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引言

在當今科學(xué)研究的快速發(fā)展中，芝加哥大學(xué)再次展現(xiàn)了其在前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，近日連續(xù)發(fā)表了三篇論文于《Science》雜志，涉及水凝膠與半導(dǎo)體結(jié)合、膠體量子點的合成以及腸道微生物群中的遺傳元件。這些研究不僅突破了各自領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，還為未來的生物醫(yī)學(xué)、光電材料及微生物生態(tài)學(xué)的深入研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和實踐路徑。

第一篇論文聚焦于將不溶于水的聚合物半導(dǎo)體有效整合進雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中，展示了其優(yōu)異的生物相容性和電學(xué)性能，為生物電子設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

第二篇研究則提出了一種新的高溫熔鹽合成方法，成功制備出發(fā)光的膠體砷化鎵量子點，開辟了III-V族半導(dǎo)體納米晶的全新應(yīng)用領(lǐng)域。

第三篇論文則探討了腸道微生物群中移動遺傳元件的作用，揭示了其在細菌競爭和生存策略中的重要性，進一步闡明了微生物相互作用的復(fù)雜性。

這些成果不僅體現(xiàn)了芝加哥大學(xué)在科學(xué)研究中的卓越表現(xiàn)，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供了新的視角和靈感，推動科學(xué)界對新材料及生物系統(tǒng)的理解與探索。

水凝膠是因其與生物組織的機械和化學(xué)相似性而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的聚合物材料相比，水凝膠具有優(yōu)異的生物相容性、柔軟性和良好的水分保持能力，適合用于各種生物應(yīng)用。然而，水凝膠在引入半導(dǎo)體功能方面面臨挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)聚合物半導(dǎo)體在水中不溶，這限制了它們與水凝膠的結(jié)合，導(dǎo)致難以實現(xiàn)所需的電學(xué)性能和生物互動功能。

近日，來自芝加哥大學(xué)王思泓課題組在聚合物半導(dǎo)體與水凝膠結(jié)合的研究中取得了新進展。該團隊設(shè)計了一種溶劑親和力誘導(dǎo)組裝方法，將不溶于水的聚合物半導(dǎo)體整合到雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中。這一創(chuàng)新方法使得半導(dǎo)體能夠在水凝膠中有效地分散，形成了具有與生物組織相近模量的復(fù)合材料，其軟度可達81千帕，并具有150%的拉伸能力及高達1.4平方厘米每伏每秒的載流子遷移率。

利用這種新型半導(dǎo)體水凝膠復(fù)合材料，研究團隊顯著提高了生物界面的響應(yīng)性和親和性。在與生物組織接觸時，這種復(fù)合材料的組織級模量能夠有效減輕免疫反應(yīng)，同時其高孔隙率增強了半導(dǎo)體與生物流體界面之間的分子互動，促進了更高效的光調(diào)節(jié)和靈敏度的體積生物傳感。這項研究成功展示了將半導(dǎo)體功能與水凝膠設(shè)計相結(jié)合的潛力，為未來在生物電子設(shè)備和智能材料方面的應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑和理論基礎(chǔ)。該工作以題為“Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions”的論文發(fā)表在最新一期《Science》上。

膠體量子點是新興的光電材料，因其可調(diào)節(jié)的尺寸和優(yōu)異的光電特性，成為了研究熱點。然而，目前在合成重要的III-V族半導(dǎo)體，特別是膠體砷化鎵（GaAs）方面，依然存在許多挑戰(zhàn)。這些半導(dǎo)體的傳統(tǒng)合成方法往往受限于低溫和復(fù)雜的反應(yīng)條件，導(dǎo)致難以實現(xiàn)高質(zhì)量的量子點。因此，尋找一種新的合成方法以克服這些限制變得尤為重要。

有鑒于此，芝加哥大學(xué)Dmitri Talapin教授團隊提出了一種高溫熔鹽膠體合成的新方法，利用熔鹽的氧化還原化學(xué)以及表面活性劑添加劑來控制納米晶的形狀。在熔融無機鹽中，研究團隊能夠直接成核和生長膠體量子點，顯著提高了合成溫度至425°C以上。這一創(chuàng)新方法使得研究人員成功制備出發(fā)光的GaAs量子點，并展示了近12種以前未報道的III-V固溶體納米晶復(fù)合物，開辟了新的材料研究和應(yīng)用領(lǐng)域。該研究以“Reductive pathways in molten inorganic salts enable colloidal synthesis of III-V semiconductor nanocrystals”為題，發(fā)表在《Science》雜志上。

擬桿菌屬是腸道微生物群中的一個重要細菌綱，因其在維持宿主健康和代謝功能中的關(guān)鍵作用而成為研究熱點。然而，這些細菌在相互作用中面臨著強烈的競爭和拮抗挑戰(zhàn)，尤其是在通過共軛DNA轉(zhuǎn)移和第六型分泌系統(tǒng)（T6SS）等機制進行的相互作用中。這些機制不僅影響物種之間的生存競爭，還影響腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能。

鑒于此，芝加哥大學(xué)Laurie E. Comstock教授團隊進行了多項研究，探討擬桿菌屬中的移動遺傳元件（MGEs）及其對微生物適應(yīng)度的影響。例如，Sheahan等人通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，特定的整合性共軛元素（ICE）能夠抑制擬桿菌屬的原生T6SS功能，進而影響其競爭策略。盡管這種抑制會失活原有的T6SS，但ICE的獲得反而提高了該菌株的適應(yīng)度，使其具備新的T6SS，增強了其在共同防御中的能力。

這些發(fā)現(xiàn)表明，腸道微生物之間復(fù)雜的相互作用和基因轉(zhuǎn)移機制不僅調(diào)節(jié)了不同物種的豐度，還可能在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生深遠的影響。因此，深入理解這些機制及其生物學(xué)意義，對揭示腸道微生物群的動態(tài)變化及其與宿主健康的關(guān)系具有重要意義。該研究以“A ubiquitous mobile genetic element changes the antagonistic weaponry of a human gut symbiont”為題，發(fā)表在《Science》雜志上。

總結(jié)展望

芝加哥大學(xué)近期在《Science》雜志上發(fā)表了三篇重要論文，展現(xiàn)了該校在材料科學(xué)和微生物學(xué)領(lǐng)域的研究實力。這些研究不僅推動了水凝膠與半導(dǎo)體功能的結(jié)合，為生物電子設(shè)備提供了新的技術(shù)路徑；還深入探討了腸道微生物的基因轉(zhuǎn)移機制，揭示了微生物群落與宿主健康之間的復(fù)雜關(guān)系。這些突破性成果不僅豐富了科學(xué)界對相關(guān)領(lǐng)域的理解，也為未來的研究和應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)，彰顯了芝加哥大學(xué)在全球科學(xué)研究中的引領(lǐng)地位。

文獻信息

Yahao Dai?et al., Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions.Science386,431-439(2024).DOI: 10.1126/science.adp9314https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9314

Justin C. Ondry et al. ,Reductive pathways in molten inorganic salts enable colloidal synthesis of III-V semiconductor nanocrystals.Science386,401-407(2024).DOI:10.1126/science.ado7088

Madeline L. Sheahan et al. ,A ubiquitous mobile genetic element changes the antagonistic weaponry of a human gut symbiont.Science386,414-420(2024).

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