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博文

亮点文章 | 2020年第24期

已有 226 次阅读 2020-12-28 09:16 |系统分类:论文交流

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封面文章    特邀综述

转录机器: 绳上舞者

王耀来,刘锋

物理学报. 2020, 69(24): 248702

转录机器是响应细胞信号并启动基因转录的分子机器。它控制着基因在恰当的时间以适当的速率表达,演奏着生命之曲的底层旋律。为了揭示转录机器的工作原理,研究人员从其结构、动力学、信号转导等不同的维度进行探索。研究进程在跌宕起伏中螺旋式上升,各大研究领域趋于成熟却也趋于独立。故此,本文着眼全局,扼要介绍真核生物转录机器在多领域的重要进展,着重呈现看似大相径庭的新发现。结构研究揭示了转录机器的基本架构,核心争议在于媒介子(也称中介体复合物)的信号传递方式——“变构效应”抑或“招募导引”。超级增强子的可能工作机制包括令人遐想的“液相分离”和“精确协作”。“转录钟”研究揭示了转录动力学的基本特征。转录爆发现象的发现,带来了转录调控机制的“调频”与“调幅”之争——前者得到了更多的支持。此外,本文也概述了转录研究的技术困难和理论模型,提供了基于系综统计方法的研究策略,并介绍了转录机器的理想模型。转录机器在DNA上的运转方式源自进化的长河,似乎是对物理学定律的完美运用与平衡。


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图1   转录机器的理想化模型


同行评价

基因转录调控的动力学是分子生物学、系统生物学中的热门前沿课题。此文对RNA转录机器调控机制的最新实验和理论研究进展进行了综述(包括作者自己建立的新的理论模型),为读者了解这一课题提供了比较清晰的导览。通过类比举例,从物理及生物的角度,形象生动的刻画了人们对细胞转录过程的研究方法及存在的困难。文章深入浅出,具有一定的启发意义。

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编辑推荐    综述

预测人类移动行为的介入机会类模型研究进展

刘二见,闫小勇

物理学报. 2020, 69 (24): 248901

预测地点间人类的移动在人类迁徙、交通预测、疾病传播、商品贸易、社会交往等诸多方面具有重要的意义。介入机会模型是最早从个体目的地选择行为角度建立的预测人类移动的模型,它将起终点之间的介入机会作为影响人类移动的关键因素,启发研究者提出了许多新的介入机会类模型。介入机会类模型在很多学科领域也获得了广泛的应用。本文首先对包括介入机会模型、辐射类模型、人口权重机会类模型、探索类介入机会模型和统一机会模型等在内的介入机会类模型的研究进展进行综述,然后对这些介入机会类模型在空间交互和疾病传播方面的应用进行介绍,最后对该类模型未来的研究方向进行探讨。


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图1  统一机会模型对14个数据集的最优参数取值


同行评价

人类移动行为复杂性分析与建模是统计物理交叉学科研究的一个重要方向。从早期的引力模型、介入机会模型到近年来的辐射模型、人口权重机会模型等,人类移动行为预测模型已在社会、经济、交通、地理等很多领域获得了广泛应用。特别是最近发表的许多新冠病毒传播预测论文中,都使用前述人类移动行为预测模型来再现人口空间移动模式,从一个方面也说明人类移动行为建模研究的重要性。这篇论文对人类移动行为建模中一类重要的模型——介入机会类模型进行了全面的综述。作者将这类模型的基本建模思路进行了很好的归纳:个体在选择目的地时会用某种准则来比较起点收益、介入机会收益和目的地收益的大小。通过把这类模型统一在这个建模思路下进行综述,在整体上能让读者能更全面、深入地理解这些介入机会类模型的相同点和区别。作者进一步结合货运、通勤、求职、城市内外出行等不同类型的人类空间移动数据,分析了不同类型移动数据中个体在选择行为方面的倾向差异,这对于人类移动行为复杂性分析与建模后续的研究也非常具有启发性。作者还对介入机会类模型的实际应用研究进行了系统介绍,这不仅会吸引物理领域学者,还会吸引社会、经济、交通、地理等领域研究人员的兴趣。总体看来,这篇综述论文内容比较全面,结构安排合理,讨论比较深入,是一篇具有较高水平的研究综述。

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编辑推荐

氧气分子吸附对单蒽分子器件自旋输运性质调控

崔兴倩,刘乾,范志强,张振华

物理学报. 2020, 69 (24): 248501

利用基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理计算方法,开展了氧气分子吸附对以石墨烯纳米带为电极的单蒽分子器件自旋极化输运性质的调控物理机理探索研究。计算结果显示,在未吸附氧气分子时,单蒽分子以横向方式连接石墨烯纳米带要比单蒽分子以纵向方式连接石墨烯纳米带具有更优异的自旋过滤效应。当氧气吸附单蒽分子后,两种构型器件的自旋电流都会大幅度降低,但是自旋过滤效应会有所增强。尤其是单蒽分子以横向方式连接石墨烯纳米带的器件在± 0.5 V区间始终保持了近100%的自旋过滤效率。通过分析器件的自旋极化输运谱、输运本征态和自旋过滤效率等,详细地解释了氧气分子吸附调控器件的自旋输运性质以及改善器件的自旋过滤行为的物理机理。


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图1  (a)器件M1和M1O的自旋过滤效率; (b)器件M2和M2O的自旋过滤效率


同行评价

作者采用密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理计算方法,研究氧气分子吸附对以石墨烯纳米带为电极的单蒽分子器件自旋极化输运性质的影响。发现氧气吸附在单蒽分子后,导致自旋电流有近两个数量级的大幅度降低,吸附氧气的优点是提高了器件的自旋过滤效率。本文采用的计算方法是可靠的,所得结果有一定的理论和实际意义,对其物理分析也是合理的。无论从凝聚态物理及器件制备都有很大的创新参考意义。

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编辑推荐

基于多路放大器加法电路噪声抑制的热声成像技术

汤永辉,郑铸,谢实梦,黄林,蒋华北

物理学报. 2020, 69 (24): 240701

热声成像信噪比往往较低,为提高信噪比,通常需要通过对热声信号进行多次取平均。然而,通过取平均提高信噪比的方式会降低热声成像时间分辨率,阻碍快速热声成像技术的发展。本文提出一种基于多路放大器加法电路的低成本快速热声成像技术,将超声换能器接收到的热声信号分成四路同时进入四个放大器,放大后再将该四路信号经过加法电路累加输入到采集系统中,实现硬件层面的取平均去噪。仿体实验结果表明: 通过基于多路放大器加法电路的低成本快速热声成像技术,成像时间分辨率提高了5倍,信噪比由~6 dB提升到了~12 dB。本文通过低成本的简单加法电路原理,既提高了热声成像技术时间分辨率,又提升了成像信噪比,为快速热声成像技术的发展提供了一种崭新的技术,有助于推动热声成像技术的发展和临床应用。


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图1  仿体重建热声图 (a) 四通道加法电路不平均;(b) 四通道加法电路平均25次;(c) 四通道加法电路平均50次;(d) 单通道不平均;(e) 单通道平均25次;(f) 单通道平均50次


同行评价

成像系统的时间分辨率直接影响系统的整体性能,尤其是对空间分辨率影响较大。因此,超快的成像速度一直是影像技术研究的一大热点。热声成像中,由于其本身对比度较低,故通常通过多次取平均的方式增加系统信噪比以提升系统成像质量。但该类常规方法往往导致系统时间分辨率较低,阻碍了热声成像技术的发展。本文提出的基于多路加法电路方法,在提高系统信噪比和图像质量的同时,有助于低成本提升系统时间分辨率,对热声成像技术,尤其是超快热声成像技术的发展具有较大的科学意义。

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编辑推荐

分子层次的金纳米棒-表面活性剂-磷脂自组装复合体形貌

杨颖,宋俊杰,万明威,高靓辉,方维海

物理学报. 2020, 69 (24): 248701

金纳米粒子表面修饰剂的组分和形貌影响其物理化学性质。本文采用隐式溶剂耗散粒子动力学模拟的方法,研究了金纳米棒、溴化十六烷基三甲基铵和二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱的自组装形貌。结果表明,复合体组装形貌主要与溴化十六烷基三甲基铵和二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱这两种修饰剂的摩尔比有关,而金纳米棒与修饰剂的相互作用强度以及金纳米棒的直径对形貌的影响不明显。当作用强度和直径一定时,随着摩尔比增加,修饰剂在金纳米棒表面会形成完整的双层膜、有裂痕的双层膜、长片状胶束、以及以螺旋形式缠绕在金纳米棒上的蠕虫状胶束。进一步分析发现,金纳米棒直径越小、摩尔比越大、或作用强度越大时,金纳米棒两端的覆盖程度越高,同时修饰剂吸附层的厚度越薄。这些结果直接表征了溴化十六烷基三甲基铵和二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱混合物在金纳米棒表面的形态,在分子水平上加深了对金纳米棒自组装行为的理解,有助于实现金纳米棒的可控自组装。


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图1  GNRs-CTAB-DMPC复合体在d = 4 nm,D = 4 kBT时的组装形貌,其中CTAB/DMPC摩尔比分别为(a) 1:1;(b) 3:2;(c) 4:1;(d) 8:1;(e) 16:1;(f) 1:0


同行评价

本文利用隐式溶剂耗散粒子动力学模拟的方法研究了金纳米棒-表面活性剂-磷脂自组装形貌。研究发现,修饰剂的摩尔比是影响形貌的最主要因素;金纳米棒的直径以及修饰剂的含量和修饰剂与金纳米棒之间的相互作用对于形貌有一定的影响。该工作对于金纳米棒的可控自组装的实现有指导意义。

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编辑推荐

高压高应变率加载下多晶相变的原位X射线衍射

陈小辉,谭伯仲,薛桃,马云灿,靳赛,李志军,辛越峰,李晓亚,李俊

物理学报. 2020, 69 (24): 246201

高功率激光可通过直接烧蚀产生高温、高压、高应变率的物质状态,同时也可驱动金属箔产生与之精密同步的超短超强X射线源,成为利用原位X射线衍射技术研究材料在极端高温、高压、高应变率下相变动力学的重要实验平台。本文基于原型高功率激光装置建立高压、高应变率加载下材料相变的原位X射线衍射诊断平台,并以典型金属钒和铁为例开展冲击相变的原位观测。实验表明,在高应变率(108—109 s-1)冲击加载下,金属钒在69 GPa时依然保持体心立方结构不变,而金属铁在159 GPa时已经由体心立方结构转变为六角密排结构,均与文献报道一致。同时原位X射线衍射实验测量的材料压缩特性与宏观Hugoniot曲线符合得很好。利用原位X射线衍射技术研究高应变率动态加载下材料的相变行为对理解材料相变的应变率效应和动力学过程具有重要的科学意义,同时对提高材料工程服役的可靠性以及突破材料极端环境服役的发展瓶颈具有重要的工程价值。


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图1  (a) 通过坐标变换将铁原位X射线衍射图像转换到2θ-ϕ空间;(b)沿ϕ方向积分并扣除本底后得到一维X射线衍射曲线;(c) 激光干涉测速仪(DISAR)测量的铁样品自由面粒子速度演化历史,据此可计算样品压力;(d) 原位X射线衍射实验测量的压力与压缩比(ρ/ρ0) 的关系,实线代表轻气炮测量得到的铁 Hugoniot 曲线


同行评价

产生高温高压极端环境,并对相应极端条件下的现象进行原位监测的实验技术一直是极端物理领域的研究热点。本论文利用高功率激光装置,发展了高压高应变率加载下材料的原位X射线衍射诊断技术。技术手段先进,相关实验数据可信,讨论比较充分,在极端物理研究领域有较大科研价值。

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《物理学报》2020年第24期全文链接

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2020/24




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