工物系牵头的中国暗物质实验合作组刷新国际暗物质年度调制效应研究灵敏度
生命学院钟毅课题组合作发现长期记忆的动态维持机制
地学系宫鹏研究组发布全球逐年高分辨率不透水面制图产品
环境学院郝吉明、贺克斌与地学系张强课题组合作发文揭示近年来中国空气质量改善的驱动因素
化工系戈钧课题组合作发文报道基于酶催化的细胞内代谢物原位检测新方法
机械系程嘉合作发文报道摩擦纳米发电机用于电辅助细胞打印
生命学院陈柱成课题组在《科学》合作发表长文阐述RSC复合物重塑染色质的机理
工物系牵头的中国暗物质实验合作组
刷新国际暗物质年度调制效应研究灵敏度
11月25日，清华大学工程物理系牵头的中国暗物质实验合作组在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》上在线发表题为《基于点电极高纯锗探测器年度调制效应分析的轻暗物质搜索》的研究论文。论文分析了CDEX-1B实验系统四年多的运行数据，没有测量到暗物质年度调制效应，并对质量小于6千兆电子伏特的轻暗物质给出了暗物质年度调制效应分析的国际最灵敏限制。
众多的天文观测证据显示宇宙中存在大量的暗物质，并且在物质起源和宇宙演化过程中具有十分重要的地位。弱相互作用重粒子是目前最流行的暗物质候选者。近年来，欧洲的DAMA实验组和美国的CoGeNT实验组先后声称在10 GeV附近发现暗物质年度调制信号，与其他实验给出的结果相矛盾，使得轻质量暗物质探测成为当前暗物质研究的热点。
暗物质调制效应是由于地球周期性的公转或自转使得地球在银河系中的速度存在周期性调制效应，从而导致暗物质与探测器相互作用的事例率产生周期性变化，根据调制周期可分为年调制效应和日调制效应。其中，由于地球自转导致的日调制幅度太小，现阶段的实验精度还无法进行探测。年度调制效应分析则要求探测器阈值低、曝光量大，且实验环境特别是本底水平具有足够好的长时间稳定性。
图1 暗物质年度调制效应示意图。左：由于地球公转，暗物质与探测器的相对速度会产生周期性变化，相对速度在6月达到最大，12月达到最小，调制周期为1年。右上：本次分析中的CDEX点电极高纯锗探测器及暗物质直接探测示意图。右下：红线表示6月2日质量为8 GeV的WIMP与探测器靶核发生弹性散射后的核反冲能谱，两者之差为理论上的年度调制幅度谱。
CDEX合作组基于CDEX-1B四年多的实验数据，对其长期稳定性进行研究，并针对两个时间段、不同数据组提出了新的联合分析方法，检验暗物质年度调制效应是否存在以及是否符合理论预期。实验结果没有表现出明显的年度调制效应，进一步排除了DAMA与CoGeNT合作组声称发现的暗物质质量区域，如图2所示。这项工作对质量小于6 GeV的WIMP粒子的年度调制灵敏度限制达到国际最好水平。
图2 上图：CDEX实验数据给出的年度调制幅度，没有表现出明显的年度调制效应；下图：基于年度调制效应分析的自旋无关暗物质排除曲线，排除了DAMA实验组和CoGeNT实验组声称的暗物质区域，并在6 GeV以下给出了国际暗物质年度调制效应研究最灵敏的限制结果。
工程物理系博士后杨丽桃为论文第一作者，工程物理系岳骞研究员和马豪副教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项、国家杰出青年科学基金等项目经费资助，以及清华大学暗物质实验平台和自主科研计划经费支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.221301
生命学院钟毅课题组合作发现
长期记忆的动态维持机制
11月22日，清华大学生命科学学院钟毅课题组在《自然·通讯》在线发表了题为《α2-chimaerin和Rac1活性的相互作用决定了长期记忆的动态维持》的研究论文。本论文在小鼠中首次揭示了Rac1活性依赖的遗忘的可逆性是长期记忆动态维持的基础。这一研究颠覆了人们对于长期记忆在维持阶段的认知，揭示了可逆性遗忘在长期记忆维持中的重要作用，并启发科学家们重新理解遗忘和记忆的本质。
长期记忆的动态维持机制
记忆巩固理论认为，一旦长期记忆的形成完成，长期记忆将保持在稳定强度，无法进一步增强。今日钟毅课题组在小鼠的研究中表明，情境恐惧记忆即使在形成很久之后，也能够被进一步增强。在进一步探索这种出乎意料的记忆增强机制中，研究人员发现，一次足底电刺激的情境恐惧训练同时诱发海马脑区的Rac1的持续激活和α2-chimaerin蛋白的长期合成。Rac1的持续激活介导了可逆性遗忘。而α2-chimaerin作为记忆维持分子，通过在维持阶段抑制Rac1活性，进而维持记忆在中间水平 。通过调控背侧海马脑区的Rac1活性或改变α2-chimaerin的表达，中间水平的记忆能够被增强或者减弱。因此，Rac1活性和α2-chimaerin蛋白之间的相互作用决定长期记忆的动态维持。
清华大学生命科学学院PTN项目博士生吕莉、刘云龙博士、中国科学院生物物理研究所博士生谢建新为本文共同第一作者，清华大学钟毅教授为本文通讯作者。本研究受到国家自然科学基金、北京市科委和清华-北大生命联合中心的资助。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13236-9
地学系宫鹏研究组发布
全球逐年高分辨率不透水面制图产品
近日，清华大学地球系统科学系宫鹏教授研究组在《环境遥感》在线发表题为《全球逐年不透水面变化: 1985-2018》。该研究首次完成了全球高空间分辨率人造不透水面逐年动态数据产品 ，并揭示了全球主要国家和地区的城市化速率差异, 为全球城市化研究提供了重要的基础数据。
图1.长时序的不透水面面积变化
根据联合国最新的预测，到本世纪中叶，未来全球城市人口占世界总人口的比例会达到近70%，且大部分的新增城市人口将会发生在亚洲和非洲等发展中地区。快速的全球城市化进程对城市环境和人居健康带来了重大的挑战。城市不透水面作为城市环境的重要基础要素，对于开展城市研究具有极为重要的现实意义。然而，目前全球仍没有高时空分辨率且长时序的城市数据产品来支撑全球城市化研究。
针对这一问题，宫鹏教授领导的研究组基于Google Earth Engine云计算平台，绘制了全球30米分辨率逐年的城市不透水面数据。研究基于长时序的Landsat光学影像及其他的辅助数据，首先通过空间掩模和特征评价算法实现了对逐年不透水面的快速制图，然后通过时间一致性检验算法对初始的不透水面序列进行时间域滤波和转化逻辑推理，从而保证了获取的不透水面序列在时空上的合理性。针对全球干旱区不透水面制图的难点，研究组引入了Sentinel-1 雷达数据和夜间灯光数据，较之前的研究显著提高了产品在干旱区的制图精度。通过对典型年份的精度评价分析可知GAIA的平均总体精度超过了90%。同时对比全球主要的城市数据产品发现，GAIA在城市面积的量级和时序特征上均更为合理。
研究首次基于长时序的全球不透水面数据揭示了全球城市化进程在主要国家和地区上的差异。北美和亚洲占据了全球近70%的不透水面面积。过去近30年，亚洲地区的不透水面在全球的占比从34%跃升到了43%。中国和美国作为全球主要的城市化区域，其不透水面占比全球约50%，且中国的城市化面积在2015年已超过美国。东亚和南亚地区是过去30年全球城市化的主要引擎。
清华大学地学系宫鹏教授、中国科学院遥感与数字地球研究所王杰博士为论文的通讯作者，其带领的研究组在主要生态要素的制图研究中积累了大量的样本和核心算法的开发，为实现大范围长时序制图工作的开展提供了基础。该研究工作还受到了国内外机构相关机构的合作和支持，包括清华大学中国城市研究院、清华海峡院人工智能地球实验室、 爱荷华州立大学、加州大学戴维斯分校、中山大学和北京城市规划研究院。研究得到了国家全球变化与应对重点专项、Delos捐助和唐仲英基金会的部分支持。研究所得到的GAIA数据可以通过清华大学进行开放下载:
http://data.ess.tsinghua.edu.cn.
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425719305292
环境学院郝吉明、贺克斌与地学系张强课题组合作发文揭示近年来中国空气质量改善的驱动因素
11月18日，清华大学环境学院郝吉明院士课题组、贺克斌院士课题组、地球系统科学系张强教授课题组合作在《美国国家科学院院刊》在线发表题为《2013-2017年间中国PM2.5空气质量改善的驱动力》的论文，评估了2013年-2017年间我国大气细颗粒物污染的改善情况和健康效益，定量分析了《大气污染防治行动计划》各项政策对空气质量改善的贡献。
随着我国经济快速发展，大气污染事件频发，危害居民公共健康并引起社会广泛关注。为解决严重的大气污染问题，切实改善空气质量，2013年9月国务院发布实施了《大气十条》，明确了当前和今后一个时期大气污染防治总体思路，提出10条35项重点任务措施，对2017年全国及重点区域、重点城市的空气质量改善提出了具体的要求。《大气十条》实施以来，重点地区污染状况明显改善，空气质量显著提升。在这一过程中，各项政策对空气质量改善起到了多大作用，一直是政府和公众关心的问题。
为全面评估《大气十条》的落实成效，中国工程院组织开展了《大气十条》实施效果终期评估工作，分析了2013年-2017年间空气质量改善情况，梳理了各项政策落实情况和实施效果，评估了各项政策对环境空气质量变化的贡献，分析了存在的问题并提出改进建议，以推动下一步工作科学有效开展。
其中，清华大学环境学院郝吉明院士领衔的研究团队在梳理总结五年间空气污染治理措施的基础上，依托清华大学开发的中国多尺度排放清单模型，结合大气化学传输模型和大气污染暴露-响应模型，评估了2013年-2017年间中国PM2.5污染改善的主要驱动因素，逐一定量了《大气十条》中各项政策的贡献。
研究发现，《大气十条》实施以来，2013年-2017年间全国人群PM2.5暴露水平从61.8微克/立方米下降到42.0微克/立方米，下降32%。减排是中国近年来空气质量改善的主导因素，而年际间气象条件变化影响较小。减排和气象条件变化对全国人群PM2.5暴露水平下降的贡献分别为91%和9%。通过《大气十条》主要政策实施，全国范围内减少二氧化硫排放1640万吨，氮氧化物排放800万吨，一次PM2.5排放350万吨。工业行业提标改造、燃煤锅炉整治、落后产能淘汰以及民用燃料清洁化是对空气质量改善最为有效的四项政策。上述四项政策措施分别使全国人群PM2.5浓度暴露水平下降了6.6、4.4、2.8和2.2微克/立方米。
《大气十条》各项政策对污染物减排、PM2.5浓度下降及相关健康效益的贡献
研究首次量化评估了《大气十条》各项政策对2013-2017年间中国PM2.5污染改善的贡献，证实《大气十条》方向正确、执行有力、成效显著。研究对于我国制订下一步清洁空气政策、实现空气质量持续改善具有重要指导意义，并对其他发展中国家的大气污染控制决策过程具有参考价值。虽然我国空气质量大幅改善，但2017年全国338个城市中尚有64%的城市PM2.5年均浓度不达标，我国PM2.5污染防控工作依然任重道远；全国大气臭氧污染增速加快，PM2.5和臭氧污染协同控制成为迫切需要解决的问题。
研究进一步建议，为打赢蓝天保卫战，必须在巩固和深化《大气十条》行之有效的措施和政策基础上，加大力度释放能源、产业和交通结构调整的污染减排潜力；同时实施更加严格的非电工业行业控制政策，实施柴油机污染防治行动计划和挥发性有机物减排工程，推进农业和畜牧业氨排放治理，加大氮氧化物、VOC和氨减排力度，实现全国空气质量持续稳定改善，全面打赢蓝天保卫战。
清华大学环境学院郝吉明院士、贺克斌院士和地学系张强教授为论文共同通讯作者，张强、地学系博士毕业生郑逸璇和同丹为论文共同第一作者，来自北京大学、中国气象科学研究院、生态环境部环境规划院、中国科学院生态环境研究中心、中国科学院安徽光学精密机械研究所、国家气候中心、中国科学院大气物理研究所等十多家单位的二十多位院士专家参与了该项研究。研究得到中国工程院、国家自然科学基金委和国家重点研发计划的支持。
文章链接：
https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1907956116
化工系戈钧课题组合作发文报道
基于酶催化的细胞内代谢物原位检测新方法
11月14日，清华大学化学工程系戈钧课题组与中国科学院过程所魏炜研究员、天津大学张麟教授、清华大学生命科学学院研究员李赛合作在《自然·通讯》发表文章《无定形金属有机骨架用于酶的装载和递送》，报道了采用无定形金属有机骨架材料进行酶分子包埋，构建高效酶催化剂的新方法。包埋于无定形金属有机骨架结构中的酶分子具有很好的催化活性和稳定性，无定形金属有机骨架纳米载体将酶分子递送进细胞，在细胞内进行生物催化反应，在目标代谢物的催化转化过程中产生荧光信号，实现了活细胞内代谢物的单细胞水平原位检测。
细胞内重要的代谢物变化与很多疾病的发生有着密切的关系，细胞内目标代谢物的检测对细胞代谢基础研究和疾病早期诊断具有重要意义。简便易操作并且适用性广的单细胞水平的胞内代谢物的灵敏检测技术在重大疾病比如癌症的早期诊断及预后监测、慢性病的健康管理等方面具有广阔的应用前景。
该工作提出基于酶催化的细胞内代谢物原位检测新方法，利用酶催化对底物的专一性和高效性实现对目标代谢物分子的高选择性转化，产生可检测的荧光信号；理论上该方法可以针对不同目标代谢物设计特定的酶催化反应进行检测，具有很好的普适性。该方法的关键是将酶分子递送进细胞后如何保持酶催化剂在胞内环境中的高活性和良好的稳定性。戈钧课题组前期工作提出一步共沉淀法将酶分子包埋于无机晶体、金属有机骨架晶体中，利用载体微环境的限域效应、邻近效应等增强酶催化剂在人工应用环境下的稳定性以及酶-金属耦合催化的总效率，利用缺陷效应提高金属有机骨架晶体中酶催化的表观活性，开发了基于化学工程和纳米技术手段改造酶催化剂的新途径。
在此基础上，本研究进一步利用缺陷工程方法，在一步共沉淀法制备酶-金属有机骨架复合物的过程中，调控有机配体浓度，产生大量金属离子和有机配体间的配位缺陷。通过扫描电镜、超分辨荧光、X射线衍射、X射线吸收精细结构谱、分子动力学模拟等手段相结合，该研究发现配位缺陷使得金属有机骨架在形成过程中丧失了长程有序结构，发生了由晶态向无定形状态的转变，酶分子被包埋在100nm左右的粒径均一的无定形载体中。分子模拟发现无定形金属有机骨架载体中出现大量3-6nm的介孔，氮气吸附实验确认了载体中介孔的存在，冷冻电镜断层成像技术则直接观察到了酶-无定形金属有机骨架复合物中大量存在的贯穿介孔，而相应的晶态复合物中仅存在1nm左右的微孔。通过载体中的酶催化反应-扩散模型的理论计算，该研究发现晶态复合物中1nm左右的微孔限制了酶的底物分子在载体中的传质，从而严重降低了酶催化剂的表观活性。而酶-无定形金属有机骨架复合物中，大量3-6nm的贯穿介孔有利于底物分子的传质，酶催化剂的表观活性比晶态提高5~20倍，接近于天然状态酶的活性。同时，载体的限域包埋提高了酶催化剂在高温、蛋白酶等苛刻条件下的稳定性。
图1. 无定形金属有机骨架纳米颗粒以及酶-无定形金属有机骨架复合物的扫描电镜图；酶-无定形金属有机骨架复合物的超分辨荧光显微镜；X-射线衍射；X-射线吸收精细结构；分子动力学模拟孔径；氮气吸附实验并通过NLDFT模型计算的孔径分布；冷冻电子断层成像术直观观察到的酶-无定形金属有机骨架复合物介孔；包埋酶的表观酶活性。
粒径均一的100nm左右的无定形金属有机骨架载体将包埋其中的酶分子通过胞吞作用递送进入细胞，酶催化剂在载体保护下在胞内具有良好的活性和稳定性，催化目标代谢物反应产生荧光信号。以胞内葡萄糖检测为例，基于荧光信号强度，该方法可以很简便实现活细胞内葡萄糖浓度的原位准确测定，并且与传统的细胞裂解检测方法的结果一致。更为重要的是，该方法可以实现单细胞水平的检测，很好地避免了传统细胞裂解检测方法的浓度平均化问题。进一步地，本研究中基于肿瘤细胞的“瓦博格效应”，利用酶-无定形金属有机骨架复合物检测出了多种癌细胞内葡萄糖浓度显著高于正常细胞，可以用于癌细胞和正常细胞的区分，为开发癌症液态活检技术提供了新思路。
图2. 肝癌细胞和正常肝细胞的荧光强度变化图以及对应的共聚焦系统图像；不同细胞胞内葡萄糖浓度和检测荧光强度的关系；各细胞荧光强度达到峰值时的细胞图像。
清华大学化工系吴晓玲博士、中国科学院过程所副研究员岳华和清华大学化工系博士生张原宇为本文共同第一作者，清华大学化工系长聘副教授戈钧、中国科学院过程所研究员魏炜、天津大学化工学院张麟教授和清华大学生命科学学院研究员李赛为本文共同通讯作者。清华大学为第一完成单位。该研究得到国家重点研发计划纳米科技重点专项青年项目、国家自然科学基金优秀青年基金、北京自然科学基金杰出青年基金等项目的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13153-x
机械系程嘉合作发文报道
摩擦纳米发电机用于电辅助细胞打印
11月9日，清华大学机械工程系程嘉副研究员与姚睿副教授、路益嘉博士合作，在《纳米能源》上在线正式发表题为“摩擦纳米发电机用于电辅助细胞打印” 的学术文章。
摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电和静电感应原理，可将机械能转换为电能的设备，具有结构简单、价格低廉、柔性的优点。其高电压、低电流的特性，在高电压条件下为容性负载供能时具有独特优势。模块化组织工程是一种构建并利用模块化单元自下而上设计生物组织的技术，可用于细胞移植、人造器官等。载细胞水凝胶微球具有良好的互联性、机械性能和三维微环境，是最常用的研究对象。电辅助分离技术能够生产单分散、生物活性高、尺寸和形态可控的微球，以往的研究一般依靠商业电源产生直流或脉冲高压输出，系统相对复杂昂贵，而TENG作为一种新型的高压电源可以使细胞打印技术更为简单、高效。
摩擦电辅助细胞打印：装置效果图HepaRG、Hela细胞存活性荧光染色细胞存活率对比
本论文提出了一种利用摩擦纳米发电机供能的电辅助细胞打印系统，由独立摩擦层碟式摩擦纳米发电机，倍压整流电路和基本的细胞打印装置构成。摩擦纳米发电机和倍压整流电路产生高压静电场，细胞打印装置产生直径可控、形状规则、适合三维细胞培养的微球。在HepaRG和Hela细胞的载细胞微球打印实验中，均具有高于92％的细胞存活率，同时，利用TENG打印的微球所带电量相对于商业电源更低更稳定，更适用于电敏感性细胞打印。此外，本文进行了电学分析和多物理场耦合仿真，以揭示摩擦电驱动下的细胞打印机理；通过参数实验确定了合适的细胞打印参数。实验结果证明摩擦纳米发电机可以安全有效地用于电辅助细胞打印及后续生物应用，是现有技术的有益补充，在无法使用传统电源的场景下具有技术竞争优势。
摩擦电辅助细胞打印系统特性参数：电路原理摩擦纳米发电机工作原理升压电路微液滴电荷测量示意图打印过程电流与电量波形电势分布仿真结果高速摄像机拍摄液滴下落过程液滴下落位移与速度
清华大学机械系程嘉、姚睿、路益嘉为本文共同通讯作者。清华大学机械系研究生霍恒宁、刘帆为本文共同第一作者。其他作者包括罗依雪、顾谦、刘源、王昭政、陈若瑜、季林红教授。本工作得到国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金和清华自主研究项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104150
生命学院陈柱成课题组在《科学》合作发表长文阐述RSC复合物重塑染色质的机理
11月1日，清华大学生命科学学院陈柱成、北京大学生命学院高宁与美国犹他大学Bradley Cairns课题组在《科学》期刊上在线发表题为《核小体结合状态的染色质重塑复合物RSC的结构》的研究长文。该工作解析了RSC-核小体复合物的高分辨冷冻电镜结构，揭示了RSC复合物对染色质的重塑机理。
染色质是遗传信息的物质载体。染色质的形成可以有效压缩DNA以适应细胞空间的需要，但同时抑制了基因的表达。核小体是组成各级染色质结构的基本单位。染色质重塑复合物改变核小体位置和组成，对染色质结构进行重塑，在基因表达、DNA复制与修复等过程中发挥着重要作用。RSC是酵母细胞的关键染色质重塑复合物，调控酵母大部分基因的表达。RSC复合物包含15个亚基，其分子量在1MDa以上。尽管被广泛研究，RSC如何组装，如何滑动核小体，打开基因启动子的机理仍有赖于进一步阐释。
RSC-核小体复合物的整体结构以及核小体识别模型
陈柱成实验室自建立起，对染色质重塑过程进行了系列深耕。曾经报道了染色质重塑蛋白Snf2和ISWI在不同状态下的结构。在这些研究基础上，陈柱成与高宁、Bradley Cairns实验室合作，解析了RSC-核小体复合物的高分辨结构，并对关键亚基进行了功能研究。
该结构显示，RSC分为三个功能模块，即马达模块、ARP模块与底物招募模块，这三个模块由核心亚基Sth1串联组成。与前期普遍认为的“空腔-嵌入”模型不同，该工作发现RSC主要通过马达与核小体相互作用，这支持了统一的ATP依赖的染色质重塑模型。ARP模块主要起到支架和调控马达的作用。SRM包含三个底物招募叶片：DNA结合叶片、组蛋白尾肽结合叶片与核小体结合叶片。这些叶片在空间上被安置在它们对应的底物附近，使它们能够协同作用，结合核小体。
工作阐明了RSC识别启动子的染色质特征，定向移动核小体，打开启动子的机理。RSC的多个亚基在生物进化过程中高度保守，RSC结构的解析为理解人源复合物提供了模版。其中，在NB-lobe的Sfh1亚基被发现结合组蛋白H2A-H2B酸性区表面，促进了RSC在体内和体外的染色质重塑活性，这提示Sfh1的同源蛋白INI1/ BAF47/SMARCB1突变造成多种癌症和神经发育疾病的可能机理。
清华大学2015级博士生叶佑丕、2014级博士吴昊为本文共同第一作者，2017级博士生陈康静、2017级张文浩参与了重要工作。清华大学生命学院陈柱成教授、北京大学生命学院高宁教授以及美国犹他大学Bradley Cairns教授为本文共同通讯作者。本课题由中国科技部，国家自然科学基金委提供经费支持，并得到清华-北大生命科学联合中心，北京市高精尖结构生物学创新中心的资助。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/10/30/science.aay0033
