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引言

在當今科學研究的快速發展中，芝加哥大學再次展現了其在前沿領域的創新能力，近日連續發表了三篇論文于《Science》雜志，涉及水凝膠與半導體結合、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域的技術瓶頸，還為未來的生物醫學、光電材料及微生物生態學的深入研究提供了重要的理論基礎和實踐路徑。

第一篇論文聚焦于將不溶于水的聚合物半導體有效整合進雙網絡水凝膠中，展示了其優異的生物相容性和電學性能，為生物電子設備的發展奠定了基礎。

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

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雜性。

這些成果不僅體現了芝加哥大學在科學研究中的卓越表現，也為相關領域的研究人員提供了新的視角和靈感，推動科學界對新材料及生物系統的理解與探索。

水凝膠是因其與生物組織的機械和化學相似性而被廣泛應用于生物醫學等領域。與傳統的聚合物材料相比，水凝膠具有優異的生物相容性、柔軟性和良好的水分保持能力，適合用于各種生物應用。然而，水凝膠在引入半導體功能方面面臨挑戰，因為大多數聚合物半導體在水中不溶，這限制了它們與水凝膠的結合，導致難以實現所需的電學性能和生物互動功能。

近日，來自芝加哥大學王思泓課題組在聚合物半導體與水凝膠結合的研究中取得了新進展。該團隊設計了一種溶劑親和力誘導組裝方法，將不溶于水的聚合物半導體整合到雙網絡水凝膠中。這一創新方法使得半導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。

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

膠體量子點是新興的光電材料，因其可調節的尺寸和優異的光電特性，成為了研究熱點。然而，目前在合成重要的III-V族半導體，特別是膠體砷化鎵（GaAs）方面，依然存在許多挑戰。這些半導體的傳統合成方法往往受限于低溫和復雜的反應條件，導致難以實現高質量的量子點。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。這一創新方法使得研究人員成功制備出發光的GaAs量子點，并展示了近12種以前未報道的III-V固溶體納米晶復合物，開辟了新的材料研究和應用領域。該研究以“Reductive pathways in molten inorganic salts enable colloidal synthesis of III-V semiconductor nanocrystals”為題，發表在《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，尤其是在通過共軛DNA轉移和第六型分泌系統（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構和功能。

鑒于此，芝加哥大學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）及其對微生物適應度的影響。例如，Sheahan等人通過轉錄組分析發現，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度，使其具備新的T6SS，增強了其在共同防御中的能力。

這些發現表明，腸道微生物之間復雜的相互作用和基因轉移機制不僅調節了不同物種的豐度，還可能在生態系統內產生深遠的影響。因此，深入理解這些機制及其生物學意義，對揭示腸道微生物群的動態變化及其與宿主健康的關系具有重要意義。該研究以“A ubiquitous mobile genetic element changes the antagonistic weaponry of a human gut symbiont”為題，發表在《Science》雜志上。

總結展望

芝加哥大學近期在《Science》雜志上發表了三篇重要論文，展現了該校在材料科學和微生物學領域的研究實力。這些研究不僅推動了水凝膠與半導體功能的結合，為生物電子設備提供了新的技術路徑；還深入探討了腸道微生物的基因轉移機制，揭示了微生物群落與宿主健康之間的復雜關系。這些突破性成果不僅豐富了科學界對相關領域的理解，也為未來的研究和應用奠定了堅實基礎，彰顯了芝加哥大學在全球科學研究中的引領地位。

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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