导读
近日，南京大学化学学院黄硕教授团队在单分子肽测序领域取得了重要突破，厦门大学黄小青教授与苏州大学邵琪教授合作在介稳相二维氧化物材料方面取得重要进展，中国科大生命科学与医学部张凯教授团队合作在原位解析水稻类囊体膜堆叠与高效光合作用机制方面取得重要进展，以上团队相关研究成果7月29日分别在国际顶级学术期刊Nature上发表。
1、南大团队首创单氨基酸分辨率的多肽序列直读“神器”
近日，南京大学化学学院黄硕教授团队在单分子肽测序领域取得了重要突破，通过首创的“边切边测”（chop and measure）策略成功实现了单氨基酸分辨率的肽序列测定。该方法突破了纳米孔肽测序信号分辨率不足的长期瓶颈，解决了传统策略中肽链运动不可控、信号均一性差的关键问题，为蛋白质组学研究提供了全新的技术路径。该成果以“Sequential reading of a stepwise-shortened peptide immobilized on nanopore”为题，在线发表于国际顶级学术期刊《自然》。
蛋白质是生命活动的核心执行者，其序列信息是解码生物过程与疾病机制的关键钥匙。然而，Edman降解和质谱等传统测序技术在检测灵敏度与动态范围上存在明显局限，难以对低丰度蛋白以及翻译后修饰进行全面、精准的分析。这一技术瓶颈推动了单分子肽测序的发展，以期实现单分子水平上肽序列的直接、高分辨率解析。
纳米孔是一种新兴的单分子测序技术，已经在核酸测序领域取得突破性进展，也为蛋白质组学研究的技术革新提供了全新的解题思路。但是，纳米孔肽测序技术的开发面临着远超核酸测序的多重挑战，不仅需要精准区分构成肽链的20种天然氨基酸与种类繁多的翻译后修饰，还需要克服肽链折叠结构与非均匀电荷分布所带来的检测困难。这些挑战对纳米孔道的空间分辨能力提出了极高的要求，同时也亟需发展更有效的测序策略，以实现肽段序列的可控、顺序读取。
针对上述问题，研究团队另辟蹊径，开创了全新的“动态孔物成环”，简称孔物成环（transient Pore Analyte Looping，tPAL）检测模式。研究团队通过遗传密码子扩展技术构建了首个具有双重反应位点的耻垢分枝杆菌孔蛋白A（MspA）纳米孔（图1a），并对其进行了双重功能化修饰（图1b）。这种独特的检测架构有别于传统的纳米孔随机传感模式：待测肽分子的C端被共价连接在孔道下沿，其游离N端可以通过可逆配位相互作用与孔道识别区修饰的次氮基三乙酸-镍离子（NTA-Ni）适配器发生特异性结合，实现对锚定肽段N端的重复读取（图1c，d）。这种多次重读机制能够有效抵消单次测量的随机误差，大幅提升了N端识别的精准度。
图1 tPAL测量体系的构建
为实现肽段序列的顺序读取，研究团队进一步发展了基于胆固醇修饰的氨肽酶锚定策略。借助胆固醇基团与磷脂膜之间的疏水相互作用，氨肽酶被定向富集在孔道周围，从而对连接在孔道上的单条肽链进行逐个氨基酸的顺序水解。在此过程中，孔道内集成的NTA-Ni适配器能够实时识别每一步酶切后暴露出的新肽链N端，汇报出对应的特征电流信号（图2a）。这些特征电流信号在时序上的排列，直接反映了该肽段从N端到C端的序列组成信息，为肽序列的解析提供了可靠依据。为验证该方法的可行性，研究团队选取了EFEFEFC及EFTREFTREFTRC等由重复单元组成的肽段进行顺序酶切测量，成功观察到了与肽序列直接相关的周期性电流信号模式（图2b-e）。
这种基于“边切边测”策略的纳米孔肽测序方法展现出了极高的空间分辨率及广泛的适用性，不受肽链电荷状态的限制，并且能够清晰区分肽链中的单氨基酸突变。对于含有乙酰化、磷酸化等翻译后修饰或非天然氨基酸的肽段，该方法同样表现出卓越的分辨能力。在验证性实验中证实了该方法对手性肽也具备测序分析能力。
图2 基于“边切边测”策略的肽测序方法
受纳米孔核酸测序中基于k-mer的碱基识别策略的启发，结合“边切边测”方法的特性，研究团队定制开发了一套适用于多肽序列解码的机器学习算法。他们将3-mer作为基本识别单元，首先构建了一个小型的3-mer参考数据库和机器学习模型，对测序信号进行分段识别；然后通过3-mer间的序列关联构建有向连接图，重构出完整的肽序列（图3a）。使用上述数据处理算法，研究团队成功实现了ETREFTRC和KTREFTRSC的序列解析（图3b-e），验证了从纳米孔测序信号直接解析多肽序列的技术可行性。
图3 肽序列解码算法
南京大学黄硕教授为该论文的通讯作者。南京大学博士生陈佳璐、张含含及博士后王可凡为该论文的共同第一作者。该工作得到了生命分析化学全国重点实验室以及南京大学化学和生物医药创新研究院（ChemBIC）的重要支持，科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费资助项目、中国博士后科学基金会等经费支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10881-1
2、厦大团队在介稳相二维氧化物材料方面取得重要进展
7月29日，厦门大学黄小青教授与苏州大学邵琪教授密切合作，在介稳相二维氧化物材料方面取得重要进展。相关成果以“Octahedral-coordinated Co3O4 for water electrolysis in acid”为题发表在《自然》（Nature）期刊。
传统尖晶石结构四氧化三钴（Co3O4）是酸性析氧反应（OER）非贵金属催化剂的代表性材料。其晶体结构中，八面体（Oh）位点为主要催化活性中心，而四面体（Td）位点呈现催化惰性。为此，研究团队提出了一种有别于传统尖晶石结构的全新设计策略，即“消除惰性位点，构建全八面体活性位点”。团队采用真空介导的熔碱力化学合成法，成功制备出新型三方相二维层状四氧化三钴，该材料由三个紧密堆叠的子层构成（如图所示）。在每个子层中，[CoO6]八面体被六个相邻的、以共享边方式连接的[CoO6]八面体所包围。其中，第一层和第三层中Co的价态为+3，而中间层Co的价态为+2。因此，Tri-Co3O4可写为Co2+(Co3+)2O4。
机理研究表明，具有边共享八面体配位的二维层状结构能够有效优化反应中间体的吸附，并抑制钴的溶解，从而大幅提升催化剂的活性和稳定性。本研究核心创新在于打破传统Co3O4的结构局限，通过惰性位点消除、活性位点构建以及混合价态精准调控的多维设计，实现了从结构设计、合成方法到反应机理的认知贯通。这一工作不仅拓展了过渡金属氧化物的晶相与配位工程的研究视野，也为开发下一代高性价比质子交换膜水电解阳极催化剂提供了重要的材料范式。
图(1)立方相四氧化三钴与(2)三方相四氧化三钴结构示意图
该研究工作在黄小青教授和邵琪教授的共同指导下完成。厦门大学博士研究生王越（苏州大学硕士毕业生）、苏州大学纪玉金副教授、浙江师范大学周靖研究员为论文的共同第一作者；苏州大学李有勇教授和纪玉金副教授为该项目提供理论计算支持；德国马普固体化学物理研究所（Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids）的Zhiwei Hu教授、周靖研究员和台湾同步辐射研究中心为该工作的晶体结构解析提供实验支持。该工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、表界面化学全国重点实验室的支持。
论文网址：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10851-7-info
3、中国科大《自然》发文：原位解析水稻类囊体膜堆叠与高效光合作用机制
7月29日，中国科大生命科学与医学部张凯教授团队联合荷兰阿姆斯特丹自由大学Roberta Croce教授、安徽医科大学第一附属医院高新院区朱家鹏教授，在国际学术期刊《自然》（Nature）上在线发表题为“In situ structures of plant photosystem supercomplexes”的研究论文。这是2026年至今，中国科大以第一署名及通讯单位在Nature、Science、Cell三大国际顶尖刊物(CNS)上发表的第11篇成果，也是张凯教授团队年内的第2篇Nature论文。
研究团队突破基于体外蛋白纯化的传统结构生物学技术局限，直接冷冻并成像水稻叶绿体，并在天然膜环境中解析了光系统II（PSII）和光系统I（PSI）超级复合物的高分辨率原位结构，揭示了高等植物光合作用光能高效转化的结构基础和分子机制，并发现了PSII超级复合物支撑类囊体膜堆叠的新功能。这一发现建立了从原子细节到亚细胞器跨尺度理解叶绿体等复杂生命系统的关键桥梁，同时也充分拓展了团队此前开创的基于线粒体的高分辨原位结构生物学。
光合作用通过位于叶绿体类囊体膜上的PSII和PSI将太阳能转化为化学能，是地球上几乎所有生命赖以生存的基础。过去二十余年间，科学家利用冷冻电镜和X射线晶体学等技术，已从体外纯化样品中解析了光合作用复合物的高分辨率结构，基本阐明了各复合物的亚基组成和色素排列。然而，体外纯化复合物所展现的捕光天线系统始终比在活体植物中实际测量的要小，表明传统纯化方法使用的去垢剂会破坏复合物周围的天然脂质环境，导致部分结合相对松散的外周天线亚基脱落丢失。
水稻叶绿体类囊体膜中光合超级复合物的原位冷冻电镜单颗粒分析流程及高分辨率密度图
针对这一关键科学问题，我校张凯教授团队将研究思路从“提纯后观察”转变为“在膜环境中直接观察”。团队利用基于叶绿体水平的冷冻电镜单颗粒分析技术，直接对完整的水稻叶绿体进行冷冻制样和成像，在保留类囊体膜天然脂质环境的前提下解析了PSII和PSI超级复合物的高分辨率结构。在PSII-LHCII超级复合物方面，团队获得了平均分辨率2.89 Å（核心区域达2.3 Å）的清晰结构，构建了完整的C₂S₂M₂L₄型原子模型。与以往体外纯化获得包含18个外周天线亚基的C₂S₂M₂型结构不同，该研究在膜环境中直接观察到包含30个外周天线亚基的完整复合物，其中包括4个此前在纯化过程中几乎无法保留的L型LHCII三聚体。该结构还揭示了位于类囊体膜基质侧的PsbR亚基通过其N端环区形成“盾牌”状结构，拱卫于质体醌交换通道的基质侧上方。研究团队在PSII核心及内层天线区域精确鉴定了305个叶绿素、52个类胡萝卜素、8个质体醌分子及111个天然脂质分子，这些脂质分子像“分子胶水”一样维持着整个复合物的结构稳定。
研究团队在水稻叶绿体类囊体膜中首次直接观察到了PSII-LHCII超级复合物之间的高阶组装形式，明确了三种不同类型的二聚体：并列式二聚体、跨腔侧二聚体和跨基质侧二聚体。这些二聚体进一步组装成三聚体和四聚体，形成贯穿相邻膜层并在膜平面内横向延伸的连续“骨架”网络，表明PSII不仅是光能转换的发动机，还直接参与塑造和支撑类囊体膜的堆叠结构。基于原位解析的C₂S₂M₂L₄结构的激发能传递动力学计算显示，激发能捕获时间为364 ps，光化学量子效率为83%，与活体植物叶片实验测量结果一致。研究团队还同步解析了PSI-LHCI-LHCII和PSI-LHCI两种超级复合物，分辨率分别达2.96 Å和2.38 Å（最佳区域1.7 Å），完整保留了PsaG、PsaI、PsaN和PsaO等以往纯化中易丢失的亚基。
水稻类囊体膜中多种 PSII-LHCII高阶形式及类囊体膜堆叠“骨架”网络模型
该研究是继张凯教授团队2024年开创的线粒体呼吸链超级复合体高分辨原位结构研究的基础上，在细胞能量代谢领域的又一重要突破。该研究打破传统高分辨结构生物学必须依赖蛋白纯化的惯例，将光合作用复合体的机制研究从离体状态推进到天然膜环境下的真实状态，为理解植物光合作用如何从原子细节到亚细胞器层面上实现高光能转化效率与动态光适应能力提供了全新认知框架，同时也为未来通过合成生物学手段优化作物光能利用效率、培育高光效作物品种等提供了天然膜环境下的高分辨及跨尺度结构基础。
中国科大生命科学与医学部张凯教授为论文共同通讯作者，张凯课题组李姣特任副研究员为论文第一作者兼共同通讯作者。冷冻电镜中心高永翔副教授在数据采集方面提供了重要协助。该研究得到了我校启动经费和国家自然科学基金青年科学基金项目（32201038）等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10847-3
来源：南京大学、厦门大学、中国科学技术大学
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