导读
在人类繁衍至今的地球上，大多数物种正遭受着气候变化的影响 。微生物支持所有高等营 养生 命形式的存在。为了 了解地球上的人类和其他生命形式（包括那些我们尚未发现的）如何能够抵御人为的气候变化--重要的是纳入对微生物的了解。我们不仅应该了解微生物如何影响气候变化（包括温室气体的生产和消耗），还应该
核心作用以及其在全球范围内的重要性。它提醒人们 ，气候变化的影响将在很大程度上取决于微生物的 响应，而微生物的响应对于实现环境可持续发展的未来至关重要。
论文ID
原名： Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change
译名： 科学家对人类的警告：微生物与气候变化
期刊： Nature Reviews Microbiology
IF： 34.648
DOI：
发表时间： 2019年
通信作者： Ricardo Cavicchioli
通信作者单位： 新南威尔士大学（The University of New South Wales）
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综述内容
2 海洋生物群
海洋生物占地球表面的70%，从沿海河口，红树林和珊瑚礁到公海（图1）。 温度 上升不仅会影响 生物过程 ，还会降低水的密度，导致分层和环流现象的发生，从而影响生物的扩散以及营养物质的运输。 降水，盐度和风也影响分层 ，混合以及环流。来自空气、河流和河口流动的养分输入同样会对微生物的组成和功能造成影响，而气候变化会影响所有这些物理因素。
海洋环境中除了数量庞大的海洋微生物外，还发挥着重要的生态系统功能。海洋微生物通过碳和氮的固定，使有机物矿化，形成海洋食物网以及全球碳和氮循环的基础。颗粒有机物中碳的沉积以及其固定到海洋沉积物中过程是大气中螯合CO 2 的关键长期机制。因此，通过矿化和海底储藏碳氮的释放之间的平衡决定了气候变化。除了变暖（由于大气中CO 2 浓度的增加，增强了温室效应），海洋环境自工业化前以来酸化了约0.1个pH单位，预计到本世纪末还会进一步减少0.3-0.4个单位。因此有必要了解海洋生物将做出何种响应。 温室气体浓度升高对海洋温度，酸化，分层，混合，温盐环流，养分供应，辐射和极端天气事件的影响会对海洋微生物菌群产生重大环境影响，这些影响包括生产力，海洋食物网，海底碳排放和固定等方面。
2.1 微生物影响气候变化
海洋浮游植物只占全球植物生物量的1%，但却完成了全球一半的光合作用（CO2 的固定以及OO 2 的产生）。与陆生植物相比，海洋浮游植物分布范围更广，受季节变化的影响较小，周转率更快。因此，浮游植物在全球范围内对气候变化反应迅速。太阳辐射、温度和淡水向地表水输入的增加加强了海洋分层，从而减少了营养物质从深水到地表水的输送，降低了初级生产力。相反，CO 2 含量的升高，在营养成分不受限制的情况下，可以增加浮游植物的初级生产力。一些研究表明，在过去的一个世纪里，全球海洋浮游植物的总体密度有所下降，但由于数据获得的有限性、分析方法的差异等多方面原因，这些结论需要进一步考证。也有研究发现全球海洋浮游植物产量增加以及特定区域或特定浮游植物群的变化。全球海水冰面积的下降，导致更高的光渗透率和潜在的更多初级生产；然而，对于可变混合模式、养分供给变化以及极地地区的生产力趋势影响的预测效应相存在矛盾的现象。这强调了收集关于浮游植物生产和微生物群落组成的 长期数据 的必要性。
除了海洋浮游植物对CO 2 固定的贡献外，化学自养古菌和细菌同样可以在深水黑暗条件下以及极地冬季期间在表层进行CO 2 的固定。海底产甲烷菌和甲烷氧化菌是CH 4 的重要生产者和消费者，但它们对这种温室气体大气通量的影响尚不确定。海洋病毒、嗜细菌细菌以及真核食草动物也是微生物食物网的重要组成部分。气候变化对捕食者-被捕食者的相互作用的影响，包括病毒-宿主的相互作用，可以影响全球生物地球化学循环。
气溶胶影响云的形成，从而影响阳光照射和降水，但它们影响气候的程度和方式仍不确定。海洋气溶胶由海盐、非海盐硫酸盐和有机分子的复杂混合物组成，可以作为云凝结的核，影响辐射平衡，从而影响气候。了解海洋浮游植物对气溶胶的贡献方式，可以更好地预测不断变化的海洋环境将如何影响云层和对气候的反馈。此外，大气本身含有大约10 22 个微生物细胞，确定大气微生物生长和形成聚集体的能力对于评估它们对气候的影响具有重要价值。
植物生长的沿海生境对于碳的固定具有十分重要的意义，人类活动，包括人为的气候变化，在过去的50年里使这些栖息地减少了25-50%，海洋捕食者的数量减少了高达90%。基于微生物活动决定了有多少碳被再矿化并释放为CO2 和CHCH 4 ，同时考虑到如此广泛的环境扰动，因此这些扰动对微生物群落的影响同样需要进一步评估。
2.2 气候变化对微生物的影响
气候变化扰乱了物种之间的相互作用，迫使物种适应、迁移或被其他物种取代或灭绝。 海洋变暖、酸化、富营养化和过度使用（例如捕鱼、 旅游 ）共同导致珊瑚礁的衰退，并可能导致生态系统的改变 。一般来说，微生物比宏观生物更容易分散。然而，许多微生物物种存在生物地理差异，扩散、生活方式和环境因素强烈影响群落组成和功能。海洋酸化使海洋微生物的pH条件远远超出其 历史 范围，从而影响到其胞内pH水平。不善于调节体内pH值的物种会受到更大的影响，许多环境和生理因素影响微生物在其本土环境中的反应和整体竞争力。例如， 温度 升高会 增加 真核浮游植物的蛋白质合成 ，同时 降低细胞核糖体浓度 。由于真核浮游植物的生物量为~1 Gt C，核糖体富含磷酸盐，气候变化引起的氮磷比的改变将影响全球海洋的资源分配。海洋变暖被认为有利于较小的浮游生物而不是较大的浮游生物，改变了生物地球化学通量。 海洋温度升高、酸化和营养供应减少预计将增加浮游植物细胞外溶解有机质的释放，微生物食物网络的变化可能导致微生物产量增加，而牺牲更高的营养水平 。温度升高还可以缓解铁对固氮蓝藻的限制，对未来变暖海洋的食物网提供的新氮来源具有潜在的深远影响。需要认真注意如何量化和解释环境微生物对生态系统变化和与气候变化相关的压力的响应。因此，关键问题仍然是关于菌群转移的功能后果，例如碳再矿化与碳固存的变化，以及与养分循环之间的关系。
3 陆生生物
陆地生物量是海洋生物量的100倍，其中陆地植物约占全球一半的净初级生产力。土壤储存了约2万亿吨的有机碳，其数量远高于大气和植被中碳的总和。陆地环境中的微生物总数与海洋环境中的总数相似。土壤微生物调节储藏在土壤中以及释放到大气中的有机碳的数量，并通过提供调节生产力的多种营养元素间接地影响植物和土壤中的碳储存。
植物通过光合作用吸收大气中的CO 2 ，并产生有机质；相反，植物的自养呼吸和微生物的异养呼吸将CO 2 释放回大气中。温度影响这些过程之间的动态平衡，从而影响陆地生物圈捕获、储存人为碳排放的能力（图1）。而气候变暖可能加速碳的排放。森林覆盖陆地面积的30%，占陆地初级生产力的50%，对人为排放的CO 2 的固存率高达25%。永久冻土中的有机物质中碳的积累远超过呼吸所损失的，创造了最大的陆地碳汇。但由于气候变暖预计将使永久冻土减少28-53%，从而使大型碳库可用于微生物呼吸以及温室气体排放。
通过对表层土壤（10cm）和以及深层土壤（100cm）剖面进行对比评估发现，气候变暖会增加碳向大气中的排放。有关不同土壤地点之间碳损失的差异的进一步解释需要更多的预测变量。然而，来自全球对变暖反应的评估的预测表明，气候变暖条件下，陆地碳损失产生了积极的反馈，加速了气候变化的速度，特别是在寒冷和温带地区（这些地区储存全球大部分土壤碳）。
3.1 微生物对气候变化的影响
CO 2 含量的升高，提高了初级生产力，增加了植物凋落物含量，促进了微生物对凋落物的分解从而导致更高的碳排放。温度的影响不仅是微生物反应速率的动力学效应，也是植物输入刺激微生物生长的结果。一些固有的环境因素（如微生物群落组成、枯木密度、氮素可获得性和水分）影响微生物活动，这就需要通过地球系统模型对气候变暖所造成的土壤碳损失进行预测，以纳入对生态系统过程的控制。在这方面，植物养分的可获得性影响森林的净碳平衡，营养贫乏的森林比营养丰富的森林释放更多的碳。植物将约50%的固定的碳释放到土壤中，供微生物生长。分泌物除了被微生物利用作为能源外，还可以破坏矿物-有机体的结合，从微生物呼吸利用的矿物中释放出有机化合物，增加碳排放。这些植物-矿物质相互作用的相关性说明了在评估气候变化的影响时，除了生物相互作用（植物-微生物）之外，生物-非生物相互作用的重要性。
土壤有机质用于微生物降解还是长期储存取决于许多环境因素，包括土壤矿物特征、酸度、氧化还原状态、水的有效性、气候等方面。有机物的性质，特别是基质的复杂性，同样会影响微生物的分解。此外，不同土壤类型中微生物获取有机质的能力具有差异性。如果将可获得性考虑在内，预计大气中CO 2 含量的增加将促进微生物的分解能力，这会使得土壤中有机碳的留存量降低。升高的CO 2 浓度增强了植物和微生物之间对氮的竞争。食草动物会影响土壤中的有机质含量，从而影响微生物的生物量和活性。气候变化可以减少食草动物，导致全球氮和碳循环的总体变化，从而减少陆地碳的固定。有害动物（例如蚯蚓）通过间接影响植物（例如，增加土壤肥力）和土壤微生物来影响温室气体排放。蚯蚓肠道中的厌氧环境含有执行反硝化并产生NO2 的微生物。蚯蚓提高了土壤肥力，它们的存在可以导致温室气体净排放，尽管温度升高和降雨量减少对有害生物摄食和微生物呼吸的综合影响可能会减少排放。
在泥炭地，抗腐烂的枯枝落叶等会抑制微生物分解，同时水饱和度限制了氧的交换，促进了厌氧菌的生长以及CO2 和CHCH 4 的释放。植物凋落物组成和相关微生物过程的变化（例如，减少对氮的固定化和增强的异养呼吸）正在将泥炭地从碳汇转变为碳源。永久冻土的融化使得微生物可以分解先前冻结的碳，释放CO2 和CHCH 4 。永久冻土的融化导致了水饱和土壤的增加，这促进了产甲烷菌和一系列微生物产生CH 4 和CO 2 。据预测，到本世纪末，缺氧环境的碳排放将比好氧环境的排放在更大程度上驱动气候变化。
3.2 气候变化对微生物的影响
气候的改变可以直接（例如季节性和温度）或间接（例如植物组成、植物凋落物和根系分泌物）影响微生物群落的结构和多样性。土壤微生物多样性影响植物多样性，对包括碳循环在内的生态系统功能很重要。短期实验室模拟变暖以及长期（50多年）自然地热变暖最初都促进了土壤微生物的生长和呼吸，导致CO 2 净释放，随着基质的耗尽，导致生物量减少，微生物活性降低。这意味着微生物群落不容易适应高温，由此产生的对反应速率和底物损耗的影响减少了碳的整体损耗。相比之下，一项长达10年的研究发现，土壤群落能够通过改变基质使用的模式以适应升高的温度，从而减少碳的损失。在年平均温度范围超过20 C的森林土壤中也发现了细菌和真菌群落的实质性变化。
微生物生长对温度的响应是复杂多变的。微生物生长效率是衡量微生物如何有效地将有机物转化为生物量的指标，效率较低意味着更多的碳被释放到大气中。一项为期一周的实验室研究发现，温度升高导致微生物周转率增加，但微生物生长效率没有变化，同时该研究预测，气候变暖将促进土壤中的碳积累。一项长达18年的实地研究发现，土壤温度越高，微生物的效率就会降低，在这段时间结束时，不易分解的底物的分解会增加，同时土壤碳的净损失也会增加。
气候变化通过温度、降水、土壤性质和植物输入等几个相互关联的因素直接或间接地影响微生物群落及其功能。由于沙漠中的土壤微生物受到碳的限制，植物增加的碳输入促进了含氮化合物的转化，微生物生物量，多样性，酶活性以及对复杂有机物的利用。虽然这些变化可能会增强呼吸作用和土壤中碳的净损失，但干旱和半干旱地区具有的特点可能意味着它们可以起到碳汇的作用。为了更好地了解地上植物生物量对CO 2 水平和季节性降水的响应，我们仍需增加对微生物群落响应以及功能的了解。
气候变化同样也使湖泊、海水等环境中富营养化的频率、强度和持续时间增加。水华蓝藻能够产生各种神经毒素、肝毒素和皮毒素，危害鸟类和哺乳动物的 健康 。有毒蓝藻目前已造成了包括中国太湖在内的全世界多个地区严重的水质问题。气候变化直接和间接地有利于蓝藻的生长，许多形成水华的蓝藻可以在相对较高的温度下生长。与此同时，湖泊和水库热分层的增加使浮力蓝藻能够向上漂浮并形成密集的表面水华，这使它们能够更好地获得光，更加具有选择性优势。目前实验室和原位实验都证明了有害的蓝藻 Microcystis 属具有适应高CO 2 的能力。因此，气候变化和CO 2 含量的增加预计会影响蓝藻水华的菌株组成。
4 农业
根据世界银行表明（世界银行关于农业用地的数据），近40%的陆地环境专门用于农业。这一比例在未来预计有可能增加，这将导致土壤中碳、氮和磷以及其他养分的循环发生重大变化。此外，这些变化与生物多样性的丧失息息相关。增加对使用植物和动物相关的微生物的了解，以提高农业可持续性发展，减轻气候变化对粮食生产的影响，但这样做需要更好地了解微生物对气候变化的响应。
4.1 微生物对气候变化的影响
甲烷菌在自然和人工厌氧环境中产生甲烷，此外还有与化石燃料相关的人为甲烷的排放（图2）。近年来（2014-2017）大气CH 4 水平显著升高，但其背后的原因尚不清楚。尽管 水稻 仅覆盖了10%的可用耕地，但却养活了全球一半的人口，同样，稻田也贡献了农业20%的CH 4 排放的。据预测，到本世纪末，人为气候变化将使水稻生产产生的CH 4 排放量翻一番。 反刍动物 是人为CH 4 排放的最大单一来源，反刍动物肉类生产所产生的碳排放比植物高蛋白食物生产的碳排放高19-48倍；即使是非反刍动物肉类生产所产生的CH 4 也比植物高蛋白食物生产的碳排放高出3-10倍。 化石燃料 的燃烧和化肥的使用大大增加了环境中可利用氮含量，扰乱了全球生物地球化学过程，威胁到生态系统的可持续发展。农业是温室气体NO2 的最大排放者，NO2 通过微生物氧化和氮的还原而释放。气候变化扰乱了微生物氮转化（分解、矿化、硝化、反硝化和固定）和N 2 O的释放速率。迫切需要了解气候变化和其他人类活动对氮化合物微生物转化的影响。
4.2 气候变化对微生物的影响
升温和干旱强烈地影响着作物的生长。以真菌为基础的土壤食物网在广泛管理的农业（例如牧场）中很常见，而以细菌为基础的食物网通常出现在集约化系统中，但与后者相比，前者更能适应干旱环境。对全球范围内的表层土进行评估发现， 土壤真菌和细菌占据了特定的生态位，并且对降水和土壤pH的响应不同，这表明气候变化将对它们的丰度、多样性和功能产生不同的影响 。预计由于气候变化而增加的干旱会导致全球旱地中细菌和真菌的多样性和丰度的减少，这种减少将进一步降低微生物群落的整体功能，从而限制了它们支持植物生长的能力。
气候变化和富营养化（由于化肥的施用）对微生物竞争力的综合影响存在不可预测的影响。例如，营养丰富通常有利于有害的藻类繁殖，但在相对较深的Zurich湖中观察到了不同的结果。
5 感染性疾病
气候变化影响着海洋和陆地生物群中疾病的发生和传播（图3），这取决于不同的 社会 经济、环境和宿主病原体特有的因素。了解疾病的传播和设计有效的控制策略需要充分了解病原体、及其传播媒介和宿主的生态学，以及扩散和环境因素（表1）。例如，海洋酸化还可能直接导致鱼类等有机体的组织损伤，潜在地导致免疫系统减弱，从而创造细菌入侵的机会。对于农作物来说，当人们考虑对病原体的响应时，包括CO 2 水平、气候变化、植物与病原体的相互作用在内的不同相互作用的因素都是重要的。不同的的微生物能够引起不同的植物疾病，进而影响作物生产，导致饥荒，并威胁粮食安全。病原体的传播和疾病的出现是通过物种的运输和引进来促进的，并受天气对扩散的影响和生长环境条件的影响。
表1 病原体对气候和环境因素的传播响应。
气候变化可以通过改变宿主和寄生虫的适应来增加疾病风险。对于外温动物（如两栖动物），温度可以通过扰乱免疫反应，从而增加感染的易感性。每月和每天不可预测的环境温度波动增加了古巴树蛙对病原菊苣真菌 Batrachochytrium dendrobatidis 的敏感性。温度升高对感染的影响与真菌在纯培养中生长能力下降形成对比，说明在评估气候变化的相关性时，更应该注重于评估宿主-病原体的反应（而不是从分离微生物的生长速率研究中推断）。气候变化预计会增加一些人类病原体对抗生素的耐药率。2013-2015年的数据表明，日最低温度提高10 C，将导致 Escherichia coli ， Klebsiella pneumoniae 以及 Staphylococcus aureus 的抗生素耐药率增加2-4%。潜在的潜在机制包括：高温促进抗药性可遗传因子的水平基因转移，以及提高病原体生长率，促进环境的持久性、携带和传播等。
食源性、气源性、水源性和其他环境病原体可能易受气候变化的影响（表1）。对于媒介传播的疾病，气候变化将影响媒介的分布，从而影响疾病传播的范围，以及媒介传播病原体的效率。许多传染病，包括几种媒介传播疾病和水传播疾病，都受到大规模气候现象（如ENSO）造成的气候变化的强烈影响，这种现象每隔几年就会破坏全球约三分之二地区的正常降雨模式和温度变化。据报道，与ENSO有关的疾病有疟疾、登革热、齐卡病毒病、霍乱、鼠疫、非洲马病和许多其他重要的人类和动物性疾病。
尽管已经在自然和实验室条件下，微生物种群的适应机制已有研究，但与动物（包括人类）和植物相比，微生物物种适应当地环境的研究较少。与植物和动物相关的病毒、细菌和真菌病原体以影响生态系统功能、影响人类 健康 和粮食安全的方式适应非生物和生物因素。病原农业真菌的适应模式很好地说明了微生物活动与人类活动之间的循环反馈。“农业适应”病原体引起流行病的可能性比自然产生的菌株更高，这会对作物生产构成更大的威胁。真菌病原体通过进化以适应更高的温度来增强它们入侵新的栖息地的能力，这使真菌病原体对自然和农业生态系统构成的威胁更加复杂。
6 微生物减缓气候变化
增加对微生物相互作用的了解将有助于设计缓解和控制气候变化及其影响的措施。例如，了解蚊子如何对Wolbachia细菌（节肢动物的一种常见共生体）作出反应，通过将Wolbachia引入埃及伊蚊种群并将其释放到环境中，从而减少了寨卡病毒、登革热和基孔肯雅病毒的传播。在农业方面，了解将NO2 还原为无害N 2 的微生物的生态生理学的进展为减少排放提供了选择。生物炭是广泛和间接减轻气候变化微生物影响的农业解决方案的一个例子。生物炭是通过限制氧条件下生物质的热化学转化而产生的，其可以通过减少微生物矿化和减少根系分泌物对矿物释放有机物的影响，从而促进植物的生长，减少碳的释放，从而改善有机质的存留。
微生物生物技术可以为可持续发展提供解决方案，微生物技术同样为实现联合国17个可持续发展目标中的许多目标提供了实用的解决方案（化学品、材料、能源和补救措施），解决贫困、饥饿、 健康 、清洁水、清洁能源、经济增长、产业创新、可持续发展等问题。毫无疑问，通过提高公众对全球变暖中微生物的主要作用的认识，即通过实现 社会 的微生物学素养，无疑会促进对此类行动的支持。
7 总结
微生物对固碳做出了重大贡献，特别是海洋浮游植物，它们固定的净CO 2 与陆地植物一样多。因此，影响海洋微生物光合作用和随后在深水中储存固定碳的环境变化对全球碳循环具有重要意义。微生物还通过异养呼吸（CO 2 ）、产甲烷（CH 4 ）和反硝化（N 2 O）等作用对温室气体排放做出重大贡献。许多因素影响微生物温室气体捕获与排放的平衡，包括生物群落、当地环境、食物网的相互作用和反应，特别是人为气候变化和其他人类活动。 直接影响微生物的人类活动包括温室气体排放、污染、农业活动以及人口增长，这些活动促进了气候变化、污染、农业活动以及疾病传播 。人类活动改变了碳固定与释放的比率，将加速气候变化的速度。相比之下，微生物也提供了重要的机会，可以通过改善农业、生产生物燃料和修复污染来补救人为问题。
为了理解可控范围内小规模相互作用的微生物多样性和活动如何转化为大系统通量，重要的是将研究结果从个体扩展到群落，再到整个生态系统。为了了解世界各地不同地点的生物地球化学循环和气候变化反馈，我们需要关于推动物质循环的生物（包括人类、植物和微生物）以及调节这些生物活动的环境条件（包括气候、土壤理化特性、地形、海洋温度、光和混合）的定量信息。
现存的生命经过了数十亿年的进化，产生了巨大的生物多样性，而微生物多样性与宏观生命相比实际上是无限的。 由于人类活动的影响，宏观生物的生物多样性正在迅速下降 ，这表明动植物物种的宿主特异性微生物的生物多样性也将减少。然而，与宏观生物相比，人类 对微生物与人为气候变化之间的联系所知甚少 。我们可以认识到微生物对气候变化的影响，以及气候变化对微生物的影响，但我们对生态系统的了解并不全面，因此，在解释人为气候变化对生物系统造成的影响方面仍存在挑战。由于人类的活动，正导致气候变化，这对全球生态系统的正常行驶功能造成影响。在海洋和陆地生物群落中，微生物驱动的温室气体排放的增加，并积极地反馈给气候变化。忽视微生物群落对气候变化的作用、影响和反馈反应可能导致会导致对人类的发展造成威胁。目前迫切需要立即、持续和协调一致的努力，明确将微生物纳入研究、技术开发以及政策和管理决策当中。
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在一项新的研究中，来自美国普林斯顿大学的研究人员惊奇地发现，他们以为是对癌症如何在体内扩散---癌症转移---的直接调查却发现了液-液相分离的证据：这个生物学研究的新领域研究生物物质的液体团块如何相互融合，类似于在熔岩灯或液态水银中看到的运动。相关研究结果作为封面文章发表在2021年3月的Nature Cell Biology期刊上，论文标题为“TGF-β-induced DACT1 biomolecular condensates repress Wnt signalling to promote bone metastasis”。
论文通讯作者、普林斯顿大学分子生物学教授Yibin Kang说，“我们相信这是首次发现相分离与癌症转移有关。”
他们的研究不仅将相分离与癌症研究联系在一起，而且融合后的液体团块产生了比它们的部分之和更多的东西，自组装成一种以前未知的细胞器（本质上是细胞的一个器官）。
Kang说，发现一种新的细胞器是革命性的。他将其比作在太阳系内发现一颗新的星球。“有些细胞器我们已经认识了100年或更久，然后突然间，我们发现了一种新的细胞器！”
论文第一作者、Kang实验室博士后研究员Mark Esposito说，这将改变人们对细胞是什么和做什么的一些基本看法，“每个人上学，他们都会学到‘线粒体是细胞的能量工厂’，以及其他一些有关细胞器的知识，但是如今，我们对细胞内部的经典定义，对细胞如何自我组装和控制自己的行为的经典定义开始出现转变。我们的研究标志着在这方面迈出了非常具体的一步。”
这项研究源于普林斯顿大学三位教授实验室的研究人员之间的合作。这三位教授是Kang、Ileana Cristea（分子生物学教授，活体组织质谱学的领先专家）；Cliff Brangwynne（普林斯顿大学生物工程计划主任，生物过程中相分离研究的先驱）。
Kang说，“Ileana是一名生物化学者，Cliff 是一名生物物理学者和工程师，而我是一名癌症生物学家和细胞生物学者。普林斯顿大学刚好是一个让人们联系和合作的美妙地方。我们有一个非常小的校园。所有的科研部门都紧挨着。Ileana实验室实际上与我的实验室在Lewis Thomas的同一层楼! 这些非常紧密的关系存在于非常不同的研究领域之间，让我们能够从很多不同的角度引入技术，让我们能够突破性地理解癌症的代谢机制--它的进展、转移和免疫反应--也能想出新的方法来靶向它。”
这项最新的突破性研究，以这种尚未命名的细胞器为特色，为Wnt信号通路的作用增加了新的理解。Wnt通路的发现导致普林斯顿大学分子生物学教授Eric Wieschaus于1995年获得诺贝尔奖。Wnt通路对无数有机体的胚胎发育至关重要，从微小的无脊椎动物昆虫到人类。Wieschaus已发现，癌症可以利用这个通路，从本质上破坏了它的能力，使其以胚胎必须的速度生长，从而使肿瘤生长。
随后的研究揭示，Wnt信号通路在 健康 的骨骼生长以及癌症转移到骨骼的过程中发挥着多重作用。Kang和他的同事们在研究Wnt、一种名为TGF-b的信号分子和一个名为DACT1的相对未知的基因之间的复杂相互作用时，他们发现了这种新的细胞器。
Esposito说，把它想象成风暴前的恐慌购物。事实证明，在暴风雪前购买面包和牛奶，或者在大流行病即将到来时囤积洗手液和卫生纸，这不仅仅是人类的特征。它们也发生在细胞水平上。
下面是它的作用机制：惊慌失措的购物者是DACT1，暴风雪（或大流行病）是TGF-ß，面包和洗手液是酪蛋白激酶2（CK2），在暴风雪面前，DACT1尽可能多地抓取它们，而这种新发现的细胞器则把它们囤积起来。通过囤积CK2，购物者阻止了其他人制作三明治和消毒双手，即阻止了Wnt通路的 健康 运行。
通过一系列详细而复杂的实验，这些研究人员拼凑出了整个故事：骨肿瘤最初会诱导Wnt信号，在骨骼中传播（扩散）。然后，骨骼中含量丰富的TGF-b激发了恐慌性购物，抑制了Wnt信号传导。肿瘤随后刺激破骨细胞的生长，擦去旧的骨组织。( 健康 的骨骼是在一个两部分的过程中不断补充的：破骨细胞擦去一层骨，然后破骨细胞用新的材料重建骨骼)。这进一步增加了TGF-b的浓度，促使更多的DACT1囤积和随后的Wnt抑制，这已被证明在进一步转移中很重要。
通过发现DACT1和这种细胞器的作用，Kang和他的团队找到了新的可能的癌症药物靶点。Kang说，“比如，如果我们有办法破坏DACT1复合物，也许肿瘤会扩散，但它永远无法‘长大’成为危及生命的转移瘤。这就是我们的希望。”
Kang和Esposito最近共同创立了KayoThera公司，以他们在Kang实验室的合作为基础，寻求开发治疗晚期或转移性癌症患者的药物。Kang说，“Mark所做的那类基础研究既呈现了突破性的科学发现，也能带来医学上的突破。”
这些研究人员发现，DACT1还发挥着许多他们才开始 探索 的其他作用。Cristea团队的质谱分析揭示了这种神秘细胞器中600多种不同的蛋白。质谱分析可以让科学家们找出在显微镜玻片上成像的几乎任何物质的确切成分。
Esposito说，“这是一个比控制Wnt和TGF-b更动态的信号转导节点。这只是生物学新领域的冰山一角。”
Brangwynne说，相分离和癌症研究之间的桥梁仍处于起步阶段，但它已经显示出巨大的潜力。
他说，“生物分子凝聚物在癌症---它的生物发生，特别是它通过转移进行扩散---中发挥的作用仍然不甚了解。这项研究为癌症信号转导通路和凝聚物生物物理学之间的相互作用提供了新的见解，它将开辟新的治疗途径。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料： 1.Mark Esposito et al. TGF-β-induced DACT1 biomolecular condensates repress Wnt signalling to promote bone metastasis. Nature Cell Biology, 2021, doi:10.1038/s41556-021-00641-w. 2.Kiran D. Patel et al. Condensing and constraining WNT by TGF-β. Nature Cell Biology, 2021, doi:10.1038/s41556-021-00649-2.
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金属/氧化物界面对于多相催化具有重要意义，因为看似“惰性”的氧化物载体可以通过界面调节金属催化剂的形貌、原子和电子结构。尽管界面效应在块状氧化物载体上得到了广泛的研究，但对于团簇级纳米系统，仍然缺乏更深入的了解。作者在此证明了由混合 Pd/Bi 2 O 3 簇集合构建的纳米金属/氧化物界面的本征催化作用。该界面可以通过简单的逐步光化学方法制造。作者结合电子显微镜和微量分析阐明了Pd/Bi 2 O 3 簇的杂化结构。其中，Pd-Pd 配位数较小，更重要的是，由于Bi 2 O 3 簇中Bi 端和 Pd 之间的异质接枝，实现了Pd-Bi 空间相关性。纳米金属/氧化物界面与 Pd 之间的簇内电子转移显著削弱了乙烯吸附，且不会影响氢活化。因此，在温度低至 44 C 的加氢过程中，可以实现 91% 的乙烯选择性和 90% 的乙炔转化率。
背景介绍
金属/氧化物界面对多相催化具有重要的基础/实际意义，因为它提出了关于强金属-载体相互作用的基本问题，并在几个催化过程中发挥关键作用。从结构的角度来看，金属/氧化物界面由在化学成分、键合特性、晶格参数以及电气和机械性能方面不同的组分构成，其中粘附结构和化学性质是一个引人注目的研究课题。而从功能的角度来看，金属/氧化物界面处的化学键合和相关的电荷转移可以调节金属的形态、尺寸和电子结构，以优化反应中间体的键合强度从而获得更好的催化性能。在过去的几十年中，在金属/氧化物界面的结构解析和调控方面取得了相当大的进展，这些界面通常采用本体氧化物载体来促进金属的成核、吸附或沉积。此外，纳米金属/氧化物界面，由金属和氧化物簇之间的异质接枝形成，也有希望加强结构和电子效应，以实现更好的催化性能。然而，由于此类杂化簇的化学合成和结构解析面临巨大挑战，因此对纳米金属/氧化物界面的了解有限。
作为经常使用氧化物负载的金属催化剂的代表性反应，乙炔选择性加氢生成乙烯需要在高催化活性和选择性的两个要求之间进行权衡：氢的易活化与乙烯的弱结合。尽管 Pd 基催化剂取得了重大进展，但这两个参数的同时优化仍然具有挑战性，尤其是在 H 2 和 C 2 H 4 大量过量的前端过程中。为了达到这个目标，需要对 Pd 的几何和电子结构进行复杂的调控，这促使人们设计金属/氧化物界面。大多数 Pd/氧化物催化剂，主要为负载 Pd 纳米颗粒或孤立的 Pd 原子。不幸的是，Pd 纳米粒子在低温下可以有效地激活氢气，但它们与乙烯的强结合有利于乙烯连续氢化成乙烷。孤立的 Pd 位点催化剂，包括 Pd 单原子催化剂和 Pd 基金属化合物与乙烯具有弱 π 键，因此在乙炔加氢反应中具有良好的选择性，但它们伴随的氢活化减弱导致需要相对较高的反应温度（> 100 C）才能实现乙炔的高转化率，这可能会导致反应器床的安全问题。将氧化物载体的尺寸减小到纳米团簇尺度将显著改变它们的配位数 (CN)、表面终端和 d 带特征，因此可以通过与 Pd 的强化学和电子相互作用，实现Pd 的尺寸和电子结构调控。其中，由纳米金属/氧化物界面稳定的无配体 Pd 簇有望弥合 Pd 纳米粒子与单原子之间的尺寸和性能差距，并最大限度地发挥界面效应。
图文解析
图 1. Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的微观结构。a 合成过程示意图。b-d Bi 2 O 3 /TiO 2 (b) 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 (c, d) 的STEM 图像。从上到下和从左到右的插图分别是投影结构模型、模拟 ADF-STEM 图像、HRSTEM 图像中圆形区域的 FFT 图案以及模拟 ADF-STEM 图像的 FFT图案。 e Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的元素mapping图像。
图 2. Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的表征。a TiO 2 、Pd/TiO 2 、Bi 2 O 3 /TiO 2 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的 XRD 图； b Pd/TiO 2 、Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和氧化Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 (Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 -ox) 的Pd K-edge EXAFS傅里叶变换光谱；c Bi L 3 -edge EXAFS的傅里叶变换光谱；d Bi 2 O 3 /TiO 2 、Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 -ox 的 Bi L 3 -edge XANES 光谱。Bi 和 Bi 2 O 3 粉末用作参考样品。 e Pd/TiO 2 、Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 -ox 的 Pd K-edge XANES 光谱。钯箔用作参考样品。 f 不同样品的 CO 吸附 FT-IR 光谱。
图 3. Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 在乙炔加氢中的催化性能。a Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 、Pd 0.2 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和PdAg 3 /Al 2 O 3 样品的选择性与乙炔转化率的函数关系。 b 乙炔转化率为 95%时，在不同催化剂上 C 2 H 4 的选择性。 c 乙炔转化率为 90%时，反应温度 (T 90 ) 和C 2 H 4 选择性。 对于 Pd 3.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 ，在室温下很容易发生氢解离。非选择性乙炔加氢的强放热效应，最终导致温度失控，达到 63.5 C。d 在 40 C 下，Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 上的 C 2 H 2 转化率， C 2 H 4 选择性随时间变化曲线。e Pd/TiO 2 、Bi 2 O 3 /TiO 2 和Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的 H 2 -TPR 曲线。f在 Pd/TiO 2 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 上，C 2 H 4 脉冲吸附的微量热研究。
图 4. DFT 计算揭示的反应机理。a 用于 DFT 计算的 Pd 簇结构（Pd：青色，Bi：紫色，O：红色）。b 在 Pd(111) 上，和在 Bi 2 O 3 (100) 上负载的 Pd 8 簇上乙炔加氢生成乙烷的能量分布。 c投射到 Pd(111) 和 Pd 8 簇结构Pd 原子的 d 电子上的态密度。 选择 Pd(111) 的表面 Pd 原子和 Pd 8 簇结构中最活跃的 Pd 原子（C 2 H 4 吸附最强烈）来绘制 DOS。 d 带中心 (ε d ) 的位置用红色方框突出显示。 d C 2 H 4 的 E ads 与 Pd 簇表面不同 Pd 原子的 ε d 的函数关系。 最稳定的吸附结构用实心正方形表示，而其他不太稳定的吸附结构用空心正方形表示。 Pd(111) 的表面 Pd 原子也显示为红色实心方块以供比较。蓝色拟合线表明更小的 ε d 对应于更大的 C 2 H 4 E ads 。
总结与展望
基于上述结果，作者证明了纳米金属/氧化物界面在乙炔选择性加氢中的重要催化作用。Pd-Bi 2 O 3 杂化簇具有小的 Pd-Pd 配位以及簇内电子转移，可以在不影响 H 2 活化活性的情况下实现弱 C 2 H 4 吸附。Pd-Bi 2 O 3 纳米团簇相对于 Pd 单原子和纳米粒子的优异低温催化性能可能为混合纳米团簇的基础研究开辟新的机会。此外，所展示的逐步光化学策略也为制备混合纳米团簇和纳米金属/氧化物界面提供了一条新途径。
江苏激光联盟 导读：来自MIT和滑铁卢大学的研究人员发展了一个高功率、可移动的激光装置，称之为调谐量子级联激光器，这一类型的激光器可以在实验室外产生太赫兹激光。激光可以潜在的应用在诸如皮肤癌定位和探测隐藏的爆炸物 。这一成果发表在近日出版的《Nature》上。
研发的可以产生太赫兹激光的 调谐量子级联激光器
直到今天，产生足够功率的太赫兹激光可以实现 实时的影像和温度在低于200K或更低的温度下的快速的光谱测量 。这些温度只能通过设备整体上的温度下降来实现，从而限制了该技术只适合在实验室使用。在近日出版的顶刊《Nature》中，来自MIT的杰出的电子工程学教授和计算科学教授 Qing Hu 及其同事报道了他们的量子级联激光器，可以实现在为温度高于250K时进行工作，这意味着只需要一个可移动的冷却系统就可以满足。
太赫兹量子级联激光，嵌入微型芯片 半导体激光器件，首次在2002年被发明，但直到该技术可以适应在高于200K时进行工作被证明是非常困难的，因为在这一领域由于物理的原因阻止了这一目标的实现，Hu说到。
在一个比较高的温度进行工作，我们可以最终将这一技术应用在紧凑且可移动的系统中，并在这一领域取得突破，而在实验室外进行应用，Hu说，这将使得可移动的太赫兹影像和光谱系统可以立即在很宽广的范围得到应用，诸如医疗、生物化学、安全以及其他领域。
Hu开始研究太赫兹频率——一种电磁（波）谱在微波和红外范围之间的波段，可以追溯到1991年。
这一研究花了我们11年的时间，并且三代学生的持续努力，使得我们的太赫兹级联激光器在2002年问世，他说到，从此以后，最高的极限工作温度成为限制我们使用太赫兹激光的最大障碍，基本维持在室温以下。在本文中报道的最高温度为250K，被认为是在早先210 K基础上前进了一大步，这一工作温度为210 K的结果在2019年获得的，这一结果是在2012年取得的温度为200K 的基础上前进的，这一进步花了7年。
这一激光，测量长度只有几毫米何厚度比人的头发还要细的目标，
我们理解，在电子泄露的障碍之上对这一激光器来说就是一大杀手，属于量子阱结构且精细定制的工程和障碍。在这些结构内，电子像瀑布一样下降而形成类似台阶的结构，在每一步的台阶发射出一个光粒子或光子。
在期刊《Nature Photonics》中曾经描述了一个非常重要的革新，就是在激光倍增障碍的高度以阻止电子的泄露，这是一种用以在更高温度实现增加的现象。我们理解，在电子泄露的障碍之上，导致系统出问题，如果不能采用低温恒温器进行冷却的话，Hu说到，比较流行的观点就是散射，同时伴随着高的障碍是有损伤的，因此高的障碍需要避免。
研究团队发展了正确的参数用于能带结构，这一结构用于高的障碍和新的设计。
研究团队最大的贡献在于，量子装置的模拟和制造上，使得在THz 光子的挑战上所面临的问题取得了非常重要的进展。
在一个医学设置中，新的可移动激光系统，包括一个紧凑型的相机和探测器，可以在任何有插座的地方进行使用，可以实现常规皮肤的扫描的实时影像或在手术中进行皮肤癌的练习，这些癌细胞在太赫兹激光中表现得非常明显，这是因为他们含有高水和血的浓度比常规得细胞要高。
这一技术同时可以应用在许多工业领域中，只要是需要探测异物的场合均可以使用，且探测的产品需要确保安全和质量的就可以。
探测气体、药物和爆炸物等成为使用太赫兹激光中比较复杂的事情。例如，化合物，如氢氧化物，是一种臭氧破坏剂，在太赫兹激光频率下具有特定的光谱指纹信息，同时对于药物，包括海洛因以及爆炸物等，如TNT。
In a medical setting, the new portable system, which includes a compact camera and detector and can operate anywhere with an electric outlet, could provide real-time imaging during regular skin-cancer screenings or even during surgical procedures to excise skin cancer tissues. The cancer cells show up "very dramatically in terahertz" because they have higher water and blood concentrations than normal cells, Hu says.
The technology could also be applied in many industries where the detection of foreign objects within a product is necessary to assure its safety and quality.
Detection of gases, drugs, and explosives could become especially sophisticated with the use of terahertz radiation. For example, compounds such as hydroxide, an ozone-destruction agent, have a special spectral "fingerprint" within the terahertz frequency rage, as do drugs including methamphetamine and heroin, and explosives including TNT.
利用室温热释电探测器和TH在相机进行TEC冷却的THZ QCL的测量装置
利用太赫兹激光，我们不仅可以观察 光学不透明材料 （黑体材料），还可以识别物质。Hu说到。他同时还说：在不需要冷却系统的前提下也可以产生的太赫兹激光，从而可以清晰的观察到目标
来自：High-power portable terahertz laser systems, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00707-5 ,
