浙江大学2017年度十大学术进展
入选项目: 胜利者效应改变丘脑-前额叶环路加强社会优势地位
入选项目: 铝-石墨烯电池
入选项目: 世界首批用于异种器官移植的安全猪研发
入选项目: “海豚音攻击” 基于麦克风非线性作用的硬件漏洞发现与防护
入选项目: 浙大成功实现无缆水下机器人百米海底的充电传信
■胜利者效应改变丘脑-前额叶环路加强社会优势地位
项目负责人:胡海岚
胡海岚研究组首次建立测量动物社会等级的行为学范式——钻管测验。该范式具有结果明确且可量化的优势,被证明具有良好的稳定性、可传递性,且其结果与其它多种社会等级测试的结果具有高度相关性。课题组在2011年首次揭示内侧前额叶(mPFC)的突触强度对社会等级行为的决定作用,从与社会认知相关的mPFC入手,分析比较高、低等级小鼠的神经元活性,发现社会等级地位和小鼠mPFC神经元活动强度正相关。这一系列结果首次确立了mPFC和社会等级有关的神经活动的因果关系(Wangetal.,Science,2011)。以上成果以独立通讯作者于2011年9月在Science发表。同期Science将此工作列为首页亮点,美国的Discover杂志、法国世界报等也对该工作进行了专文报道。
2017年,课题组首次揭示“胜利者效应”脑机制(Zhouetal.,Science,2017)。胜利者效应,即先前的获胜经历会增加个体之后获胜的可能性,是社会层级形成的重要机制。它与社会的和谐发展、种群的生存繁衍息息相关。胡海岚团队在《科学》杂志以研究长文形式,报导了重复的胜利经历能够选择性地增强中缝背侧丘脑—前额叶皮层这一神经环路的突触连接,促使动物在之后的竞争中更具优势。这是首次破解哺乳动物大脑中“胜利者效应”的脑科学机制,也是该团队在研究社会层级行为脑机制这一系列方向的第二篇《科学》论文。这一发现为研究社会竞争行为和社会层级的形成与维持开辟了全新的思路和研究方法,也为神经经济学、社会行为学等研究提供了崭新的靶点脑区。同时这将对教育方法的改革提供重要的理论依据,并为研究社会行为相关的疾病奠定了理论框架。
■铝-石墨烯电池
项目负责人:高超
长循环寿命铝离子电池是新近发展起来的以金属铝为负极的新型储能系统,具有负极比容量高、资源丰富、安全绿色等优势,发展空间广阔。目前铝离子电池面临的主要问题在于正极材料的电化学性能不足、电池工作机理不明等,导致电池的整体性能仍无法匹敌传统的高能量密度锂离子电池和高功率密度的超级电容器。为此,该项目团队一直努力寻找高性能正极材料,探明电池工作机理。经过五年的研究,构建出全新的石墨烯宏观组装膜正极材料,研制出铝石墨烯超级电池,为铝离子电池的科学发展及工业化应用奠定坚实基础。
项目的主要特色是完全脱离传统的锂电池体系,构建新型铝电池体系,以金属铝为负极、石墨烯为正极、离子液体为电解质、玻纤为隔膜,具有六大“超”级优势:1.超长循环寿命,可使用数十万次,是传统电池的1001000倍;2.超快充电,可实现分秒充电,充电速度是传统电池的10-100倍;3.超宽使用温度范围,-40-120摄氏度全天候工作;4.超级安全,不燃烧、不爆炸;5.超低价格,金属铝为负极,丰富廉价;6.超广应用,储能、动力、电子产品、军事装备等均可用。
除此之外项目有以下几个创新点:1.提出铝-石墨烯超级电池概念,之前报道的铝离子电池以石墨为正极,性能一般,本项目以石墨烯组装膜为正极,首次构建出以石墨烯为全正极活性物质的电极,因此可以称为真正意义上的“石墨烯电池”;同时电池寿命和倍率性能超出传统锂离子电池的1-3个数量级,结合了电池和超级电容器的优势,是真正意义的超级电池;2.创立正极材料的“三高三连续”设计原则(三高:高质量石墨烯、高取向组装结构、高孔隙率;三连续:连续的电子传输正极材料、连续的离子传输通道、连续的活性物质)和“无缺陷”设计原则(材料的缺陷越少,电极及电池的性能越好),为正极材料的设计提供了科学指导原则;3.发现了金属铝负极枝晶现象及抑制机理,之前的报道错误地认为负极没有枝晶,掩盖了真相,团队的发现揭开了铝离子电池长寿命的秘密。
■世界首批用于异种器官移植的安全猪研发
项目负责人:牛冬
猪被认为是最佳的异种器官来源供体,猪的器官大小和功能与人类近似,且猪本身就是人类的肉用动物,不存在动物福利及保护等伦理问题,同时易于大规模养殖。然而,有两个因素阻止了猪器官的临床应用即猪内源逆转录病毒(porcine endogenous retroviruses,PERVs)的跨种转染风险及物种间的免疫排斥。PERVs是所有猪种中均存在的一种γ逆转录病毒,可以通过遗传传给后代。如果直接将猪的器官移植给人体,可能会导致新型疾病的传播,对人类产生潜在的健康风险。
动物科学学院牛冬副教授与美国eGenesis公司、云南农大及哈佛大学合作,发现PERVs可以从野生型猪细胞转染给人细胞,同时人细胞中也可以传递该病毒,因此在异种器官移植中有必要对猪PERVs进行灭活。牛冬等首先确定了巴马猪细胞中PERVs的拷贝数为25个,并用CRISPR基因编辑技术及经过各种筛选后选出的提高细胞存活力的药物得到了PERVs所有25个拷贝全部灭活的细胞系,并用该细胞系进行核移植,生产出了世界首批PERVs全部灭活的克隆猪,且从出生至目前已一年多的所有克隆猪均没有PERVs的重新感染。
该成果于2017年9月22日以封面文章发表于国际顶级权威杂志《Science》上,是世界上首次报道的可用于异种器官移植的安全供体猪,牛冬副教授为该论文的领头第一作者。在该猪的基础上进行免疫相关基因编辑,最终可提供用于人类移植的异种器官。
该成果消除了病毒跨种感染的风险,突破了异种移植停滞十几年之久的困境,为开展安全有效的异种器官移植提供了新希望。该项目成果的发表引起了器官移植行业的轰动,使猪用于人类异种器官移植的供体成为了可能。
■“海豚音攻击”基于麦克风非线性作用的硬件漏洞发现与防护
项目负责人:徐文渊
该项研究针对语音助手系统进行安全分析,研究发现并对安全问题进行防护。其中研究成果包括两方面:1.立足于语音助手依赖的声音传感器(麦克风),首次发现了由于硬件耦合带来的系统漏洞,并利用此漏洞在20多种智能设备上实施了“海豚音攻击”,该攻击可通过人耳不可听的方式实现有声语音指令的注入,从而以隐秘的方式控制智能设备拨打电话、发送信息、访问网页、购物等,威胁用户安全和隐私。2.该研究成果同时包括相应的硬件和软件层面防护方案,通过麦克风硬件改进和基于SVM的分类器对攻击进行防护和检测,可提高语音交互方式的安全性。
该成果发现在麦克风中广泛存在非线性作用。非线性作用是指信号在通过设备时,输入与输出表现出非线性关系,这一现象主要源于硬件设备本身。通过利用这一现象,该成果成功将语音指令以人耳听不到的频率发送给智能设备,通过麦克风的非线性解调后,恢复出语音信号有效。此时,语音助手识别到该有效语音指令,并控制智能设备执行恶意操作。
针对这一硬件漏洞,该成果首次提出基于硬件和基于软件的防御方案。其中,基于硬件的防御方案是重新设计麦克风,通过抑制麦克风的高频响应,使得麦克风无法“听”到人类无法听的高频声音,避免了无声指令耦合进麦克风电路的可能。在软件上,通过分析正常语音和通过海豚音攻击产生的语音,发现两者在较高频段的信号有较大差异。基于此发现,该成果提出了基于机器学习的防御无声指令控制语音助手的方法,并达到理想的效果,因此,各大生产厂商只需要更新智能设备的系统就可以解决这个安全隐患。
■病原菌调节宿主信号通路的全新分子机制
项目负责人:朱永群
MARTX毒素是一类具有4000-5000个氨基酸残基的大毒素家族,广泛存在于包括霍乱弧菌、创伤弧菌等众多病原细菌中,其N端和C端具有独特的RTX重复序列结构域,中间区域具有多个效应因子结构域,其中RID是MARTX毒素家族中非常保守的一个效应因子结构域。MARTX毒素保守的RID效应因子能够破坏宿主肌动蛋白细胞骨架,引起宿主细胞变圆,然而RID的作用机制完全不清楚。
朱永群实验室发现RID能特异地识别和修饰宿主关键信号分子Rho家族小G蛋白Rac1,导致Rac1在SDSPAGE胶中向下迁移,细胞内结合GTP的活性形式Rac1大量减少,修饰后的Rac1不能被宿主RhoGDI结合,从而导致所有被RID修饰的Rac1全部滞留在细胞膜上,打断了Rac1从细胞膜到细胞质中的循环。在细菌感染过程中,RID能有效地抑制由Rac1调节的宿主免疫吞噬作用、细胞迁移和抗菌氧自由基的产生,并在小鼠感染中对创伤弧菌的致病性至关重要。
这项研究揭示了一种调节宿主关键信号分子Rho家族小G蛋白功能的全新方式,国际上首次鉴定催化赖氨酸长链脂肪酰基化的酶类,国际上首次发现Rho家族小G蛋白的多碱性区域在细胞信号转导中的重要作用。由于具有MARTX毒素的霍乱弧菌和创伤弧菌对人类健康构成了重大威胁,该研究对深入认识相关疾病的发生具有重要意义,对研发针对创伤弧菌等新型抗菌药物具有潜在的应用价值。该成果于2017年10月27日发表在Science杂志上,获得了Science和Nature Chemical Biology等杂志的专文评述。
■卫星遥感光学稳定成像关键技术及应用
项目负责人:徐之海
徐之海团队瞄准卫星运动和颤振这一制约光学成像质量的瓶颈技术,开展了历时12年的艰苦技术攻关和推广应用,取得了突破性进展,成果于2017年被授予国防技术发明一等奖。
研究团队深入开展了高分辨率光学遥感运动与颤振成像理论建模与仿真、运动矢量高精度实时探测与光机补偿、颤振与运动模糊图像软件复原方面的研究。主要技术创新与发明点为:1.建立了卫星颤振对成像质量影响的理论模型,研制了国内首个光学遥感卫星颤振成像仿真软件,解决了从平台颤振参数到光学遥感成像质量退化的定量化映射关系问题,为分析卫星颤振对成像质量的影响提供了重要理论基础和技术手段。2.发明了基于支持向量机参数自适应和针对推扫积分成像的高精度颤振探测技术,解决了像移探测的实时性难题,为遥感光学卫星运动与颤振图像的软硬件补偿提供了准确的测试数据。3.发明了基于运动预测闭环控制、光轴复合稳定控制等多种光机稳像方法,解决了从像移探测到补偿执行的时间滞后难题,提高了闭环稳像系统的实时性和准确性,从光机硬件上实现了高精度光学稳定成像。4.发明了基于运动模糊核提取和TDI积分成像机理的颤振模糊图像复原方法,有针对性地构建反卷积运算因子,解决了盲恢复图像处理中的物理盲目性和TDI成像模糊核的空间不一致性等难题,有效提升了遥感复原图像的质量。
在研究中共取得25项知识产权,其中发明专利授权15项,取得软件著作权登记10项;发表SCI收录论文29篇、EI收录论文62篇,并被国内外同行专家在文章中他引200余次。
■国内首款拥有完全自主知识产权的60GHz锁相环芯片
项目负责人:韩雁
本项目基于国内设计和国内制造,实现了首款具有完全自主知识产权的全国产化60GHz锁相环高端芯片,打破了国内高端芯片只能依赖进口或国外加工的魔咒,实现了零的突破,也实现了《国家中长期科技发展纲要》确定的16个重大科技专项中的01专项--“核高基(核心器件、高端芯片与基础软件)”的努力目标。
高端芯片国产化的难度主要在于两个方面:一个是设计方面,一个是制造方面。在设计方面,由于我们基础薄弱,与先进国家一直存在着较大的技术差距,国际顶级期刊与会议上发表的射频芯片的性能指标已经非常先进;在制造方面,国内射频芯片生产线缺乏完备的工艺库,使得芯片设计人员纷纷选择国外的生产线加工自己设计的芯片,这样更不利于国内生产厂家积累经验、提升完善自己的工艺流水线水平,而这反过来又进一步使得设计人员更不愿意依靠国内生产线设计高端芯片,进入恶性循环。高端芯片的国产化始终流于形式与口号之中。如若发生战争封锁,则高端芯片的制造仍将受制于人。所以芯片国产化须以“工艺为基础,设计为龙头”,两头并进才能拥有真正意义上的自主知识产权。
本项目不但克服了芯片设计方面的重重困难,还解决了国内半导体集成电路制造厂商缺乏60GHz相应工艺库的问题,使得原本只有20GHz模型库的中芯国际公司,成为大陆第一家具备了生产制造60GHz射频芯片的能力。今后国内射频芯片设计工程师,不必寻找和依赖国外的生产线完成自己的设计,真正实现高端芯片设计、制造的国产化梦想。
■核酸天然免疫识别的细胞微环境控制及干预研究
项目负责人:徐平龙
2017年,徐平龙教授团队通过两篇发表在国际著名学术期刊的研究论文,系统化地阐述了核酸免疫识别的细胞内外微环境调控以及潜在的干预途径。在国际上首次提出了营养与细胞张力微环境以及酪氨酸磷酸化修饰控制核酸天然免疫识别的新理论,突破了核酸识别机制由蛋白丝苏氨酸磷酸化所介导这一传统认知,并指出了酪氨酸激酶抑制剂在抗病毒防治中的重要应用价值。
这两项重要研究成果分别于2017年4月和6月以研究长文形式发表于《Nature Cell Biology》(Nature子刊,影响因子20.06)和《Cell Host & Microbe》(Cell子刊,影响因子14.95)。资深免疫专家、爱尔兰免疫学会主席Lavelle教授在同期《Nature Cell Biology》上发表专文高度评价此工作;Science子刊Science Signaling资深编辑Wong博士将此工作作为“编辑专选”进行正面评价。
此外,徐平龙教授团队在此前的研究中也发现了核酸免疫识别通路关键转录因子IRF3的全新修饰和调控模式(Genes & Development,2016);鉴定了核酸免疫识别信号复合体中一个关键的调控因子——蛋白磷酸酶PPM1A(Science Advances,2016);并首次提出了核酸免疫识别在调节性T淋巴细胞分化和上皮细胞间充质转化这些肿瘤免疫和转移过程中的关键功能和机制(Molecular Cell,2014)。
■干扰素抗病毒效应的新型调控机制研究
项目负责人:曹雪涛
医学院曹雪涛院士团队研究发现组蛋白甲基转移酶SETD2分子能够直接催化干扰素下游信号蛋白分子STAT1的甲基化,从而增强干扰素效应信号,促进机体的抗病毒免疫功能。研究团队通过高通量RNA干扰筛选体系筛选了目前已报道的700余种表观遗传修饰相关基因,发现组蛋甲基转移酶SETD2分子表达对于干扰素抵抗乙型肝炎病毒HBV效应的至关重要。通过制备肝细胞中特异性敲除SETD2基因的小鼠模型体内实验,证实SETD2能显著增强干扰素抑制HBV体内复制的效应。机制研究表明,SETD2分子通过其SET结构域发挥甲基转移酶活性,直接催化信号蛋白STAT1的第525位赖氨酸发生单甲基化修饰(STAT1-K525me1),从而促进干扰素效应信号的活化。此外,SETD2还可以选择性地催化干扰素诱导性基因远端启动子区发生组蛋白H3K36me3的修饰,从而直接促进这些具有抗病毒作用基因的转录活化和表达。研究成果于2017年7月27日发表在国际著名杂志《Cell》上。
该研究揭示了甲基转移酶SETD2分子在促进干扰素抗病毒效应中的重要功能,为临床上研发新的抗病毒药物提供了潜在的研究靶标。该工作也进一步完善了干扰素效应信号的调控网络,揭示了SETD2分子直接催化信号蛋白STAT1甲基化修饰的新机制,为免疫调控机制的研究提供了新的思路。
■浙大成功实现无缆水下机器人百米海底的充电传信
项目负责人:陈鹰
浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、海洋学院和信电学院等但闻、组织学科交叉研究队伍,承担了国家“十二五”863计划海底观测网重大项目“深海移动平台与海底观测网非接触接驳技术”课题。
课题组完成了水下机器人的声光二段复合导航、基于海底观测网络的电能/信息无线传输、水下在线接驳等关键技术研究,并于2017年5月12日至16日,在我国南海某海域成功完成了海上试验。本次海上试验,首先在50米水深海域,AUV与海底观测网非接触式海底对接系统成功进行了10次自主回坞对接操作。同时,水下接驳基站对AUV进行无线充电,最高功率达到681W;AUV与水下接驳站进行信息交互,非接触信号最大传输速率达到3.1MB/s。在105米水深海域,AUV与水下接驳站成功对接,并完成了对AUV的无线充电和非接触信号传输。
这项技术成果,攻克了海底无缆水下机器人海底自动充电及传信的世界性难题,且这项研究工作成功突破了在水深超过100米的海域实现水下航行器与海底观测网对接试验技术,在入坞成功率、无线充电功率以及非接触信号传输速率上,均达到国际先进水平。这项工作,为实现我国的海底综合观测,奠定基础。
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