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南科大李喆课题组发表工程化构建DNA胶体晶体的展望性评述
近日，南方科技大学生物医学工程系李喆副教授和普渡大学DNA纳米技术专家毛成德教授在学术期刊Science上发表了题为“Engineering colloidal crystals molecule by molecule”的展望性评述文章[1]（图1）。该评述介绍了同期Science期刊发表的两篇用DNA分子精确可控构建胶体晶体的研究论文，并对工作中的研究背景、技术要点和发展前景进行了评述。
图1 DNA胶体晶体的工程化构建[1]
基于分子设计的晶体工程已经为医学、催化、光学和电子学等领域带来了许多科学技术进步。区别于分子晶体，胶体晶体通常是由胶体粒子而非单个分子排列而成的高度有序结构。虽然科学家们对胶体晶体进行了长期的研究，但是与分子晶体所能达到的控制水平相比，在胶体晶体中实现高精度的结构设计和复杂的编程调控仍然是一个重要的挑战。
传统的胶体粒子在尺寸均匀性、形状控制、多分散性以及颗粒间相互作用的调节上存在许多局限性。相比之下，DNA 折纸——一种由成百上千条DNA单链自组装形成的纳米结构，可以对这些性质进行纳米级别精度的编程。尽管十多年前人们就意识到了 DNA 折纸在胶体组装中的潜力，但是实现DNA胶体晶体经历了漫长的试验和犯错。编程DNA胶体晶体存在许多挑战：例如，DNA结构和相互作用的柔性可能导致组装坍塌或扭曲；非特异性相互作用可能导致错误组装；过强的相互作用设计可能让DNA折纸微粒进入动力学陷阱而发生无规聚集，阻碍它们组装成热力学上更稳定的有序结构。
在最新一期Science中，慕尼黑大学Tim Liedl课题组Gregor Posnjak等人创建了一种基于DNA折纸的立方金刚石胶体晶体[2]。这种胶体晶体中，DNA折纸颗粒以与金刚石中碳原子相同的方式排列。金刚石这类晶格具有大的开放空间，从能量的角度来说是不稳定的，因此在过去的胶体晶体设计中的成功率很低。作者设计了一种DNA折纸四足体来实现金刚石胶体晶体的组装。四足体的四个臂沿着正四面体的方向延伸，每个臂的末端是单链DNA尾部。尾部携带互补的DNA序列，能够相互杂交引导相邻的四足体以60°交错的扭转角度连接。研究发现，两个相邻的四足体间需要形成交错而非重叠的构象才能引导正确的晶体组装。同时，DNA杂交的相互作用强度必须足够微弱，才能组装出晶面清晰、有序性强的金刚石胶体晶体。
图2 DNA折纸金刚石胶体晶体的分子设计和自组装[2]
在同期Science的另一篇研究工作中，亚利桑那州立大学Petr Šulc课题组Hao Liu等人建立了一个强大的计算实验框架，构建基于 DNA 折纸的胶体晶体自组装[3]。在模拟中，作者将 DNA 折纸视为表面上具有多个相互作用区域的球形颗粒，并使用反馈回路来推进有利于晶格形成的设计，并排除导致竞争性组装的设计。经过一定次数的迭代，作者在计算机上高产率地获得了烧绿石晶格（一种正四面体顶点相互连接的三维排列）。作者进一步在实验中将DNA八面体以及二十面体折纸组装成烧绿石晶格，证实了模拟结果。
图3 DNA折纸烧绿石胶体晶体的分子设计和自组装[3]
在评述中，李喆副教授和毛诚德教授指出，成功组装DNA胶体晶体的关键在于颗粒间相互作用的设计。在Posnjak等人的方法中，相邻四足体之间多个分子相互作用可以约束四足体的交错角度促进晶体组装；在Petr Šulc等人的方法中，模拟方法搜索和确定了多组相互作用，利用多价性和特异性将DNA折纸颗粒固定并堆积在所需的晶格位置。评述最后还对DNA胶体晶体领域的发展进行了展望：进一步调整设计参数和实验条件有望实现尺寸更大、组装更为有序的DNA胶体晶体，这会影响胶体晶体的性质并进步拓展它们的应用。通过设计单个DNA折纸颗粒及其相互作用，有望在胶体晶体实现前所未有的复杂晶体结构。这些新型的胶体晶体可以在与紫外线和可见光波长相当的长度尺度上排列材料元件，构建光学超材料。结合动态DNA纳米技术，这些高度可编程的胶体晶体可以被进一步设计成响应性和可重构的光学器件，并能够以以前无法达到的精度来操纵光。
南方科技大学为论文的第一单位，生物医学工程系李喆副教授是评述论文的第一作者和共同通讯作者。李喆副教授多年来致力于生物纳米技术的研究，特别是生物大分子的晶体设计。他在博士和博士后期间分别师从DNA纳米技术领域专家毛成德教授和蛋白质设计专家、美国科学院院士David Baker教授，提出了多种原创性的晶体设计思路和改造方法，包括高稳定性和动态响应性DNA三维晶体设计[4,5]，以及蛋白质三维晶体的计算设计[6]。例如，在2023年Nature Materials期刊上题为“Accurate computational design of three-dimensional protein crystals”的论文中， 李喆博士、王顺智博士和Una Nattermann博士提出了一种精确设计蛋白质三维晶体的通用方法。这种开创性的方法实现了原子级别精确的蛋白质晶体设计，并且在蛋白质分子的初级序列中编码了晶体材料的自组装信息，为结构生物学研究和生物材料工程提供了强大的平台。
图4 蛋白质三维晶体的计算设计[6]
论文链接：
[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp4370
[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl2733
[3] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5549
[4] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06613
[5] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200441?af=R
包揽2金！我系本科生“挑战杯”获奖率100%
5月17-19日，第十四届“挑战杯·广州工行”广东大学生创业计划竞赛终审决赛在华南农业大学举行。经过闭馆质询、团队展示和路演汇报等环节，我系“螺旋微存—全球首创便携式DNA数据存储设备”、“科达派宁—国产口腔高值生物材料创新引领者”2支队伍获得金奖，获奖率100%。
开幕式上，“螺旋微存”项目团队代表作为全省四名学生代表之一作主题分享。我系两个项目均被“广东学联”等公众号和主流媒体报道，得到高度评价。
“科达派宁”项目团队
“螺旋微存”项目团队
“科达派宁”项目团队介绍
项目名称：科达派宁-国产口腔高值生物材料创新引领者
项目负责人：赵恩泽（生医工系2021级本科生）
项目成员：王岩松、朱琳、陈康予、徐泽田、赵元龙、郭子钰、李诗曼、尹宇涛
指导老师：唐斌、李斯明、许博清
项目介绍：当前，医疗器械集中采购开展得如火如荼。尤其是在口腔领域，种植牙降价迅猛，吸引更多患者走进牙科诊所。然而，无论是拔除智齿还是假牙种植，患者都不可避免地会碰到伤口肿胀疼痛、出血难止等问题。现有的修复材料，如生物海棉、口腔修复膜等，无不功能单一，无法提供一个舒适自然的术后解决方案。
“科达派宁”镇痛止血凝胶是由Bison Biotech团队开发的一款新型生物医用材料，旨在解决牙科临床中的止血镇痛问题。该凝胶结合海藻酸和CBD，利用其生物活性实现快速止血、镇痛、消炎及促进骨生长等多重功效。团队依托南方科技大学生物医学工程系先进生物力学与材料实验室，拥有跨学科的专业人才和先进的实验设备。产品已获得专利成果，并与多家医疗机构及企业建立合作，致力于提升国产医疗器械的全球竞争力，引领国产高值生物材料的创新创造。
“螺旋微存”项目团队介绍
项目名称：螺旋微存—全球首创便携式DNA数据存储设备
项目负责人：邵家霖（生医工系2020级本科生）
项目成员：李健恺、况成润、高临生、罗佳航
指导老师：蒋兴宇、吴联生、李斯明
项目介绍：由于现在制造工艺处于技术瓶颈，基于半导体、光、磁技术的信息存储设备的发展已不能遵循摩尔定律的预测，伴随着全球指数级信息量增长的趋势，新一代DNA数据存储技术的出现将打破目前存储技术的技术瓶颈。
螺旋微存团队(METADATA)致力于将DNA数据存储产业化，推出微型化DNA数据存储器及嵌入式云存储服务平台，通过将信息编码在DNA碱基中，存储于自主研发的新一代微型自动化DNA数据存储器，在存储容量、数据加密、文件管理、数据保存年限、低能耗和小型化等多方面的产品优势超过现存的所有存储设备。产品DNA Memory存储器及全部工作系统占地为一个办公桌且耗电量极低，即可直接等比代替大型服务器数据中心；相比于服务器、SSD、光盘、磁带等存储器数据保存期与可使用年限约为5～50年，而DNA Memory存储器的数据保存时间大于300年。
针对目前大型公司、机构与个人的“冷数据”存储需求，我们结合前沿的云端存储与数据处理技术，开拓冷数据存储服务新模式，解决冷数据存储市场存储价格高、能耗高、占地面积大、保密性差等痛点，我们立志于将世界上的所有数据存入“我们”的DNA。
本届“挑战杯”竞赛聚焦新质生产力，作品类型涵盖科技创新和未来产业、乡村振兴和农业农村现代化、生态文明建设和绿色低碳发展、文化创意和区域交流合作、社会治理和公共服务等五大领域。自启动以来，共有157所高校、3.4万件作品参赛，省校两级参赛人数超过10万人，参赛人数和作品数均创历史新高。经过层层把关、严格评审，来自124所高校的524件作品脱颖而出，在终审决赛同台竞技，超3000名师生向“挑战杯”发起冲击。
当前，南科大正在以学校获批国家级双创示范基地、广东省创新创业教育示范学校和深圳市就业创业服务站为契机，按照学校“人才培养卓越计划”要求，推动“三全育人”提质创新，积极协同各院系和社会资源，通过开展“明德沙龙”、“日新训练营”和“南科素研夏校”等活动，不断深化创新创业教育改革和完善“1+2+3+4+N”创新创业实践教育模式，培养“博专统一、知行合一 ”的未来科学家、卓越工程师和创新企业家。
陈昕：超声超分辨成像研究进展
十四五科技部重点研发计划“生物与信息融合(BT 和 IT 融合)”青年科学家项目启动会顺利召开
2024年5月10日，由南方科技大学副教授张明明主持承担的十四五科技部重点研发计划“生物与信息融合(BT 和 IT 融合)”重点专项青年科学家项目启动会在我校会议中心召开。
本次启动会出席的专家有：中国科学院院士顾宁、天津大学副校长明东、北京医院主任蔡葵、中国科学院深圳先进技术研究院教授吴新宇、哈尔滨工业大学教授付宜利、上海交通大学教授王贺升、深圳大学教授李坚强、苏州大学教授陈新建、北京中关村水木医疗有限公司董事长孙京昇、中天恒信（北京）国际会计师事务所有限公司财务专家刘明华高级会计师、南方科技大学讲席教授蒋兴宇、讲席教授沈平等，一同列席会议的还有项目及各课题承担单位的相关研究人员。
会议现场
我校两位讲席教授沈平、蒋兴宇对该项目的成功立项表示祝贺，并对项目顾问团队的来访指导表示感谢。
项目负责人、生物医学工程系副教授张明明对项目意义、研究内容、项目指标、实施方案及最新研究进展进行了汇报。
颁发项目顾问聘书
随后，各专家就实施方案开展质询、讨论，并就十四五科技部重点研发计划青年科学家项目的目标愿景和总体任务部署进行了详细解析，对各合作单位提出了具体要求及建议。顾宁院士表示，项目执行时需高标准完成各项指标，并可适当增加对于科学问题的探索。项目专家组组长明东对项目表示期待，并就项目发展进行规划建议。他表示，涉及多家单位、各单位间互动，需注意交接节点，涉及临床实验的相关工作需按照相关规定执行并尽早启动。
项目负责人张明明
据悉，该项目围绕高精度生物感知觉反馈操纵技术与系统进行研究，具体落脚在“任务导向性视触反馈操纵机器人关键技术与康复应用”，主要思路为重点研究任务导向性视触感知反馈神经机制与意图解码技术、适配生物感知回路的机器人视触融合机理与反馈编码技术、人机双向视触反馈操纵平台及闭环交互方法，并开展面向物体转移任务的视触反馈操纵机器人研制及康复应用和面向平衡行走任务的视触反馈操纵机器人的研制及康复应用。
本项目启动会的顺利召开有助于该项目的顺利实施，同时对改善和提高我国智能机器人辅助康复水平，抢占该领域的科学技术制高点具有重要指导意义。
我系研发成果再获基金委官方报道
近日，南方科技大学生物医学工程系的博士二年级学生黄东敏，以第一作者身份在工程领域的国际著名SCI期刊IEEE Internet of Things（影响因子10.6，中科院一区，TOP）发表了研究论文“Camera-based Respiratory Imaging for Intelligent Rehabilitation Assessment of Thoracic Surgery Patients”（基于视频呼吸成像的胸外科术后患者康复评估）。该研究获得国家自然科学基金委员会的官方报道与关注！
报道链接：https://www.nsfc.gov.cn/csc/20340/20343/67537/index.html
本研究与深圳市第三人民医院党委副书记、院长卢洪洲教授，以及胸外科乔坤主任、陶筱婷医生深度合作，获得临床患者数据采集方面的大力支持！在针对胸外科术后患者的康复评估研究中，南科大-深圳三院组成的医工团队首次利用相机阵列式监测实现了肺部呼吸运动的空间成像，并通过深度神经网络实现了对肺部康复状态的智能化评估诊断。该研究从肺部康复的临床诊断机制出发（包括听诊法和触诊法），利用相机像素阵列式的呼吸运动监测判断患者胸部左右区域的呼吸对称性，利用生医工“无线健康感知实验室”自主研发的高精度光流法PixFlow提取视频中患者微弱的胸部呼吸运动并生成呼吸强度空间热力分布图，利用基于原型对比学习的深度神经网络对呼吸运动成像进行自动化分析，从而实现对患者肺部术后康复状态的智能评估。与临床金标准CT或X-ray影像相比，研究团队提出的创新方法在45例胸外科患者上验证了临床有效性。临床试验表明，非接触视频生理监测不仅可用于连续的生命监护（如重症监护室、新生儿监护室、睡眠中心），也可用于快筛式的疾病筛查或康复评估，将在生命监护和康复诊断方面发挥重要作用，对推动“非接触监护技术”的国产化创新具有重要的示范性作用。
本研究获得国家自然科学基金海外优青、原创探索计划、面上等项目的资助。据悉，生医工系的黄东敏同学在博士二年级期间已以第一作者身份发表4篇SCI期刊论文和4篇IEEE国际会议论文，包括IEEE-TBME，IEEE-JBHI，IEEE-IOT，MMR（与钟南山院士合作），未来将在“非接触健康监测”领域做出更大的学术贡献！
Xiaoming He：Bioinspired Multiscale Engineering of Cell and Molecule-Based Medicines
我系博士生成功获批首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）
近日，国家自然科学基金委员会公布了首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）立项名单，南方科技大学生物医学工程系2020级博士研究生傅爽（导师：李依明）申报的《数据与物理模型联合驱动的厚样品三维超分辨成像的关键问题研究》成功获批，资助经费30万元。
1. 获资助项目简介
单分子定位显微镜（SMLM）作为一种具有高分辨率（20-30 nm）和分子特异性的超分辨成像技术，近年来在生命科学的研究中取得多个重要发现。然而SMLM在受到系统像差、背景荧光以及样品像差的影响下分辨率会迅速下降，这也导致其观测深度通常局限于玻片表面数微米，极大限制了该技术的应用范围。本项目拟通过对原位矢量光场的理论建模和神经网络协同学习策略的研究，提出一种数据与物理模型联合驱动的变分自编码器算法。该算法可以从海量单分子数据中自适应学习包含未知像差的点扩散函数和荧光分子位置。结合自适应光学系统矫正复杂样品中的像差，本项目有望大幅提高SMLM的成像深度，拓宽超分辨成像的应用范围，为生命科学的研究提供新视角和新工具。
2. 项目负责人简介
傅爽，生物医学工程系2020级博士研究生，主要从事三维超分辨显微成像技术的研究。迄今以第一作者（含共一）在Nature Methods、Optics Letters、Optics Express等知名期刊上发表论文，获得博士研究生国家奖学金，参加多次学术会议并获得最佳口头报告奖。
3. 导师及课题组简介
李依明，南方科技大学研究员。2009、2010、2015年分别于上海交通大学、海德堡大学、卡尔斯鲁厄理工学院获得生物医学工程学士、医学物理硕士和生物物理博士学位。2016-2019年受玛丽居里博士后奖学金资助，分别在欧洲分子生物实验室和耶鲁大学任职博士后和访问学者。2019年底入职南方科技大学担任独立PI。研究方向为三维超高分辨显微成像技术及其生物应用。近年来以第一/通讯（含共同）发表多篇高影响力论文，包括Nature Methods（2018，2023，2024），Nature Communications（2022）等。主持了国自然面上、山东省重点研发计划、深圳市基础研究重点、深圳市医科委前沿探索等多个科研项目。目前和包括来自EMBL，耶鲁大学，牛津大学和剑桥大学等多个实验室有合作关系。课题组长期招收博士后、研究助理及博士/硕士研究生，有物理，光学工程、计算机、机械工程、生物医学工程、生物技术、生物化学等相关专业背景，要求具备良好的学习能力、独立工作能力和团队沟通能力。
课题组主页：https://li-lab-sustech.github.io/
有意者请将个人简历发送至李依明副教授邮箱：liym2019@sustech.edu.cn
