验正在进行中，以便将这种墙漆商业化。

图2 新型涂料的取材来自植物和垃圾 

（图片来源：参考文献）

课代表总结：要是涂在衣服上，是不是就不用洗衣服了？（误）

参考文献

Qaisar Maqbool et al. Highly Stable Self-Cleaning Paints Based on Waste-Valorized PNC-Doped TiO2 Nanoparticles. ACS Catalysis 0, 14. DOI: 10.1021/acscatal.3c06203

世界首例人类活体移植猪肾脏手术成功

每年，等待肾移植的病人有几十万例之多，但器官捐献率低，再加上配型成功率差，所以大部分患者都在等待过程中死去。

近日，《自然》杂志报道了世界首例将猪肾脏移植给活体人类受体的手术，该手术在美国马萨诸塞州获得成功。

这让研究人员对涉及猪器官的更大规模临床试验充满了希望。

猪肾的接受者是一位患有终末期肾衰竭的62岁男子，名叫理查德·斯莱曼(Richard Slayman)。据他的移植外科医生称，他在 3 月 16 日接受手术后恢复良好。

我们知道，人类的免疫系统是阻碍器官移植的主要因素。免疫系统的职责是清除异己，不但杀死病原体，顺带也会杀死移植进来的器官。

连人和人之间的免疫配型成功都很困难，科学家又是如何克服猪和人的差别的呢？

原来，这肾脏的主人可不是随随便便的一头猪。

科学家不断地向这头猪体内引入基因编辑，使得这头猪的基因里携带上人类细胞的信息，让猪细胞“伪装”成人类细胞，从而逃脱免疫系统的攻击。

具体来说，删除了有助于在猪细胞表面产生三种糖的三个基因。人类免疫系统会攻击携带这三种糖的细胞，将其视为外来入侵者的标志。

另外，添加了七个基因，因为它们产生有助于防止器官排斥的人类蛋白质。

除此之外，还进行了 59 项基因改变，以灭活猪基因组中嵌入的病毒。这些变化解决了病毒一旦进入人体就会变得活跃的风险。

在把这种含有69项基因编辑的肾脏移植给人类之前，科学家先将它移植给了猴子进行试验，发现移植后的猴子能够维持存活数年。

于是，在征得美国食品药品管理局的批准后，在3月16日，医生们为候选患者进行了肾脏移植手术。

为斯莱曼移植猪肾的手术花了四个小时。在手术之前，研究人员收集并冷冻了斯莱曼、他的家人和外科医生的血液样本。如果斯莱曼出现感染，研究人员可以测试这些血液样本，以确定它们是否是病原体的来源。

在移植前，病人的肌酐水平为每分升 10 毫克，但到第四天已降至 2.4，接近1.5的正常范围。

病人已于近日出院，他正在接受免疫抑制药物治疗，到目前为止还没有出现器官排斥的迹象。

图3  一颗猪肾被拆开包装，准备移植到病人体内

（图片来源：马萨诸塞州总医院）

课代表总结：老板，再烤三串猪腰子！

参考文献

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00879-y

气候变暖正在影响地球“闰秒”节奏

气候环境变化深刻地影响着地球的方方面面，也在影响着人类的生活。但是，气候变暖对地球影响的深刻性，可能连我们自己都无法预见到。

近日，法国国际计量局时间部成员Patrizia Tavella在《自然》杂志中发表了他们的最新研究成果：气候变暖正在改变地球的自转速度。

地球的转速决定了一天的时间长短。对于大多数人来说，一天有86400秒就已经足够精确了；但是对于制导、航空、股票交易来说，仅仅精确到秒是不够的。

因此，科学家需要能够更加精确地测量地球自转的速度，如果地球自转减慢了，那么就需要在某一时刻加入额外的“闰秒”来平衡掉由于自转减慢而多出来的时间。

同样地，如果地球转速增加了，那么需要在某一时刻“删除”一秒，让我们的时间追上地球的自转。

从长远来看，地球的自转速度在逐渐变慢。这也是人们引入闰秒概念的主要动因。

但根据2020年前后的研究发现，地球内部的液态核心转速正在减慢。根据角动量守恒定律，内部减速，就会导致外壳加速，因此在这几十年来，地球的自转一直都在加速。

因此科学家一直在讨论需不需要在2026年的某一天“删除”一秒来对齐这种加速。

然而经过观测发现，地球自转加速的程度，比理论计算的预测值要小一些，现在看起来似乎已经不需要删除这一秒了。

为什么地球的加速自转会莫名其妙地被遏制呢？经过重新衡量变量和计算之后，研究者找到了一条线索：南北两极融化的冰水涌入海洋，遏制了地球自转的加速。

还是根据角动量守恒定律，当地球两极的水进入赤道附近时，地球的转速就会下降。

这就好比花样滑冰运动员在冰上转圈圈，如果把手从头顶放下来，旋转就会变慢一样。

人类活动会导致地球的自转发生变化，不知是该为人类的无所不能而感到欢呼，还是该为人类对自然界的深刻影响感到不安。

但科学家认为，两极冰融化导致的减速不会从本质上改变目前地球自转正在加速的事实。

图4  2023年 8 月 12 日，格陵兰斯科斯比峡湾冰雪融化（图片来源：crossroads.com）

课代表总结：闰秒可以多睡一秒钟，删秒不就要少睡一秒了？差评！

参考文献

Agnew, D.C. A global timekeeping problem postponed by global warming. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07170-0

科学家破译甘蔗基因组信息

很多人想不到，世界上产量最大的农作物，不是水稻、小麦，也不是玉米、土豆，而是甘蔗。

甘蔗虽然不能当粮食吃，但它可以用来生产糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等产品。

但一直以来，科学家对甘蔗的基因组却所知甚少。

近日，由美国能源部联合基因组研究所牵头的甘蔗基因组破译项目完成，研究成果发表在《自然》杂志上，科学界才得以一睹为快。

人类的基因组早在20年前就已经破解了，为什么甘蔗的基因组直到现在才破译成功呢？

因为，甘蔗的基因组非常复杂。

每个正常人，都有着46条染色体；对于大多数物种来说，染色体的数量都是固定的。但是甘蔗有多少染色体呢？不知道，“大概”100条吧。

是的，甘蔗的染色体数比较佛系，最少可以有50条左右，最多可以有114条。仅凭这一点，足以让大多数研究者掀桌子了：“这还咋玩啊？”

另外，甘蔗有这么多染色体的原因，是因为它在历史上经历了许多次染色体加倍的历程，体内含有很多套重复的基因组。为什么这会增加测序的困难呢？

因为测序时，我们需要把基因组全部打碎成小碎片，一片一片测好之后，再重新拼起来。

玩拼图的时候大家都有体会，如果碎片们长得很相像，那么拼图的难度会大大增加。

之前我国测序成功的小麦，体内含有六套重复基因组，已经需要研究人员刻苦攻关了。而甘蔗是十倍体，体内含有十套非常相似的基因组，这简直是地狱难度。

相比之下，人类的基因组只有30亿个碱基对，而且很少有大段的重复；甘蔗基因组有100亿个碱基对，还含有10套重复内容。

因此，在很长一段时间内，科学家都认为解读甘蔗基因组是不可能的事。

研究人员通过结合多种基因测序技术解决了这个难题，其中包括一种新开发的 PacBio HiFi 测序方法，该方法可以准确确定较长 DNA 片段的序列。

另外，科学家还偷偷参考了甘蔗的“亲戚们”的基因组，看看它们的基因组是怎么拼的，并以此为参照来尝试拼接甘蔗基因组。

这是人类迄今为止完成的最复杂的基因组序列。现在人们能够实现我们认为在植物基因组学中不可能实现的目标。

图5 甘蔗染色体（图中最宽处）与高粱染色体对比图 

（图片来源：nature.com）

课代表总结：这就去买一根！

参考文献

Healey, A.L., Garsmeur, O., Lovell, J.T. et al. The complex polyploid genome architecture of sugarcane. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07231-4

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