小编： 日前，汽车系张剑波教授团队和加拿大西门菲莎大学化学系Michael Eikerling教授团队合作在《物理化学杂志C辑》上发文，在双电层理论上迈出重要一步；环境学院鲁玺副教授在可再生能源研究领域取得重要进展，相关研究成果被作为封面文章，发表在最新一期的《自然》子刊上；医学院向烨研究组在《自然》杂志在线发表论文，揭示了细菌病毒突破宿主细胞内膜新机制；《自然》子刊上还长文发表了医学院李海涛教授课题组与德国科隆大学分子医学中心Jay Gopalakrishnan博士课题组的合作论文，揭示了细胞中心粒/纤毛长
日前，汽车系张剑波教授团队和加拿大西门菲莎大学化学系Michael Eikerling教授团队合作在《物理化学杂志C辑》上发文，在双电层理论上迈出重要一步；环境学院鲁玺副教授在可再生能源研究领域取得重要进展，相关研究成果被作为封面文章，发表在最新一期的《自然》子刊上；医学院向烨研究组在《自然》杂志在线发表论文，揭示了细菌病毒突破宿主细胞内膜新机制；《自然》子刊上还长文发表了医学院李海涛教授课题组与德国科隆大学分子医学中心Jay Gopalakrishnan博士课题组的合作论文，揭示了细胞中心粒/纤毛长度控制新机制……
近日，汽车系张剑波教授团队和加拿大西门菲莎大学化学系Michael Eikerling教授团队合作在《物理化学杂志C辑》（The Journal of Physical Chemistry C）上发表题为《铂金的非单调表面带电行为：范式的转变》（Non-monotonic surface charging behavior of platinum: A paradigm change）的研究论文。该研究在双电层（electrochemical double layer）理论上迈出重要一步，首次以理论自洽的方式揭示了铂金表面的非单调带电行为，突破了一个世纪以来基于零电荷电位（potential of zero charge, pzc）概念的电极表面单调带电行为的经典范式。同时，该研究阐释了带电电极表面与溶液离子之间的静电学作用，开辟了车用燃料电池核心部件催化剂层构效关系研究的新视角。汽车系博士生黄俊为论文第一作者，张剑波教授和Michael Eikerling教授为共同通讯作者。论文作者还包括西门菲莎大学Eikerling教授团队的Ali Malek博士。
该论文同时被评选为美国化学学会编辑选择奖（ACS editors’ choice）。本奖项为美国化学学会基于世界各地400余位资深编辑的推选，从旗下44种期刊（包括JACS, Nano Lett., ACS Nano等）发表的文章中，每日选择一篇具有重要科学意义的文章，作为永久免费资源进行推广。
考虑电极表面氧化的双电层界面模型（左）及铂金的非单调表面带电行为（右）。
有序纳米结构薄膜（nanostructure thin film, NSTF）铂金电极是下一代车用燃料电池催化剂层的研究热门。由于不含传统质子导体ionomer，NSTF铂金电极的质子传导率是大家普遍关心的关键科学问题。铂金表面的带电行为是破解这一问题的核心钥码。如果铂金表面带负电荷，那么静电吸引可以大大增加NSTF铂金电极中的质子浓度，从而消除人们对NSTF电极质子传导率的担忧。一直以来，人们普遍采用著名电化学家A.N. Frumkin于1928年提出的pzc概念来描述电极表面带电行为。当电极电位高于pzc时，电极表面带正电，反之，电极表面带负电。大量的实验测定铂金电极的pzc在0.2-0.4 V之间。那么在pzc概念下，NSTF铂金电极在正常工作电压范围（0.6-0.9 V）应该表面带正电荷，从而排斥质子。单调带电行为的经典范式无法解释NSTF铂金电极优异的发电性能。
本研究通过考虑表面氧化带给铂金-溶液双电层结构的变化，以理论自洽的方式得到了铂金表面带电行为的理论模型。该模型突破了基于pzc的单调带电行为的经典范式，揭示了铂金电极在高电位区域表面带负电荷的非单调现象。基于该模型，双方团队进一步合作研究了NSTF铂金电极的基本单元——注水铂金纳米孔——的质子传导率以及发电性能，相关成果以“Theory of electrostatic phenomena in water-filled Pt nanopore”为题发表在《法拉第论坛》（Faraday Discussions）上。
上述研究工作是汽车系张剑波教授研究组与加拿大西门菲莎大学化学系Michael Eikerling教授研究组开展合作的成果，得到了汽车安全与节能国家重点实验室、东芝公司、国家留学基金委的资助。
清华大学环境学院鲁玺副教授在可再生能源研究领域取得重要进展，相关研究成果《中美风电比较：中国风电发展面临的挑战》（Challenges Faced by China Compared with the US in Developing Wind Power）被作为封面文章，发表在最新一期的《自然》子刊《自然-能源》（Nature Energy）上。
在2015年召开的巴黎气候变化大会上，中国承诺2030年前实现碳排放达峰值，并将非化石能源在一次能源消费中的比重提升到20%。发展利用风能，扩大中国的风电产业是实现这一目标的重要途径。2015年底，中国风电装机容量达到145.1 GW，高出美国装机容量的93.5%，但风力发电量仅为186.3TWh，比美国低4.6TWh。论文通过空间地理建模，首次提出评价区域风电场风机综合表观质量的定量指标，通过定量分析中美两国整体风力资源、平均理论容量因子，以及现有风电场的平均理论容量因子，发现中美风电资源质量差异对两国现有风电场发电水平的差异贡献不高，澄清了传统认识上的偏差。在此基础上，通过因子分解的方法，定量揭示了风电场联网问题，风电场表观质量，以及弃风问题是造成中美风电场表现差异的主要原因。文章最后从电网规划、电力调度与电力市场，以及提高电力系统灵活性方面提出了应对措施。
2009年，鲁玺副教授曾以并列第一作者身份在Science发表封面文章Potential for Wind-Generated Electricity in China，定量分析了我国风力发电的经济潜力，以及潜在的CO2减排作用，并提出我国陆上风力发电成本供应曲线。此次发表在《自然-能源》的论文是在之前研究基础上，对我国新能源全生命周期的环境与气候变化效益系列研究中的又一项重要成果。《自然-能源》特邀美国华盛顿乔治城大学教授乔安娜·刘易斯（Joanna Lewis）教授对该论文进行专题评论。
鲁玺副教授为论文的第一和通讯作者，哈佛大学迈克尔·迈克艾罗伊（Michael B. McElroy）教授为该论文的共同通讯作者。其他合作者包括哈佛大学中国项目（Harvard China Project）执行主任克里斯·尼尔森（Chris P. Nielsen）、普林斯顿大学彭暐博士、北京大学刘诗阳与南京大学王海鲲副教授。
鲁玺副教授于2015年通过国家“青年千人”计划从哈佛大学引进到清华大学环境学院任职，主要从事新能源、大气环境与气候变化方面的研究。
清华大学医学院向烨研究组《自然》在线发文揭示细菌病毒突破宿主细胞膜新机制
6月15日，清华大学医学院向烨研究组于在《自然》（Nature）杂志在线尾部蛋白含有一段用于穿透细胞膜的孔道形成环绊”（“The bacteriophage φ29 tail knob protein possesses a pore-forming loop for cell membrane penetration”）的论文，揭示细菌病毒突破宿主细胞内膜新机制。论文通过对细菌病毒φ29尾部蛋白gp9（gene protein 9）结构及生化研究，发现病毒利用gp9的一段疏水性肽段在宿主细胞膜上形成孔道，并通过其注射基因组DNA入宿主细胞内。
左图：噬菌体φ29尾部蛋白gp9晶体结构与成熟噬菌体病毒颗粒冷冻电镜三维重构结果拟合示意图，其中红色部分为具有形成孔道性质的疏水性肽段（L loop）；右图：经过酸诱导DNA释放后噬菌体冷冻电镜三维重构尾部结构以及根据电子密度模拟搭建的gp9结构。可以看到在酸诱导DNA释放后，L loop能够从gp9形成的通道中翻转出来形成独立新的孔道结构。
细菌病毒（又名噬菌体）φ29属于双链DNA病毒，其通过自身的非收缩性短尾特异性侵染宿主枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。属于革兰氏阳性菌的枯草芽孢杆菌由细胞壁和细胞质膜包裹，帮助自身抵御外界干扰及病毒入侵。噬菌体首先需要克服细胞壁和细胞膜的阻碍，才能将遗传物质注入宿主进行复制和重新组装。φ29及其它大多数噬菌体通过尾部蛋白肽聚糖水解酶对细胞壁进行局部水解而突破细胞壁。然而，科学界对于噬菌体突破细菌细胞质膜并释放其遗传物质到宿主体内的机制知之甚少。
通过比较噬菌体φ29尾部末端蛋白gp9全长和突变体gp9△417-491的晶体结构，向烨研究组发现gp9蛋白能够形成六聚体通道结构。相对于gp9△417－491，全长gp9通道内部被一段疏水性肽段（L loop）所填充。在φ29感染过程中，这段疏水性肽段必须从gp9通道中释放出来，病毒DNA才能通过通道注入宿主细胞。对该肽段氨基酸同源序列搜索发现，该肽段与HIV病毒及流感病毒的融合肽段（fusion peptide）氨基酸序列性质相似。这说明φ29的这段疏水性肽段很可能与细胞膜作用。比较噬菌体φ29在DNA释放前后的尾部通道结构的冷冻电镜三维重构结果，发现DNA释放后，该疏水性肽段能够从gp9形成的通道内部翻转，在尾末端形成一个独立的新的孔道。当与脂质体混合并经过酸处理诱导DNA释放后，通过冷冻电镜观察到噬菌体φ29整齐排列在脂质体周围，且脂质体内部有噬菌体DNA。电镜重构结构显示尾部新暴露出的疏水肽段插入脂质体上形成跨膜孔道供DNA通过。这一以形成跨膜孔道突破细胞膜的机制与一些真核病毒如腺病毒类似，表明虽然真核病毒和原核病毒在形态结构及入侵机制上有着较大区别，针对同一障碍的趋同进化过程使得它们形成类似的机制克服宿主细胞膜障碍。
此项工作由医学院向烨研究组独立完成。向烨博士为论文通讯作者，2013级博士生许靖蔚为第一作者，研究组学生桂淼、2014级博士生王点红参与了该项工作。该研究得到我国973项目、国家自然科学基金、中组部青年千人计划、感染性疾病诊治协同创新中心和北京清华大学结构生物学高精尖创新中心的大力支持，同时也得到上海同步辐射设施及国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地在数据收集上的大力支持。
中心粒是动物细胞内一类重要的胞内结构，由多种中心粒蛋白和微管组成，是构建细胞中心体及纤毛的基础。其中，中心体参与细胞有丝分裂纺锤体构建，与染色体等量精确分离密切相关。纤毛是细胞G0期的重要标志细胞器，可以调控细胞干性维持及分化和非对称分裂等多种细胞生命活动。中心粒的数目和结构异常会导致癌症或其他疾病（如多囊肾）的发生。有证据表明，中心粒蛋白的缺失和突变可诱发先天小脑畸形或巴德-毕德氏症候群等神经系统遗传病。虽然人们已经通过多种手段探明了中心粒的基本构造，但是关于中心粒的组装及长度控制机制等，至今仍然缺乏深入研究。
图一 中心粒蛋白CPAP的PN2-3结构域与微管素二体的复合物结构及其突变体对纤毛长度的影响。
CPAP是参与中心粒复制和组装的关键因子之一，在中心粒微管生长和中心体成熟等过程中发挥重要功能。已有研究表明，CPAP蛋白包含PN2-3、A5N、CC及TCP等多个结构域，其中，位于氨基端的PN2-3结构域可以从细胞质中捕获并结合微管素二体，PN2-3和微管素的结合常数高达26纳摩尔。李海涛课题组通过结构解析及交联质谱等技术发现，PN2-3结构域能够以一种类似“项链”的方式盘绕结合在微管素二体上，其中羧基端片段形成“loop-helix”结构，结合到β-微管素外表面，而其氨基端片段结合在β-微管素内表面（参见图一）。
本研究发现一个有趣的现象，PN2-3和微管素之间特殊结合模式为中心粒微管的组装和可控生长提供了分子结构基础。一方面，PN2-3的强微管素结合能力保证了CPAP蛋白能够有效捕获微管素二体，为微管组装提供原料；另一方面，CPAP通过可控的微管素释放，进而实现微管的定向生长。这样CPAP蛋白就像建筑工人一样，主动调控着中心粒或者纤毛微管的聚合与组装。本研究鉴定出两类PN2-3点突变：因为导致CPAP不能有效捕获微管素二体（F375A），或失去了对微管素释放的严谨控制（EE343RR），从而表现出明显的纤毛/中心粒变短或“过长”表型（参见图二）。
CPAP是导致先天性小脑畸形（Microcephaly）的关键因子之一，发生在其羧基端TCP结构域的E1235V突变被证明与遗传性先天小脑畸形的发生密切相关。李海涛课题组曾于2014年在《美国科学院院报》(PNAS)发表论文报道了果蝇CPAP蛋白TCP结构域的晶体结构，并于2015年荣获“人类前沿科学计划” （HFSP）“青年科学家奖”的国际资助。本项工作是对中心体蛋白CPAP在中心粒/纤毛复制和组装中发挥重要功能的新进展。
本工作由清华大学医学院李海涛课题组和德国科隆大学分子医学中心Jay Gopalakrishnan博士课题组联合完成。李海涛教授课题组CLS博士后郑向东为本论文第一作者，二年级博士研究生郑双平参与了部分重要工作。本课题的交联质谱实验与生命科学院邓海腾教授和冯衫博士合作完成，TIRF-微管动力学分析得到了生命科学院欧光朔教授、李文静博士以及生物影像平台的王文娟博士指导和大力协助。衍射数据收集在上海同步辐射光源设施完成。本项目得到人类前沿科学计划（HFSP）、国家自然科学基金项目、北京结构生物学高精尖中心和生物治疗协同创新中心等支持资助。
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