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中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-8-科技新闻我国科学家在酿酒酵母染色体臂的精简与合成重构研究获进展我国在城市街谷氮氧化物主动净化装置的研究获进展作为包含物种所有遗传信息的复杂序列，基因组存在普遍的冗余性。除了维持生存所需的必需基因外，基因组还具有大量辅助型核心基因，使得生命系统在面对复杂环境变化或者部分基因功能丧失时依旧能够维持正常运转。合成基因组学作为新兴的研究领域，以突破从头设计与合成物种基因组的相关理论和技术为目标，致力于解答 DNA 序列与生物学功能的关联，拓展人类对生命本质的认知和理解，合成新型人造生命。目前，科学家已实现了对多个病毒与细菌的基因组的设计与合成，并创建了仅含有 473 个基因的最小原核基因组。由于基因组大小和复杂度的增加，真核生物基因组的合成面临更多挑战。世界上首个真核生物基因组合成计划酿酒酵母基因组合成计划（Sc2.0）经过多年努力，近期完成了所有酵母染色体的人工合成。在 Sc2.0 中，通过对重复序列的删减等预计可实现约 8%的酵母基因组的精简。为了进一步探索酵母基因组序列的必需性和可塑性，中国农业科学院农业基因组研究所研究员、中国科学院深圳先进技术研究院客座研究员戴俊彪，以及英国曼彻斯特大学教授蔡毅之、美国纽约大学教授 Jef Boeke，发起了 Sc3.0计划。该计划旨在深度精简和重构设计酵母基因组，构建首个最小酵母基因组，探究真核生命的中国科学院地球环境研究所空气净化新技术团队与香港理工大学团队，研发了适用于道路公交站等交通枢纽的环境空气主动净化装置。该装置包含气态、颗粒态污染物净化模组（图 1），可同步有效净化环境 NO2、NO、CO 和 PM2.5等污染物。该团队在香港一条交通流量较高的街谷安装了 7 套空气净化装置，并通过空气质量传感器网络持续量化评估其在实际环境中的区域净化效果。连续 4 个月的监测结果显示：7套空气净化装置对 NO2、NO、CO 和 PM2.5的小时平均去除率分别为 14.0%16.9%、19.2%44.9%、11.9%18.7%和3.5%10.0%；净化器的布局、环境湿度、风核心元素。近 期，深 圳 先 进 院 戴 俊 彪 团 队 和 赵乔 团 队，在 自 然-通 讯（Nature Communications）上，在 线 发 表 了 题 为Building a eukaryotic chromosome arm by de novo design and synthesis 的研究论文。该研究通过自下而上的设计策略指导酿酒酵母 12 号染色体左臂（chrXIIL）的深度精简和优化。研究发现：仅需 20%的天然序列即可支持菌株存活，约 45%的天然序列足以恢复菌株的稳健表型；进而利用显著区别于天然序列的合成型序列构建可替代内源 chrXIIL 来支持酵母存活的功能性人工染色体。这是戴俊彪团队继2021 年利用 Sc2.0 合成染色体中引入的重排系统（SCRaMbLE）建立基于非理性随机删减的基因组精简策略后，获得的 Sc3.0 计划的又一重要进展。该研究在染色体臂范围内探究了支持生存的最小基因集，达到了颇高的精简程度，并提出了新型优化策略，为酵母基因组的系统精简提供了可能的解决方案。同时，该研究引入具有前瞻性的重编设计，并证实了利用显著区别于天然序列的全人工染色体替代天然染色体臂功能的可行性。本研究揭示了酵母基因组序列的冗余性和可塑性。向和风速等因素影响其区域净化效果（如图）；环境中 NO2、CO 和 PM2.5浓度越高，净化效果越好，而 NO 则相反；相对湿度在 70%至90%之间时，空气净化装置的区域空气净化能力表现最佳。空气净化装置在香港街谷环境的有效服役周期约为 130 天，服役期满的核心净化模块可再生利用。这一香港路边环境氮氧化物主动净化项目实现了预期的治理效果，验证了人口密集的城市地区采用路边空气主动净化装置消减空气污染的可行性和有效性。近期，相关研究成果发表在全环境科学（Science of The Total Environment）上。-9-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期科技新闻中国科学院青岛能源所开发出基于稀土超富集植物的新型仿生吸附材料中国科学院自动化所主导开发出图主干网络模型在碳达峰、碳中和的战略时代背景下，能源转型已经成为全球共识。稀土元素有“工业维生素”和“新材料之母”之称，作为高新技术发展的战略资源，随着科技的突破变得越来越重要。我国作为稀土出口大国，优化稀土资源绿色高效的综合利用，突破低浓度稀土回用的技术瓶颈，实现稀土行业的可持续发展已成为稀土矿产资源开发利用的重要课题。近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所绿色反应分离与过程强化技术中心基于稀土超富集植物富集基团，开发了一种针对稀土矿区浸矿尾液低浓度稀土离子绿色高效吸附的新型仿生吸附材料，在吸附性能方面取得了进展。相关成果发表于化学工程杂志（Chemical Engineering Journal）。该工作制备了一种基于超富集植物细胞壁的有效富集稀土的新型纤维素/果胶复合气凝多年来，消息传递范式作为图神经网络（GNN）的基础，在广泛应用中取得了成功。尽管这种范式在多种任务中颇具潜力，但 对 图 级 任 务（graph-level tasks）带来了一些挑战，如长程问题（long-range problem）、信息瓶颈（information bottleneck）、过 度 挤 压 现 象（over-squashing phenomenon）、有限的表达能力（limited expressivity）。中国科学院自动化研究所神经计算与脑机交互团队针对图级任务开发了图主干网络模型（Graph Trunk Network，GTR），旨在打破“以结点和边为中心”的传统思维方式，克服传统消息传递范式中的挑战。这一新框架的核心胶吸附剂，用于回收浸矿尾液中的稀土元素，并采用 SEM、FTIR、XRD 和接触角测量仪对所得吸附剂的主要成分进行系统分析。研究结果表明，PCA 吸附剂表面具有丰富的活性吸附基团、较低的结晶度和良好的亲水性能，在吸附稀土离子领域有着优异的结构基础。热力学研究表明，吸附过程符合 Langmuir 模型，理论最大吸附容量达到 337.36 mg/g。动力学研究表明，吸附过程符合准二级动力学模型，吸附过程为化学吸附。吸附剂五次吸附-解吸循环后仍然具有良好的吸附性能。从 FTIR 和XPS 光谱分析可知，PCA 的对稀土离子的吸附机制主要是通过静电作用、与-COOH 的离子交换以及与 C-NH2 的螯合作用实现的。新型的基于细胞壁合成的复合气凝胶 PCA 具有潜在的应用前景，是一种绿色高效且具有良好再生性能的吸附剂。思想在于图级任务通常不需要像结点级任务一样为每个结点学习极其准确的表示。具体而言，新框架使用树分解（tree decomposition）算法在原始图中提取一棵骨架树，进而将骨架树分解为不同级别的主干（亦可称为“树干”），并运用长短期记忆（LSTM）网络沿着主干相应的路径学习各级主干的表示，最后结合各级主干的表示创建原始图的表示。深入的理论分析与全面的实验验证进一步证明了该模型在捕获长程信息和缓解过度挤压问题方面的优越性，为图级任务提供了新见解。相关研究成果发表在IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 上，相关代码已开源。中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-10-科技新闻我国科研团队实现航空发动机燃烧器复杂内流的高保真数值模拟一种利用新型微波链路监测城市降雨技术研发成功近期，中国科学院力学研究所副研究员吕钰与博士后乔正等，利用大涡模拟（LES）技术实现了双旋流航发燃烧器的复杂内流的高保真数值模拟，为提升航发燃烧器的燃烧效率与加速设计迭代提供了计算流体力学工具。航空发动机是大飞机的动力源，燃烧器被视为发动机的心脏。燃烧器中，燃料的化学能得以释放从而转化为热能。发动机的燃烧效率、稳定性、污染物释放特性均与燃烧器的设计相关。由于与实际工业的技术应用相关，本研究预测了双旋流航发燃烧器的复杂内流，并重点评估了低网格分辨率条件下 LES 技术的预测能力。为了形成具有不同耗散效应（在数值和物理两方面）的 LES 配置，该研究考虑了多种不无线通信网络技术尤其是蜂窝网络通信技术的应用，不仅仅是提供基本的民用通信连 接。随 着 感 知 通 信 一 体 化（Integrated Sensing and Communication，ISAC）技术的发展，通过共享频谱、信号、硬件等，可实现通信与感知的相辅相成。近年来，一种创新的城市降水监测技术通过分析商用微波回程 链 路（Commercial microwave links，CML）和 卫 星 到 地 面 微 波 链 路（Satellite microwave links，SML）的信号衰减来估计降水量。科研人员展示了毫米波和视距多输入多输出（LOS-MIMO）商用微波链路新技术在天气感知方面的潜在应用价值。不断扩展的通信网络可成为高时空分辨率降雨信息的重要数据来源。同黎曼通量格式与亚格子模型的数值配置组合。通过从不同配置获取的 LES 结果，科研人员对关键流动特性进行了定性比较，并与实验测量进行了定量评价。研究发现，数值格式的选择在控制时均流动模式方面具有突出作用，而亚格子模型的影响主要体现在瞬态流动特性，如涡破裂和进动涡核。基于对误差的分析，该团队发现较低的耗散LES 设定并不总是有益于提高 LES 的准确性，这与文献中的常规理解形成对比。相 关 研 究 成 果 发 表 在 流 体 物 理 学（Physics of Fluids）上。研究工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目和中国科学院国际伙伴计划的支持。这一技术具有如下优势。一是全球微波链路数量已超千万。随着智慧城市和5G网络的不断发展，通过大规模密集部署的微波链路，可实现城市高分辨率的降雨监测。二是 CML 可独立用于高时空分辨率的降雨测量，并可与其他气象仪器的测量数据结合使用。三是 CML 可用于监测其他气象和环境参数如水汽、氧气、雾、污染等，亦可应用于排水建模和植被特征描述。CML 通过不同频率和极化的多个链路，可提取雨滴谱分布特征或进行降水类型分类。这些观测可用于水文模型、洪水预警和数值天气预报模型。相关研究成果发表在 IEEE Communication Magazine 上。上述成果由中国科学院大气物理研究所、河南科技大学和以色列特拉维夫大学合作完成。