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東南大學國際分子鐵電科學與應用研究院暨江蘇省“分子鐵電科學與應用”重點實驗室團隊發現了具有七個物理通道開關的熱致變色鐵彈體。相關工作以題為“The First Chiral Thermochromic Ferroelastic with Seven Physical Channel Switches”的學術論文在化學領域頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發表。此外，該論文被選為VIP（Very Important Paper）。據悉，只有不到5%的已接收論文才能獲得如此積極的評價。 在信息化時代，電子智能設備的信號處理和加密顯得至關重要，具有多重物理通道雙穩態開關特性的多功能材料成為后起之秀。眾所周知，一把鑰匙對應一個鎖，假如我們將財產放進保險柜中，我們就又多了一層防護。類似地，每增加一個物理通道，就是增加一層保障。基于此，我們報道了首例具有七個物理通道的手性化合物，可以對信息進行七層加密處理，使信息安全更加可靠。 圖1. (a) 消旋晶體結構中的無序的CTA陽離子和手性有序的S-CTA和R-CTA陽離子；(b) (R-CTA)2CuCl4和(c) (S-CTA)2CuCl4的晶體堆積圖。 早在1999年，Wataru Fujita等人在《Science》上就已經報道了磁雙穩態（Science1999, 286, 261–262）。在1,3,5-trithia-2,4,6-triazapentalenyl（TTTA）分子中觀測到一個明顯的磁雙穩態回線發生在230 K到305 K溫度范圍內。它的高溫相為順磁相，低溫相在二聚作用的影響下具有抗磁性。三年后，M. E. Itkis等人在《Science》上報道了在非那烯基中性自由基產物中發現了電、光、磁三個物理通道的雙穩態特性（Science2002, 296, 1443–1445）。直到2014年，熊仁根教授團隊在《Advanced Materials》上報道了高碘酸咪唑（IPI）化合物具有介電、壓電、SHG和鐵電和機電耦合等五個物理通道的雙穩態（Adv. Mater.2014, 26, 4515–4520）。由此可見，每增加一個物理通道都面臨著巨大的挑戰，在分子鐵電“似球-非球”原理和手性引入的指導下，我們利用手性配體進行合成，將手性開關引入其中，成功組裝得到了(R-CTA)2CuCl4和(S-CTA)2CuCl4(CTA = 3-Chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium) （圖1），這兩個化合物在介電、電導、二階非線性、壓電、鐵彈性，手性和熱致變色這七個物理通道上具有開關特性。其中熱致變色特征尤為耀眼，區別于傳統的相變材料，這為雙穩態開關提供了光譜加密的新靈感。 圖2. (a) DSC曲線；(b) 介電，電導，壓電和二階非線性光學等多重雙穩態示意圖。 (Rac-CTA)2CuCl4，(R-CTA)2CuCl4和(S-CTA)2CuCl4的相變點分別在361, 417 和420 K附近(圖2)，隨著溫度變化，相變溫度以下的低溫相和相變溫度以上的高溫相的介電常數、電導率、壓電系數、SHG信號強度均呈現出可切換的兩種穩定的狀態。 圖3. (S-CTA)2CuCl4和(R-CTA)2CuCl4晶體在293 K下的鐵彈疇結構。 此外，這對手性化合物還具有鐵彈性，鐵彈相變往往伴隨著鐵彈疇的演化。在正交偏振光下，不同取向的鐵彈疇具有不同的雙折射特性，從而呈現出明暗不同的結構區域。(S-CTA)2CuCl4和(R-CTA)2CuCl4的晶態薄膜在室溫下呈現出清晰的三角形鐵彈性結構。當溫度高于相變點時，鐵彈疇迅速消失，呈現出立方對稱的消光特性。在隨后的冷卻中，規則的鐵彈疇又很快顯現，表現出明顯的開關特性。 圖4.變溫固體紫外-可見吸收光譜。 除了鐵彈性外，這一對手性晶體還展示出可轉換的熱致變色的性質。室溫下，(R-CTA)2CuCl4和(S-CTA)2CuCl4晶體對光的吸收均低于540 nm，與它們呈現的黃色外觀一致。隨著溫度的升高，電子吸收帶的吸收邊緣發生紅移。當溫度超過相變點達到423 K時，吸收邊移動到580 nm，這也與晶體受熱變成橙色一致。利用熱致變色特征對光譜加密和信號檢測進行特定的處理，這為開發新型加密技術帶來新的思路。 該工作由博士生陸思祺（第一作者）等人的共同努力下完成，東南大學為第一通訊單位。該成果得到“東南大學十大科學與技術問題”啟動培育基金的資助。

質子治療腫瘤已被全世界評估為療效最好、副作用最少的治療方法，質子放射治療腫瘤需要質子重離子治療設備，質子重離子治療設備價格昂貴，目前國際上也只有少數的醫院具有，高昂的成本設備成本是質子重離子治療推廣應用的最主要瓶頸，質子重離子治療設備要實現適形治療，需要高效地控制束流的橫向位置、縱向的能量分布，以精準地匹配病灶的形狀，這就需要能夠360°旋轉、等中心點的旋轉機架，上海理工大學與其他單位利用在航天領域的合作成果和相關的自主技術，破解了質子重離子束用于實體瘤的精準治療的核心技術和工程難題，成功研發質子重離子治療儀360°旋轉機架，位置精度達到了<1mm,為質子重粒子治療設備小型化、降低成本、更普及推廣打下了堅實的基礎。質子重離子治療儀360°旋轉機架是質子重離子治療儀的重要組成部分，它能將粒子束按照最優路徑準確打到患者的腫瘤位置，減少對健康部位的損害，更有效的殺死癌細胞。

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泛素-蛋白酶體體系（Ubiquitin-Proteasome System，簡稱UPS）是細胞內最重要的蛋白質降解通路，對維持生物體內蛋白質的濃度平衡，以及對調控蛋白、錯誤折疊或受到損傷的蛋白的快速降解起著至關重要的作用，參與了細胞周期、基因表達調控等多種細胞進程，由UPS失常引發的蛋白質新陳代謝異常與眾多人類重大疾病直接相關。2004年，Aaron Ciechanover, Irwin Rose和Avram Hershko三位科學家被授予了諾貝爾化學獎，以表彰他們對該降解通路的發現。UPS中蛋白酶體是細胞中最基本的、最重要的不可或缺的、最為復雜的大型全酶超分子復合機器之一，人源蛋白酶體全酶包含至少33種不同的亞基，總原子質量約為2.5MDa。美國FDA批準的多種治療癌癥的藥物分子即以蛋白酶體為直接靶標。近年來，隨著冷凍電鏡技術的發展和應用，人們對這一大分子機器的結構和功能研究得以不斷深入。2016年，毛有東課題組與合作者報道了人源蛋白酶體基態的3.6?冷凍電鏡結構及其他三個亞納米分辨構象，并首次發現一個亞穩態構象的核心顆粒（Core Particle，簡稱CP）底物轉運通道處于開放狀態（見PNAS 2016, 113: 12991-12996）。2018年4月，該課題組又報道了6個ATPγS結合狀態下的26S動態結構，包括三個CP開放態對應的亞穩簡并態近原子分辨（4~5?）結構（見Nature Communications 2018, 9: 1360）。盡管這些工作揭示了蛋白酶體的基本架構和內在運動行為，但由于缺乏蛋白酶體與底物之間的相互作用，人們對于蛋白酶體如何實現底物降解的原子水平工作機制仍一無所知。此外，盡管冷凍電鏡技術近年來廣泛應用于分析具有動態特征的蛋白復合體結構和平衡態構象，但對其中間態結構和非平衡構象分析的分辨率水平往往局限在4～6?；蚋?，離真正的全原子水平動力學分析還有相當一段距離。 為了真正實現原子水平的蛋白酶體底物降解動態過程的冷凍電鏡三維重建和動力學表征，毛有東課題組攻克了兩大技術難題。其一，如何在蛋白酶體完成底物降解之前抓到它的所有可能的中間態構象？課題組發展了一種新穎的核酸置換法，利用ATPγS降低AAA-ATPase激酶水解活性的特點，在底物降解中間過程，通過將ATP快速置換成ATPγS，結合快速冷凍的優勢，從而撲捉到蛋白酶體在底物降解過程的中間態。其二，如何在從冷凍電鏡數據中分析出更多構象的同時，還把分辨率做到3埃甚至更好？課題組通過多年持續努力，發展了多種基于人工智能和機器學習的冷凍電鏡圖像聚類的新型算法，并針對蛋白酶體的動力學特征，設計了一套極其有效的整合了多種算法的多構象分類流程。通過這兩套技術方案的完美結合，課題組成功解析了人源蛋白酶體在降解底物過程中的七種不同的、但差別甚微的、高分辨原子水平的天然態構象（Native states），完整展示了蛋白酶體從泛素結合到去泛素化，再到底物轉運的動態過程。與同期在Science上發表的與底物結合的酵母蛋白酶體的4.2-4.7埃冷凍電鏡結構（Science doi: 10.1126/science.aav0725，來自加州伯克利分校和Scripps研究所）相比，該Nature論文不僅總構象數量多一倍，全部構象分辨率還高1-2埃。由于Science論文采用了抑制Rpn11去泛素活性的策略，其非天然態結構中底物并不能真正自由轉運，所推測的機理僅限于底物轉運這一步，對于其他三大Nature論文所回答重要問題均無法給出答案。這體現了該Nature論文不僅在實驗方法的原創性上和數據分析水平和質量上，更在科學發現和問題探究的深度和廣度上大幅超越了來自Science的競爭性論文。圖一 七個利用冷凍電鏡解析的精細原子結構完整揭示了從泛素識別、去泛素化反應、轉運啟動和持續降解的核心功能動態過程。 作為整個蛋白酶體的動力來源與運轉核心，AAA-ATPase激酶分子馬達展現出了三種不同的核苷酸水解協作模式，6個ATPase亞基協調工作，交替與底物發生相互作用。在去泛素化過程（EB態）中，處于對立位置的兩個ATPase亞基Rpt2與Rpt4水解ATP，而Rpt5與Rpt6則釋放ADP，ATPase內的底物轉運通道被打開，使得底物可以進入軸心通道；與此同時，去泛素化酶Rpn11亞基與泛素及底物發生相互作用，執行其作為去泛素化酶的功能；在轉運起始過程（EC態）中，相鄰的兩個ATPase亞基Rpt1與Rpt5會同時水解ATP，調控顆粒（Regulatory Particle，簡稱RP）發生大規模轉動并釋放泛素；在底物去折疊與轉運過程（ED態）中，三個相鄰的ATPase亞基會分別同步進行ATP的結合、ADP的釋放與ATP的水解，這一過程會單向傳遞下去，將ATP水解釋放的化學能轉換為機械能，使得相應的ATPase亞基發生剛體轉動，推動底物的去折疊和單向輸運，同時CP的轉運通道入口打開，底物被送入通道中進行降解。這些研究結果為幾十年來對蛋白酶體功能的研究提供了寶貴的第一手原子結構和動力學信息，對于理解生物體內蛋白質的降解過程和一系列負責物質輸運的ATPase馬達分子的一般工作原理具有極為重要的科學意義。