麻省理工学院地球物理学家、美国科学顾问弗兰克·普莱斯去世,享年95岁

著名地球物理学家、四任美国总统的科学顾问弗兰克·普莱斯于1月29日在北卡罗来纳州的教堂山去世。他已经95岁了。

出版社,麻省理工学院公司名誉终身会员,椅子是麻省理工学院的地质学和地球物理学(1969年更名为地球与行星科学系的,,目前地球的大气,和行星科学或同等)从1965年到1977年,后来回到麻省理工学院,在短时间内作为学院教授。他被认为在地球物理研究、月球和行星科学、地震地震学和地震波传播方面取得了重大进展。

“Frank Press是一个巨人,”EAPS系主任Robert van der Hilst说,“他对麻省理工学院的地球科学有着巨大的重要性。”

“弗兰克鼓舞了整整一代地球物理学家,他的科学、人文和导师精神将永垂不朽,”曾是Press研究生的名誉教授M. Nafi Toksoz说。

普莱斯是来自现在的白俄罗斯的犹太移民的儿子,他接触科学的部分原因是童年时代对实验的热爱,他和他的朋友们在布鲁克林附近的垃圾场里找到了实验用的零件。小时候,他还如饥似渴地阅读,包括哥哥们每天带回家的《纽约时报》。

然而,根据1997年对美国物理学会(AIP)的采访,普莱斯在学校的早期表现并不乐观。幸运的是,在他11岁的时候,这一切都改变了。

“在六年级之前,我在学校不是很聪明,”Press告诉AIP。

“发生了什么事?采访者问。

“我有一副眼镜。我看不见黑板,”Press笑着回答。

在纽约读高中的时候,普莱斯参加了一节地质学课,老师给了他一个磁力仪,让他对布朗克斯的范·科特兰公园进行磁力测量。就在那一天,Press决定了他的职业道路。

“这真的让我很难受,”Press告诉AIP。“因为这是我研究物理学的一种方式……成为一名探险家。”

Press在纽约城市学院获得了物理学学士学位,并在哥伦比亚大学获得了地球物理学博士学位。在哥伦比亚大学,他和著名的地球科学家莫里斯·尤因一起学习,他们一起开发了普莱斯-尤因地震仪。

1955年,普莱斯成为加州理工学院地震实验室主任,接替了实验室创始人贝诺·古登堡,并与地震学家雨果·贝尼奥夫和查尔斯·里克特一起工作。在加州理工学院期间,Press开始为联邦政府提供咨询,主要使用地震设备来探测核爆炸。从肯尼迪政府开始,普莱斯就在总统顾问委员会任职。1963年,他提议改善全球地震台网,以支持当年的核禁试条约。

1965年,普莱斯来到麻省理工学院,担任地质与地球物理系的系主任,部分原因是为了超越地震学,建立一个广泛的地球物理系,包括与伍兹霍尔海洋研究所合作,协助成立MIT- whoi联合项目。

普雷斯在1993年为加州理工学院档案提供的一次采访中说:“作为一个新人,我觉得我在麻省理工可以做得更好,这是我们接受这份工作的一个条件。”“我需要一个新的挑战——我可以在麻省理工学院得到它。”

麻省理工学院名誉教授b·克拉克·伯奇费尔称Press是“我们学院最有影响力的成员之一”,是他让EAPS学院走上了正轨。“他是我们的好朋友,我们会想念他的,”Burchfiel说。

在约翰逊和尼克松政府期间继续担任科学顾问委员会成员的Press,在1977年接到了吉米·卡特总统的电话,卡特邀请他担任白宫科学顾问。新闻接受,也成为新成立的科学技术政策办公室主任。

在这个角色中,Press努力确保美国在科学研究方面保持领导地位,同时促进国际联盟和科学合作。

“随着我们面临的问题越来越多地超越国界,所有国家科学界之间的合作在未来几年将变得更加重要,”《纽约时报》(the New York Times)援引媒体在1978年的话说。

普莱斯的儿子威廉·普莱斯告诉《纽约时报》,作为卡特的科学顾问,他父亲最骄傲的成就之一就是为来自共产主义中国的学生进入美国大学铺平了道路。这一行动的扩大是早上3点媒体从北京打电话到白宫的直接结果,当时媒体正在北京会见中国领导人邓小平。

卡特总统任期后,按返回华盛顿之前短暂回到麻省理工学院成为美国国家科学院的总统,他在那里服役12年,提倡大力研究的国际交流和科学家,以及监督1986年的一份报告警告潜在的艾滋病病毒/艾滋病的危险,和促进科学教育。

在许多奖项和大约30荣誉学位,按收到《皇家天文学会的金牌,美国宇航局的杰出公共服务奖章,日本奖,Vannevar Bush奖,国家科学奖章,他“贡献的理解最深的地球内部和减轻自然灾害,在学术界和他的服务,作为一个政府官员,和在国家科学院”。

2000年,他被任命为国家科学院名誉院长,这是该荣誉首次被授予。

Press的妻子,前Billie Kallick,在早期儿童教育领域是杰出的,于2009年去世。Press留下两个孩子,德克萨斯州奥斯汀的William H. Press和教堂山的Paula E. Press;两个孙子;和两个曾孙。

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研究:要减缓流行病,就要注重洗手

一项新的研究估计,提高旅客在全球10个主要机场的洗手率,可以显著减少许多传染病的传播。研究人员发现,人们在机场的洗手习惯改善得越好,在减缓这种疾病方面的效果就越显著。

这些研究结果是针对包括流感在内的一般传染病的,发表于去年12月下旬,就在最近中国武汉爆发冠状病毒疫情之前,但该研究的作者说,其结果适用于任何这类疾病,而且与当前的疫情有关。

这项基于流行病学建模和数据模拟的研究发表在《风险分析》杂志上。作者是塞浦路斯大学教授Christos nicolaide博士,他也是麻省理工斯隆管理学院的研究员;麻省理工学院土木与环境工程学院鲁本·胡昂思教授;和三个人。

人们在洗手的时候会出奇地随意,即使是在拥挤的地方,比如机场,来自不同地方的人会接触到椅子扶手、登机亭、安检托盘、洗手间的门把手和水龙头。基于先前的研究小组的数据包括美国微生物学会团队估计,平均而言,只有20%的人在机场有干净的双手——这意味着他们一直用肥皂和水清洗,至少15秒,在最后一个小时左右。尼克莱德斯说,另外80%的人接触到的任何东西都有可能被携带的细菌污染。

谈到ASM之前的一项研究结果时,尼克莱德斯说:“上完厕所后,70%的人都会洗手。”“另外30%的人没有。在那些成功的人中,只有50%的人做对了。他说,还有一些人只是在一些水中简单地冲洗一下,而不是用肥皂和水,按照建议的15到20秒的时间来冲洗。这个数字,再加上人们在机场接触到的许多潜在污染表面的估计,导致了该团队的估计,在机场大约20%的旅客有干净的双手。

研究人员发现,改善全球所有机场的洗手情况,使洗手率提高两倍,从而使60%的旅客在任何时候都能洗手,这将产生最大的影响,可能会将全球疾病传播速度降低近70%。部署这些措施在许多机场和合规达到如此高的水平可能是不切实际的,但是新的研究表明,显著减少疾病传播仍然可以通过挑选10最重要的机场基于病毒爆发的初始位置。研究人员估计,在这10个机场集中发送洗手短信可能会将疾病的传播速度降低37%。

他们通过详细的流行病学模拟得出了这些估计,这些模拟包括全球航班的数据,包括持续时间、距离和相互联系;估计机场的等候时间;研究人们与周围环境的各种因素以及与他人的典型互动率。

即使是卫生方面的小小改善也会带来显著的效果。增加清白的患病率在全球所有的机场仅为10%,研究人员认为这可能通过教育、海报、公告,也许更方便的洗手设施,可能会减缓全球疾病的传播率约24%,他们发现。尼克莱德斯说,大量的研究(比如这一项)表明,这些措施可以提高正确洗手的频率。

“提高洗手卫生是一个挑战,”他说,“但在教育、意识和社交媒体宣传方面的新方法已被证明在参与洗手方面是有效的。”

研究人员使用了以往关于洗手在控制疾病传播方面有效性的研究数据,因此Juanes说,这些数据必须在现场进行校准,以获得对特定疫情传播减缓的精确估计。

研究结果与美国疾病控制中心和世界卫生组织的建议一致。两者都表明,手部卫生是控制疾病传播最有效和最经济的方法。虽然这两个组织都说,其他措施也可以在限制疾病传播方面发挥有益的作用,比如使用外科口罩、关闭机场和旅行限制,但手部卫生仍然是第一道防线,个人也很容易实施。

而更好的手部卫生的潜力在控制个体之间传播的疾病已经被广泛研究和证明,本研究的第一个定量评估这些措施的有效性作为一种减轻全球流行或大流行的风险,作者说。

研究人员确定了120个在传播疾病方面最具影响力的机场,并发现这些机场不一定是客流量最大的机场。例如,他们认为东京和火奴鲁鲁的机场因其地理位置而具有巨大的影响力。虽然它们在总客流量方面分别排在第46位和第117位,但它们对疾病传播的贡献巨大,因为它们与世界上一些最大的机场枢纽有直接联系,它们有国际长途直达航班,而且它们正好位于全球东西之间。

他们发现,对于任何特定的疾病爆发,从列表中找出离爆发地点最近的10个机场,并集中对这10个机场进行洗手教育,是限制疾病传播的最有效方法。

尼克莱德斯说,要提高机场的洗手率和整体卫生状况,一个重要的步骤是在更多的地方安装洗手水槽,尤其是在洗手间以外的地方,那里的地面往往受到高度污染。此外,更频繁地清洁许多人接触的表面可能会有帮助。

研究小组还包括塞浦路斯大学和英国纽卡斯尔大学的Demetris Avraam马德里理工大学(Polytechnic University of Madrid)的路易斯·奎托-费格罗索(Luis Cueto-Felgueroso),以及加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)和麻省理工学院(MIT)的玛塔·冈萨雷斯(Marta Gonzalez)。这项工作得到了初创公司Smixin Inc和麻省理工学院国际科技计划的支持。

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研究人员为新型太阳能电池的发展制定了路线图

被称为钙钛矿的材料显示出新一代太阳能电池的巨大潜力,但在一个以硅为基础的太阳能电池占主导地位的市场上,钙钛矿很难获得吸引力。现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员进行了一项研究,为这项有前途的技术如何从实验室走向全球太阳能市场的重要位置绘制了路线图。

“技术经济”分析显示,通过从价值更高的利基市场开始,并逐步扩大规模,太阳能电池板制造商可以避免非常高昂的初始资本成本,而这些成本将使基于钙钛矿的电池板在一开始就能在大规模公用事业规模的安装中与硅直接竞争。该团队发现,与其进行昂贵得令人望而却步的数亿甚至数十亿美元的初始投资,来建造一个用于大规模生产的工厂,还不如从更专业的应用程序开始,为更现实的初始资本投资(大约4000万美元)。

麻省理工学院博士后Ian Mathews、研究科学家Marius Peters、机械工程教授Tonio Buonassisi,以及麻省理工学院、Wellesley学院和Swift Solar公司的其他五位教授在《焦耳》杂志上发表了一篇论文,描述了这些结果。

以钙钛矿为基础的太阳能电池——钙钛矿是一大类化合物,其分子结构具有一定的排列方式——可以极大地改善太阳能装置。它们的组成材料很便宜,可以像打印报纸一样采用卷到卷的方式生产,并打印在轻巧灵活的基材上。这将大大降低与运输和安装相关的成本,尽管它们仍然需要进一步的工作来提高耐久性。世界各地的实验室也在开发其他有前途的新型太阳能电池材料,但还没有一种材料进入市场。

马修斯说:“近年来,出现了许多新的太阳能电池材料和公司。然而,尽管如此,硅仍然是该行业的主导材料,几十年来一直如此。”

为什么会这样呢?“人们总是说,阻碍新技术发展的因素之一是,建造大型工厂来大规模生产这些系统的成本实在太高了,”他说。“对一家初创公司来说,要跨越所谓的‘死亡之谷’,筹集到所需的数千万美元,以达到这项技术在更广泛的太阳能行业可能有利可图的规模,是很困难的。”

但是,在许多更加专业化的太阳能电池应用中,钙钛矿基太阳能电池的特殊品质,如重量轻、灵活性和透明性,将提供一个显著的优势,Mathews说。通过最初关注这些市场,一家初创的太阳能公司可以逐步扩大规模,随着时间的推移,利用来自优质产品的利润来扩大其生产能力。

在描述各个实验室正在开发的基于钙钛矿的太阳能电池的文献时,他说,“他们声称成本非常低。但是一旦你的工厂达到一定规模,他们就会提出索赔。我想,我们以前见过这种情况——人们声称一种新的光电材料将比其他所有材料更便宜,而且比其他所有材料更好。这很好,除了我们需要一个计划,关于我们如何实际获得材料和技术的规模。”

他说,作为一个起点,“我们采用了一种我从未见过其他人采用的方法:让我们把制造这些模块的成本作为规模函数来建模。”如果一个小工厂只有10个人,你需要卖多少才能盈利?一旦达到规模,你的产品会变得多便宜?”

他说,分析证实,试图直接进入屋顶太阳能或公用事业规模的太阳能装置市场,将需要非常大的前期资本投资。但是“我们研究了人们在物联网或建筑一体化光伏市场上可能获得的价格。人们通常在这些市场上支付更高的价格,因为它们是更专业化的产品。如果你的产品是灵活的,或者模块适合一个建筑围护结构,他们会多付一些钱。其他潜在的利基市场包括自供电微电子设备。

这样的申请将使进入市场成为可能,而不需要大量的资本投资。他表示:“如果你这样做,你需要投资于公司的资金就会少得多,只有几百万美元,而不是几千万或几亿美元,这就能让你更快地发展成一家盈利的公司。”

马修斯说:“这是他们证明自己技术的一种方式,既可以是技术上的,也可以是通过实际生产和销售一种产品,并确保它能在该领域生存下来。而且,这只是为了证明你可以在一定的价格水平上进行生产。”

他指出,已经有几家初创公司在努力将钙钛矿太阳能电池推向市场,尽管它们还没有真正的产品可供销售。他说,这两家公司采取了不同的方法,其中一些似乎正在采取本研究中概述的那种按部就班的增长方法。“可能筹集到最多资金的公司是一家名为Oxford PV的公司,他们正在研究串联电池,”这种电池结合了硅和钙钛矿电池,以提高整体效率。另一家公司是由Joel Jean PhD ‘ 17(他也是这篇论文的合著者)和其他公司,叫做Swift Solar,他们正在研究柔性钙钛矿。有一家名为Saule Technologies的公司,致力于可打印的钙钛矿。

马修斯说,研究小组在研究中使用的技术经济分析方法可以广泛应用于其他与能源相关的新技术,包括可充电电池和其他存储系统,或其他类型的新型太阳能电池材料。

他表示:“许多科学论文和学术研究关注的是,一旦一项技术达到规模,制造它的成本是多少。”“但很少有人真正关注在非常小的规模下成本是多少,以及影响规模经济的因素是什么?”我认为很多技术都可以做到这一点,这将帮助我们加速创新从实验室到市场的过程。”

研究团队还包括麻省理工学院校友Sarah Sofia PhD ‘ 19和Sin Cheng Siah PhD ‘ 15、韦尔斯利学院学生Erica Ma和前麻省理工学院博士后Hannu Laine。这项工作得到了欧盟的“地平线2020”研究与创新项目、马丁家族可持续发展学会、美国能源部、壳牌公司、麻省理工学院能源计划以及新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟的支持。

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简单,太阳能淡化水

麻省理工学院和中国的研究人员开发了一种完全被动式太阳能淡化系统,每平方米太阳能收集面积每小时可提供1.5加仑以上的新鲜饮用水。这样的系统有可能为离网干旱的沿海地区提供高效、低成本的水源。

该系统使用多层平板太阳能蒸发器和冷凝器,排列成垂直阵列,顶部是透明的气凝胶绝缘材料。这是在今天的《能源与环境科学》杂志上发表的一篇论文中所描述的,作者是麻省理工学院的博士生张丽娜和林赵,博士后徐振远,机械工程教授和系主任王伊芙琳,以及麻省理工学院和中国上海交通大学的其他8位博士。

该系统效率的关键在于它如何利用每个阶段的海水淡化。在每个阶段,前一阶段释放的热量被利用而不是浪费。通过这种方式,该团队的演示装置可以将阳光的能量转化为水蒸发的能量,整体效率达到385%。

该设备本质上是一个多层太阳能蒸馏器,有一组蒸发和冷凝组件,就像那些用来蒸馏酒的组件一样。它使用平板来吸收热量,然后把热量转移到一层水里,这样它就开始蒸发了。然后蒸汽在下一个面板上凝结。水被收集起来,而蒸汽凝结的热量被传递到下一层。

当蒸汽在表面凝结时,它就释放热量;在典型的冷凝器系统中,热量只是简单地流失到环境中。但是在这个多层蒸发器中,释放的热量会流向下一层蒸发器,循环利用太阳能,提高整体效率。

“当你凝结水的时候,你会以热的形式释放能量,”王说。“如果你有一个以上的舞台,你可以利用这种热度。”

增加更多的层增加了生产饮用水的转换效率,但是每一层也增加了系统的成本和体积。该团队为他们的概念验证装置确定了一个10级系统,并在麻省理工学院的屋顶上进行了测试。该系统输送的纯净水超过了该市的饮用水标准,太阳能收集面积为每平方米5.78升(约每11平方英尺1.52加仑)。王说,这是以往任何此类被动太阳能淡化系统创纪录产量的两倍多。

张说,理论上,随着更多的海水淡化阶段和进一步的优化,这样的系统可以达到整体效率水平高达700%或800%。

与一些脱盐系统不同,它不需要处理大量的盐或高浓度的卤水。根据研究人员的说法,在一个自由漂浮的结构中,任何在白天积累的盐在晚上会通过灯芯材料被带回到海水中。

他们的示范装置主要是由便宜的、现成的材料建造的,比如一个商用的黑色太阳能吸收器和用于毛细管灯芯的纸巾,使水与太阳能吸收器接触。王说,在制造被动式太阳能脱盐系统的其他大多数尝试中,太阳能吸收材料和灯芯材料都是单一组件,这需要专门的昂贵材料。“我们已经能够解耦这两者。”

原型机最昂贵的部件是一层透明的气凝胶,它被用作绝缘体,但研究小组建议可以用其他更便宜的绝缘体作为替代。(气凝胶本身由非常便宜的二氧化硅制成,但需要专门的干燥设备才能制造。)

王强调,该团队的关键贡献是一个框架,以了解如何优化这种多级被动系统,他们称之为热本地化多级脱盐。他们开发的公式可能适用于各种材料和设备架构,允许根据不同的操作规模或当地条件和材料进一步优化系统。

一种可能的配置方式是将面板漂浮在诸如蓄水池之类的咸水水体上。只要每天阳光普照,这些管道可以不断地、被动地将淡水通过管道输送到岸边。其他的系统可以设计为一个单一的家庭,也许使用一个大的浅水池的平板海水泵送或携带。该团队估计,一个大约1平方米的太阳能收集区域可以满足一个人每天的饮用水需求。在生产中,他们认为一个满足家庭需要的系统可能只需要100美元。

研究人员计划进行进一步的实验,以继续优化材料和配置的选择,并测试该系统在现实条件下的耐久性。他们还将致力于将实验室规模设备的设计转化为适合消费者使用的产品。人们希望它最终能在缓解发展中国家部分地区的缺水问题上发挥作用,这些地区可靠的电力稀缺,但海水和阳光充足。

“这种新方法非常重要,”该公司实验室副主任拉维·普拉舍(Ravi Prasher)说

劳伦斯·伯克利国家实验室,加州大学伯克利分校机械工程副教授,他没有参与这项工作。“太阳能蒸馏技术面临的挑战之一是,由于冷凝过程中大量能量的损失,海水淡化的效率很低。通过有效地收集冷凝能,太阳能转化为蒸汽的整体效率得到显著提高。这种效率的提高将对降低采出水的成本产生全面的影响。”

研究小组成员包括上海交通大学的李邦军、王晨曦和王茹竹,以及麻省理工学院水问题教授比克拉姆·巴提亚、凯尔·威尔克、宋永燮、奥马尔·拉班和约翰·林哈德。该研究得到了中国国家自然科学基金、新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟和麻省理工学院塔塔技术与设计中心的支持。

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工程师们混合和匹配材料来制造新的弹性电子产品

任何电子设备的核心都是一块冰冷、坚硬的计算机芯片,上面覆盖着一个由晶体管和其他半导体元素构成的微型城市。因为计算机芯片是刚性的,它们所驱动的电子设备,如智能手机、笔记本电脑、手表和电视,也同样是刚性的。

现在,麻省理工学院的工程师们开发的一种工艺,可能是以成本效益高的方式制造具有多种功能的柔性电子产品的关键。

这一过程被称为“远程外延”,包括在相同材料的大而厚的薄片上生长半导体材料的薄膜,该薄片覆盖在中间的石墨烯层上。一旦研究人员培育出一种半导体薄膜,他们就可以把它从覆盖着石墨烯的晶圆片上剥离出来,然后重新利用它。用这种方法,团队可以复制和剥离任意数量的薄的柔性半导体薄膜,使用相同的底层晶片。

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中,研究人员证明他们可以使用远程外延技术生产任何功能材料的独立薄膜。更重要的是,他们可以将这些不同材料制成的薄膜堆叠起来,从而生产出灵活、多功能的电子设备。

研究人员预计,这个过程可以用于生产弹性电子电影各种各样的用途,包括虚拟reality-enabled隐形眼镜,太阳能皮模具的轮廓你的汽车,电子织物,对天气和其他灵活的电子产品,似乎直到现在奇迹的电影。

麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说:“你可以用这种技术在一块柔性芯片中混合和匹配任何半导体材料,从而获得新的设备功能。”“你可以制造任何形状的电子产品。”

金正日的合作者包括Hyun s咕Sungkyu金姆,魏,Kuan俏,彭Chen Jaewoo垫片,sang hoon Bae,崔Chanyeol Luigi Ranno Seungju Seo, Sangho李,杰克逊鲍尔从麻省理工学院和卡罗琳·罗斯,以及从美国威斯康星大学麦迪逊分校的合作者,康奈尔大学,弗吉尼亚大学,宾州州立大学,中山大学,韩国原子能研究所。

购买时间

Kim和他的同事在2017年报道了他们首次使用远程外延的结果。然后,他们能够通过将一层石墨烯涂在由外来金属组合而成的昂贵的厚晶片上,从而生产出薄的柔性半导体材料薄膜。他们让每一种金属的原子在石墨烯覆盖的晶圆片上流动,发现原子在石墨烯上形成了一层薄膜,其晶体模式与下面的晶圆片相同。石墨烯提供了一种不粘的表面,研究人员可以从中剥离新的薄膜,留下覆盖着石墨烯的晶圆片,以便重新利用。

2018年,该团队证明,他们可以使用远程外延技术从元素周期表的第3组和第5组金属中制造半导体材料,但不能从第4组中制造半导体材料。他们发现,原因归结为极性,或者是流过石墨烯的原子与底层晶圆内原子之间的电荷。

意识到这一点后,Kim和他的同事尝试了许多越来越奇异的半导体组合。正如在这篇新论文中所报道的,该团队使用远程外延技术从复杂的氧化物(由氧和至少两种其他元素组成的化合物)中制造柔性半导体薄膜。众所周知,复杂的氧化物具有广泛的电和磁性质,当物理拉伸或暴露在磁场中时,一些组合可以产生电流。

金说,用复杂的氧化物制造柔性薄膜的能力可以为新的能源储存设备打开大门,比如可以根据振动拉伸的薄片或覆盖物,从而产生电力。到目前为止,复杂的氧化物材料只能在刚性的几毫米厚的晶片上制造,灵活性有限,因此产生能量的潜力有限。

研究人员不得不调整他们的工艺来制作复杂的氧化膜。他们最初发现,当他们试图使一个复杂的氧化物,如钛酸锶(复合的锶、钛和三个氧原子),他们流淌的氧原子在石墨烯与石墨烯的碳原子倾向于绑定,蚀刻掉后的石墨烯,而不是底层的锶、钛晶片的模式和绑定。作为一种出人意料的简单修复方法,研究人员添加了第二层石墨烯。

“我们发现,当石墨烯的第一层被腐蚀掉时,氧化物化合物已经形成,因此,单质氧一旦形成这些所需的化合物,就不会与石墨烯产生大量的相互作用,”Kim解释道。“因此,两层石墨烯为这种化合物的形成争取了一些时间。”

皮和堆栈

该团队使用他们最新的调整工艺,用多种复杂的氧化物材料制作薄膜,在制作过程中剥离每一层100纳米的薄膜。他们还能够将不同的复杂氧化物材料层堆叠在一起,并通过轻微加热将它们有效地粘合在一起,从而生产出一种灵活的多功能设备。

金说:“这是第一次演示如何堆叠多个纳米级的薄膜,就像乐高积木一样,这是不可能的,因为所有功能电子材料都以厚晶片的形式存在。”

在一项实验中,研究小组将两种不同的复合氧化物薄膜堆叠在一起:一种是已知在磁场中会膨胀的钴铁氧体,另一种是拉伸时会产生电压的PMN-PT材料。当研究人员将多层薄膜暴露在磁场中时,两层薄膜一起工作,使其膨胀并产生小电流。

结果表明,远程外延可以从具有不同功能的材料组合中制造柔性电子器件,而这些材料以前很难组合成一个器件。以钴铁氧体和PMN-PT为例,每种材料都有不同的结晶模式。金说,传统的外延技术是在一个晶片上高温生长材料,只有在晶型匹配的情况下才能结合材料。他说,利用远程外延技术,研究人员可以用不同的、可重复使用的晶片制作任意数量的不同薄膜,然后将它们堆叠在一起,而不管它们的晶体模式如何。

“这项工作的总体构想是,你可以在一个地方把完全不同的材料组合在一起,”Kim说。“现在你可以想象一种薄而灵活的设备,它由多层材料构成,包括传感器、计算系统、电池、太阳能电池,这样你就可以有一个灵活、自供电、物联网堆叠的芯片。”

团队正在探索半导体薄膜的各种组合,并致力于开发原型设备,如金的东西叫“电子纹身”——一种灵活的、透明的芯片可以连接并符合人体感知和无线接力生命体征如体温和脉搏。

“我们现在可以制造出具有最高功能的轻薄、灵活、可穿戴的电子产品,”Kim说。“剥下来堆起来。”

这项研究是麻省理工学院(MIT)和威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin at Madison)研究人员密切合作的结果,得到了美国国防高级研究计划局(Defense Advanced research Projects Agency)的支持。

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印度尼西亚殖民统治的复杂影响

麻省理工学院(MIT)经济学家与人合著的一项研究显示,在印度尼西亚的一些地区,荷兰殖民统治者在19世纪建立了一个巨大的制糖产业,如今这些地区的经济产出仍高于印尼其他地区。

这项研究以印度尼西亚的爪哇岛为重点,为研究殖民主义的经济影响提供了新的数据。调查结果显示,从1830年到19世纪70年代,荷兰人在一些村庄修建了糖厂,如今这些村庄的经济活动更活跃了,制造业更广泛了,学校也更多了,当地的教育水平也更高了。

麻省理工学院(MIT)经济学教授本杰明•奥尔肯(Benjamin Olken)表示:“荷兰人建立糖厂的地方仍然是制造业中心。

奥尔肯认为,这种“荷兰耕种制度”与今天的经济活动之间的历史联系可能是“通过两股力量”传递的。他说,其中之一是建设“互补的基础设施”,如铁路和公路,这些都保留在当代印尼。

奥尔肯说,另一种机制是“围绕制糖业发展起来的产业,而且这些产业持续存在。一旦你有了这样的制造业环境,就会导致其他变化:更多的基础设施和更多的学校也在这些领域持续存在。”

奥尔肯说,可以肯定的是,这项研究的实证结论并不代表荷兰殖民统治的有效性。荷兰殖民统治从17世纪早期一直持续到1949年,极大地限制了印尼人的权利和自建的政治制度。荷兰的统治对公民生活的许多领域产生了持久的影响,荷兰的耕作制度使用了强迫劳动。

奥尔肯强调说:“这篇论文并不是要证明(荷兰)殖民企业对当时的人们来说是件好事。”他说:“我要非常明确地说明这一点。这不是我们要说的。”

相反,这项研究的目的是评估荷兰种植系统的实证效果,研究的结果不一定是奥尔肯所预期的。

“结果是惊人的,”奥尔肯说。“它们就会跳到你身上。”

这篇题为《采掘业殖民经济的发展效应:荷兰在爪哇的耕作制度》的论文是由Olken和哈佛大学经济学教授Melissa Dell博士12年合著的。

在地面上

爪哇岛是印尼众多岛屿中最大的一个,历史上爪哇岛的主要作物是水稻。从19世纪30年代开始,荷兰在一些地区建立了一套制糖系统,修建了94座制糖加工厂,以及运输材料和产品的公路和铁路。

一般来说,荷兰人会从印尼出口高质量的糖,而把低质量的糖留在国内。总的来说,这个系统变得非常庞大;19世纪中叶,爪哇的食糖生产一度占荷兰政府收入的三分之一,占荷兰GDP的4%。据估计,四分之一的人口从事这一行业。

在发展他们的研究中,Olken和Dell使用了来自荷兰政府档案的19世纪数据,以及来自印度尼西亚的现代数据。荷兰人把加工厂建在河流旁边的地方,那里有足够平坦的土地来种植大量的糖料作物;为了进行这项研究,研究人员观察了糖厂附近的经济活动,并将其与缺少工厂的类似地区的经济活动进行了比较。

戴尔指出:“在19世纪50年代,荷兰人花了4年时间实地收集了1万多个村庄的详细信息,这些村庄为耕作系统提供了土地和劳动力。”研究人员将这些记录数字化,如她所说,“煞费苦心地将它们与今天来自同一地点的经济和人口记录合并在一起”

结果显示,与远离工厂的地区相比,靠近工厂的地区的农业经济构成要少25-30个百分点,而它们的制造业则多出6-7个百分点。他们在零售业的就业率也增加了9%。

糖厂方圆1公里内的地区,铁路密度是距糖厂5至20公里的类似地区的两倍;到1980年,他们有电的可能性增加了45%,有高中的可能性增加了4%。当地人口受教育的平均水平也比那些没有建在老糖厂附近的地区要高一年。

这项研究还显示,在荷兰耕种系统的村庄里,公共土地的使用也增加了10%到15%,这个数据在1980年和2003年都保持稳定。

奥尔肯说:“这篇论文的关键在于,从多个方面将历史数据与现代数据联系起来。”研究人员还注意到,工业化地区和农村地区之间的差距自1980年以来就没有出现过,这进一步表明爪哇的经济根源有多么重要。

净效果?

这篇论文融合了奥尔肯(Olken)和戴尔(Dell)的专业知识。奥尔肯多年来一直在印尼从事反贫困研究,戴尔的研究工作有时会考察政治历史对当今经济成果的影响。

“我以前从来没有真正做过一个历史项目,”奥尔肯说。“但与梅丽莎合作的机会真的很令人兴奋。”

戴尔最著名的一篇论文发表于2010年,当时她还是麻省理工学院(MIT)的一名博士生。该论文显示,在秘鲁的一些地区,从16世纪到19世纪,西班牙殖民统治者在那里建立了一套强迫采矿劳工的制度。

然而,令研究人员有点吃惊的是,他们并没有观察到荷兰种植系统也有类似的问题。

奥尔肯表示:“人们可能会认为,这可能在其他方面对当地的社会资本和发展产生负面影响。”他补充称,在查看数据之前,他“不确定会发生什么”。

戴尔说:“秘鲁和爪哇强迫劳动的长期影响之间的差异表明,要了解强迫劳动对经济活动的持续影响,我们需要知道的不仅仅是一个地方是否有强迫劳动。”“我们需要了解历史制度最初是如何影响经济激励和活动的,以及这些最初的影响是如何持续下去的。”

奥尔肯补充说,这项研究“不能衡量所有可能的因素”,“有可能还有我们没有看到的其他影响。”

此外,奥尔肯指出,这篇论文无法确定荷兰种植制度对印尼经济增长的净效应。也就是说,在没有荷兰统治的情况下,印尼的经济肯定会靠自己增长——但很难说它的增长速度是更快、更慢,还是与荷兰统治下的轨迹相当。

奥尔肯说:“如果荷兰人没有出现在印尼,我们无法预测会发生什么。”“当然,荷兰(殖民)印度尼西亚有各种各样的影响,远远超出了这篇论文的范围,其中许多对同时代的人口是负面的。”

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新的电极设计可能导致更强大的电池

麻省理工学院(MIT)和其他地方的工程师进行的一项新研究可能会开发出每磅容量更大、续航时间更长的电池,这是基于一个长期追求的目标,即使用纯金属锂作为电池的两个电极之一——阳极。 

新电极概念来自巴特尔能源联盟核科学与工程教授、材料科学与工程教授李菊的实验室。今天,《自然》(Nature)杂志刊登了一篇由麻省理工学院(MIT)的陈宇明(Yuming Chen)和王梓强(Ziqiang Wang)合著的论文,论文作者还包括麻省理工学院(MIT)、香港、佛罗里达和得克萨斯的11位教授。

该设计是开发安全的全固态电池概念的一部分,省去了通常用作电池两个电极之间的电解质材料的液体或聚合物凝胶。电解质允许锂离子在电池的充放电周期中来回移动,而全固态电解质可能比液体电解质更安全,因为液体电解质具有高挥发性,是锂电池爆炸的根源。

“在固态电池、锂金属电极和固态电解质方面已经做了很多工作,”李说,但这些努力面临着许多问题。

最大的问题之一是,当电池充电时,原子会在锂金属内部积聚,导致锂金属膨胀。当电池使用时,金属在放电时再次收缩。这些金属尺寸的反复变化,有点像吸入和呼出的过程,使得固体很难保持恒定的接触,并容易导致固体电解质断裂或分离。

另一个问题是,所提出的固体电解质在与高活性锂金属接触时,没有一种是真正的化学稳定的,而且随着时间的推移,它们往往会降解。

克服这些问题的大多数尝试都集中在设计固态电解质材料上,这种材料在锂金属的作用下是绝对稳定的,而锂金属的作用是非常困难的。相反,李和他的团队采用了一种不同寻常的设计,利用了另外两类固体,“离子-电子混合导体”(MIEC)和“电子和锂离子绝缘体”(ELI),它们在与锂金属接触时化学性质绝对稳定。

研究人员开发了一种六边形MIEC管蜂窝状阵列的三维纳米结构,部分注入固体锂金属形成电池的一个电极,但每个管中都留有额外的空间。当锂在充电过程中膨胀时,它就会流入管道内部的真空区域,像液体一样流动,尽管它仍然保持着固态的晶体结构。这种流动完全被限制在蜂窝状的结构中,减轻了充电引起的膨胀带来的压力,但不改变电极的外部尺寸或电极与电解质之间的边界。另一种材料,ELI,作为MIEC墙壁和固体电解质层之间的关键的机械粘合剂。

“我们设计了这种结构,它给了我们三维电极,就像一个蜂巢,”李说。这种结构的每一根管子里的空隙允许锂“向后蠕动”进入管子,“这样,它就不会增加压力来破坏固态电解质。”“这些管子里的锂在扩张和收缩,它们会进出,有点像汽车发动机的活塞在气缸里。因为这些结构是在纳米尺度上建造的(这些管子直径大约是100到300纳米,高度是几十微米),结果就像“一个有100亿个活塞的发动机,以金属锂作为工作流体,”李说。

因为这些蜂窝状结构的壁是由化学上稳定的MIEC构成的,锂不会失去与材料的电接触,李说。因此,整个固体电池可以保持机械和化学稳定,因为它通过其使用周期。该团队已经通过实验证明了这一概念,他们让一个测试装置进行了100次充放电,而不会产生任何固体颗粒的破裂。

内径为100nm的碳小管可逆镀锂和剥离。感谢研究人员。

李说,尽管许多其他小组正在研究他们所谓的固体电池,但这些系统中的大多数实际上在某些液体电解质与固体电解质材料混合的情况下工作得更好。“但在我们的情况下,”他说,“一切都是实实在在的。里面没有任何液体或凝胶。”

新系统可以制造出安全的阳极,重量仅为传统锂离子电池的四分之一,存储容量相同。如果与另一种轻量型电极(阴极)的新概念相结合,这项工作将大幅降低锂离子电池的总体重量。例如,研究小组希望它能制造出每三天充电一次的手机,而不会使手机变得更重或更笨重。

李领导的另一个团队在上个月发表于《自然能源》(Nature Energy)杂志上的一篇论文中,描述了更轻阴极的一个新概念。这种材料将减少镍和钴的使用,这两种金属既昂贵又有毒,被用于当今的阴极。新阴极并不仅仅依赖于这些过渡金属在电池循环中的容量贡献。相反,它将更多地依赖氧的氧化还原能力,因为氧要轻得多,也更丰富。但在这个过程中,氧离子变得更具有流动性,这可能导致它们从阴极粒子中逃逸。研究人员用熔融盐对高温表面进行处理,在富含锰和锂的金属氧化物颗粒表面形成一层保护层,从而大大减少了氧的损失。

即使表面非常薄,在一个400纳米宽的粒子上只有5到20纳米厚,它也为底层材料提供了良好的保护。“这几乎就像免疫一样,”李说,以对抗在室温下使用的电池中的氧损失的破坏性影响。目前的版本提供了至少50%的能量,可以存储在一个给定的重量,与更好的循环稳定性。

到目前为止,这个团队只制造了小型的实验室规模的设备,但是“我希望它能迅速扩大,”李说。所需的材料主要是锰,比其他系统使用的镍或钴便宜得多,因此这些阴极的成本可能只有传统阴极的五分之一。

研究团队包括来自麻省理工学院、香港理工大学、中佛罗里达大学德克萨斯大学奥斯汀分校和纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的研究人员。这项工作得到了国家科学基金会的支持。

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化学家揭示了流感B蛋白的结构

麻省理工学院的一组化学家发现了一种关键的流感蛋白的结构,这一发现可能有助于研究人员设计出阻断这种蛋白并防止病毒传播的药物。

这种被称为BM2的蛋白质是控制病毒酸度的质子通道,帮助病毒在受感染的细胞内释放遗传物质。

“如果你能阻断这个质子通道,你就有办法抑制流感感染,”麻省理工学院(MIT)化学教授、该研究的资深作者梅红说。“拥有这种蛋白质的原子分辨率结构正是药物化学家和制药科学家需要开始设计的小分子,可以阻止它。”

麻省理工学院研究生文卡塔·曼达拉是这篇论文的主要作者,该论文发表在今天的《自然结构与分子生物学》杂志上。其他作者包括研究生Alexander Loftis和Alexander Shcherbakov以及化学副教授Bradley Pentelute。

原子级分辨率

流感病毒有三种类型——A、B和C——每一种都会产生不同版本的M2蛋白。M2是一种离子通道,携带质子穿过病毒的外膜,即脂膜。这些质子通常会流入病毒,使病毒内部的酸性增强。这种酸性帮助病毒将其脂质外壳与称为内溶酶体的细胞腔室膜融合,从而使病毒能够将其DNA释放到受感染的细胞中。

到目前为止,对M2蛋白的大多数结构研究都集中在A型流感病毒中发现的M2,这通常是最常见的形式,尤其是在流感季节的早期。在这项研究中,研究人员重点研究了在B型流感病毒中发现的M2版本,这种病毒通常在3月和4月占主导地位。然而,与以往的季节性流感感染模式不同的是,今年冬天,B型流感一直异乎寻常地占主导地位,占自去年9月以来向美国疾病控制中心报告的所有流感病例的67%。

M2的A型和B型在氨基酸序列上存在显著差异,所以洪和她的同事开始研究这些蛋白质可能存在哪些结构差异,以及这些差异如何影响它们的功能。一个关键的区别是,BM2通道允许质子向任何方向流动,而AM2通道只允许质子流入病毒包膜。

为了研究BM2的结构,研究人员将其嵌入类似于细胞膜的脂质双分子层中,然后使用核磁共振(NMR)光谱以原子尺度分辨率分析其结构。由于研究膜内蛋白的困难,很少有离子通道被研究到如此高的分辨率。然而,洪之前已经开发了几项核磁共振技术,使她能够从嵌入膜的蛋白质中获得精确的结构信息,包括它们的方向和蛋白质原子间的距离。

这个模型描述了一个M2蛋白通道嵌入到B型流感病毒的病毒包膜中。资料来源:文卡塔·湿婆·曼荼罗

M2通道由四个相互平行的螺旋组成,洪发现,这些螺旋的排列方式会随着病毒外壳外环境的pH值而发生轻微的变化。当pH值高时,螺旋倾斜约14度,通道关闭。当pH值下降时,螺旋上升到20度左右,像剪刀一样张开。这种剪切运动在螺旋之间创造了更多的空间,并允许更多的水进入渠道。

麻省理工学院的化学家们创建了这个模型,来解释当BM2通道打开时,构成BM2通道的四个螺旋蛋白是如何倾斜的。资料来源:文卡塔·湿婆·曼荼罗

之前的研究发现,当水流入M2通道时,组氨酸从通道上半部分的水中捕获质子,并将其传递到通道下半部分的水分子中,然后将多余的质子传递到病毒粒子中。 

与AM2通道不同的是,BM2通道在面向病毒粒子的一端有一个额外的组氨酸,麻省理工学院的研究小组相信这可以解释为什么质子可以在通道的任意方向流动。研究人员说,还需要更多的研究来确定这对B型流感病毒有什么好处。

阻塞通道

既然化学家们已经知道了BM2通道在原子分辨率下的开放和封闭状态的结构,他们可以尝试找到阻止它的方法。这种类型的药物开发是有先例的:金刚烷胺和金刚乙胺都曾用于治疗甲型流感,它们的工作原理是将自己插入AM2通道孔中,切断质子流。然而,这些药物并不影响BM2通道。

Hong的研究组现在正在研究BM2的另一种功能,即在脂质膜上产生弯曲,以便让后代病毒从细胞中释放出来。初步研究表明,从膜中伸出的部分蛋白质形成了一种被称为β膜的结构,在诱导膜向内弯曲中起作用。

这项研究是由美国国立卫生研究院资助的。

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为快乐和服务而歌唱

Swarna Jeewajee从小就喜欢音乐——她在淋浴时唱歌,大声播放音乐,让自己进入快乐的状态。但直到去年,她都没有信心在卧室外唱歌。

现在,这位化学和生物专业的大四学生每个星期六都要在大波士顿地区的医院、老人之家和康复中心与她共同创立的无伴奏合唱团体一起唱歌,为他人服务。

Jeewajee说,如果没有2018年春天她做了一次变革性的耳部手术后获得的新信心,她就不可能在人们面前唱歌。

Jeewajee在毛里求斯长大,那是马达加斯加东海岸的一个小岛,她喜欢那里的水和游泳。在她8岁左右的时候,她因为胆脂瘤患上了慢性耳部感染,这导致了她中耳皮肤的异常生长。

毛里求斯的医生花了五年时间和三次手术,才诊断出吉瓦吉的耳朵究竟出了什么问题。她在医院度过了一些性格形成的岁月,而不是度过一个正常的童年,在海滩游泳。

当吉瓦吉得到正确的诊断和治疗时,她被告知她的听力无法恢复,她不得不戴上助听器。

她说:“我有点接受了这就是我的现实。”“人们过去常常问我助听器是什么样的——就像戴着耳机一样。感觉不自然。但适应起来并不难。我必须适应它。”

最终,助听器成为了Jeewajee的一部分,她觉得一切都很好。在麻省理工学院的第一年,她加入了Concourse,这是一个第一年的学习社区,提供小班课程来满足麻省理工学院的一般学院要求,但是在她大二的时候,她参加了更大的课程。她发现自己也听不见,这是个问题。

“当我上高中的时候,我并不认为我的听力障碍是一种劣势。但来到这里,参加更大型的讲座,我不得不承认我错过了一些信息,”Jeewajee说。

她的母亲一直住在美国,而她的祖母在毛里求斯抚养她长大。就在那时,吉瓦吉遇到了她的榜样、专门治疗她听力障碍的外科医生费利佩·桑托斯(Felipe Santos)。

Jeewajee曾向桑托斯寻求帮助,希望能找到性能更好的助听器,但他推荐了一种钛植入物,通过微创手术来恢复她的听力。现在,吉瓦吉根本不需要助听器,她两只耳朵都听得很清楚。

“手术帮了我很多。我以前不能保持平衡,现在我在这方面做得更好了。我不知道我的听力会影响到这一点,”她说。

她说,这些变化都是小事。但正是这些小事产生了巨大的影响。

“手术后我更有信心了。在课堂上,我更喜欢举手。总的来说,我感觉自己生活得更好了。”

正是这种感觉让吉瓦吉参加了a无伴奏合唱组的试镜。她从未接受过任何正式的歌唱训练,但在1月份,在麻省理工学院的独立活动期间,她的朋友提到她想成立一个无伴奏合唱小组,并说服Jeewajee帮助她开展歌唱服务。

Jeewajee把为服务唱歌描述为她在麻省理工学院的“有趣活动”,在那里她可以尽情释放。她是一名女高音歌唱家,由9至12名学生组成的小组在每周演出前每周练习约3个小时。他们为每场演出准备了三首歌;一个典型的阵容是迪斯尼的旋律,Josh Groban的《You Raise Me Up》,以及电影《the Greatest Showman》的混搭。

她最喜欢的部分是他们接受观众的歌曲请求。例如,“为服务而唱”最近去了多发性硬化症患者的家中,他们要求听披头士和《波西米亚狂想曲》(Bohemian Rhapsody)。表演结束后,这群人与观众打成一片,这是吉瓦吉一天中最喜欢的部分之一。

她喜欢与病人和老人交谈。因为Jeewajee从小到大这么多年都是一个病人,她现在想帮助那些正在经历这种经历的人。这就是为什么她要进入医学领域,并努力获得一个医学博士学位。

“我年轻的时候,总是在医生的办公室。医生想要帮助你,给你治疗,让你感觉更好。医学的这一方面一直让我着迷,人们如何真正地奉献他们的时间来帮助你。他们不认识你,他们不是你的家人,但他们一直在你身边。我也想在那里帮助别人,”她说。

Jeewajee说,因为她是在一种人们知之甚少的疾病中长大的,所以她想把自己的事业奉献给寻找棘手的医疗问题的答案。也许并不奇怪,她已经被癌症研究吸引住了。

在麻省理工学院的第一年,她发现了自己对这个领域的热情。那年夏天,她在里昂的一家癌症医院通过米斯蒂-法国分部进行研究。在那里,当她看到科学家和医生一起抗击癌症时,她经历了一次“顿悟”,并受到鼓舞,也这样做了。

她引用了医院的格言“Chercher et soigner jusqu ‘a la guerison”,意思是“研究和治疗,直到治愈”,作为她立志成为一名医生兼科学家的一种表达。

去年夏天,当她在洛克菲勒大学(Rockefeller University)研究癌症治疗的抵抗机制时,她对个体患者如何对一种特定治疗做出不同反应有了更深层次的认识,而这正是癌症难以治疗的部分原因。回到麻省理工学院后,她加入了科赫综合癌症研究所(Koch Institute for Integrative Cancer Research)的赫曼实验室(Hemann lab),在那里她对血癌的一种亚型——近单倍体白血病进行研究。她的最终目标是找到一个弱点,这个弱点可能被用来开发针对这些病人的新疗法。

科赫研究所已经成为她在麻省理工学院的第二个家。她喜欢和她的同事们在一起,她说他们是很好的导师,对科学同样充满热情。实验室的墙上装饰着与科学相关的迷因和卡通,以及团队科学冒险的有趣照片。

Jeewajee说她在科赫研究所的工作再次证明了她追求科学和医学结合的事业的动机。

“我想做一些有挑战性的工作,这样我才能真正有所作为。即使我和病人一起工作,我们可能为他们提供正确的治疗,也可能没有,但我希望有能力帮助他们,帮助他们理解和应对这种情况,就像医生在我成长过程中为我做的那样,”Jeewajee说。

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基因筛查为治疗亨廷顿病提供了新的药物靶点

麻省理工学院的神经科学家利用一种以前在哺乳动物大脑中不可能存在的基因筛检技术,识别出了数百种神经元存活所必需的基因。他们还用同样的方法来识别基因,以防止引起亨廷顿氏舞蹈症的突变蛋白的毒性作用。

这些努力产生了至少一个有希望的治疗亨廷顿舞蹈症的药物靶点:一个基因家族,通常可以帮助细胞在变异的亨廷顿蛋白聚集并形成亨廷顿舞蹈症患者大脑中的团块之前,将其分解。

这些基因以前从未与亨廷顿氏舞蹈症的发病过程相联系。当我们看见他们时,这是非常令人兴奋的,因为我们不仅发现了一个基因,但实际上几个相同的家庭,我们也看到他们有影响在两个模型的亨廷顿氏舞蹈症,“Myriam海曼说,副教授在脑与认知科学和神经科学研究的资深作者。

研究者的新筛选技术,允许他们评估的所有老鼠大脑中发现的约22000个基因,也可以应用于其他神经系统疾病,包括阿尔茨海默病和帕金森疾病,海曼说,同时也是麻省理工学院Picower研究所学习和记忆和麻省理工和哈佛大学

布罗德研究所的博士后玛丽·沃茨是这篇论文的主要作者,这篇论文发表在今天的《神经元》杂志上。

全基因组屏幕

几十年来,生物学家一直在进行筛选,系统地敲除小鼠、果蝇和秀丽隐杆线虫等模型生物的单个基因,然后观察它们对细胞存活的影响。然而,这样的筛选从未在小鼠大脑中进行过。一个主要的原因是,在大脑中传递这些基因操作所需的分子机制比在身体的其他地方更困难。

海曼说:“这些无偏的基因筛选非常强大,但在全基因组范围内对中枢神经系统进行筛选的技术难度从未被克服。”

近年来,布罗德研究所(Broad Institute)的研究人员开发了基因库,可以用来关闭在小鼠基因组中发现的所有基因的表达。这些文库中的一个是基于短发夹RNA (shRNA),它干扰了携带特定基因信息的信使RNA。另一种是利用CRISPR技术,这种技术可以破坏或删除细胞中的特定基因。这些文库是由病毒传递的,每个病毒携带一个针对单个基因的元素。

这些库的设计是为了让大约22000个小鼠基因中的每一个都能被4个或5个shrna或CRISPR元件靶向,因此需要有8万到10万个病毒进入大脑,以确保所有基因至少被击中一次。麻省理工学院的研究小组想出了一种方法,使他们的病毒溶液高度浓缩,并将其直接注射到大脑的纹状体中。通过这种方法,他们能够将shRNA或CRISPR中的一种元件传递到纹状体中25%的细胞中。

研究人员将注意力集中在纹状体上,因为它是受亨廷顿舞蹈症影响最大的大脑区域,参与调节运动控制、认知和情绪。它还与帕金森病、自闭症和毒瘾有关。

注射大约7个月后,研究人员对目标纹状体神经元中的所有基因组DNA进行了测序。他们的方法是基于这样一种观点:如果特定的基因对于神经元的存活是必要的,那么任何被敲除这些基因的细胞都会死亡。然后,这些shrna或CRISPR元件在细胞总数中以较低的比率被发现。

这项研究发现了许多细胞存活所必需的基因,例如参与细胞新陈代谢或将DNA复制成RNA的酶。这些发现还揭示了先前对果蝇和蠕虫的研究中发现的对神经元功能有重要作用的基因,比如涉及突触功能的基因(突触是神经元相互沟通的结构)。

然而,海曼说,这项研究的一个新发现是,发现了以前与神经元存活无关的基因。这些基因中有许多是编码代谢蛋白的基因,而代谢蛋白对于消耗大量能量的细胞来说是必不可少的。

海曼说:“我们的解释是,与秀丽隐杆线虫的神经元相比,哺乳动物大脑中的神经元新陈代谢更活跃,对这些过程的依赖性更强。”

加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)的精神病学和生物行为科学教授威廉·杨(William Yang)称,这种新的筛查技术是大脑研究领域的“巨大飞跃”。

“在此之前,人们可以逐个基因研究基因的分子功能,或者一次研究几个基因。这是一项开创性的研究,因为它证明了你可以在哺乳动物的中枢神经系统中进行全基因组的基因筛选。

有前途的目标

然后,研究人员对两种不同的亨廷顿氏舞蹈症小鼠模型进行了相同类型的筛选。这些小鼠模型表达了杭丁顿蛋白的突变形式,杭丁顿蛋白在亨廷顿患者的大脑中形成团块。在这种情况下,研究人员比较了亨廷顿氏症小鼠和正常小鼠的筛查结果。海曼说,如果在亨廷顿小鼠身上发现shRNA或CRISPR基因的频率降低,那就意味着这些基因针对的是那些帮助细胞抵抗亨廷顿蛋白毒性作用的基因。

从这个筛选中出现的一个有希望的药物靶点是Nme基因家族,它之前被认为与癌症转移有关,但与亨廷顿氏舞蹈症无关。麻省理工学院的研究小组发现,其中一个基因,Nme1,调节其他基因的表达,这些基因参与了蛋白质的正确处理。研究人员假设,如果没有Nme1,这些基因就不会被激活,使得杭丁顿在大脑中积累。他们还发现,当Nme1在亨廷顿氏症小鼠模型中过表达时,亨廷顿氏症的症状似乎有所改善。

海曼说,虽然这个基因以前没有被发现与亨廷顿氏舞蹈症有关,但人们已经在努力开发针对亨廷顿氏舞蹈症的化合物,用于治疗癌症。

她说:“这对我们来说非常令人兴奋,因为理论上这是一种可以下药的化合物。”“如果我们能用一个小分子增加它的活性,也许我们可以复制基因过表达的效果。”

这项研究由美国国立卫生研究院/国家神经疾病和中风研究所、JPB基金会、贝弗·哈蒂格·亨廷顿病基金会、大脑研究基金会的Fay/Frank Seed奖、Jeptha H.和Emily V. Wade奖以及遗传疾病基金会资助。

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