看这里！哈工大近期重要科研成果汇总

2月以来

 哈尔滨工业大学研究人员

在机器人、生命科学和医学

等领域取得了一系列成果

小编汇总了其中的部分成果

一起来了解下——

01

近日，机器人技术与系统国家重点实验室刘英想教授团队在压电机械手研究方面取得新进展，开发出由压电陶瓷驱动的新型4指压电机械手，相关成果以《面向宏微跨尺度操控的压电机械手》为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。压电机械手独特的宏微运动操控能力有望解决诸多先进技术领域面临的跨尺度精细操控难题。

机械手可代替或辅助人手实现灵巧操控，在机器人辅助操控领域有着举足轻重的地位，其功能与性能直接影响系统的服务水平。现有机械手种类繁多，在结构特征、换能原理和传动方式方面不尽相同，由于换能原理和运动传递策略的限制，其在动作精度、电磁兼容性和结构紧凑性等方面存在诸多局限。如何寻找新换能原理的驱动模式，设计更高效、更精密的传动机构，甚至完全摒弃传动机构，成为研制机械手的新焦点和新挑战。

压电机械手的结构、手势、特性、样机与应用示意图

该项研究工作开发出运用压电陶瓷构造的4指机械手。该机械手采用4指阵列均布构型，其手指为4分区环形压电陶瓷集成一体化结构，凭借逆压电效应实现电能至机械能转换，从而将压电陶瓷的多维微观变形转换为手指的多维运动。团队运用4指协同操控思想规划了10余种典型功能化操控手势，借助动静摩擦交替操控方法实现平板型、圆柱型、球型等物体的多维跨尺度操控；详细研究了压电机械手的迟滞（<3.95%）、分辨力（15纳米）、响应时间（0.5毫秒）、固有频率（4.1千赫兹）等特性，以及操控平板物体的运动特性；通过实验验证了压电机械手对各类物体的高适应性、多自由度、跨尺度操控能力。一系列应用探索试验成功展示了压电机械手在构建多自由度操控设备和集成机械臂末端执行器等方面的应用潜力。该项工作以无传动高刚性功能陶瓷集成一体化构型为核心，展示了运用压电陶瓷微观变形实现宏微跨尺度运动操控的可行性，相关多维运动生成方法和功能手势协同操控思想为机械手研制提供了新思路。

哈尔滨工业大学为论文唯一通讯单位。机电学院博士研究生张仕静、刘英想教授、邓杰副教授为论文共同第一作者。刘英想教授为论文唯一通讯作者。机电学院博士研究生高祥、李京、王玮亦、荀铭鑫、马雪峰、常庆兵，机电学院刘军考教授、陈维山教授、赵杰教授为论文共同作者。

该研究获得国家自然科学基金、哈工大医工理交叉基金的资助。此外，该4指压电机械手曾获第四届中国研究生机器人创新设计大赛特等奖。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36243-3

02

日前，生命科学中心何元政课题组在溶血磷脂酰丝氨酸受体GPR174配体识别和激活的结构基础方面取得新进展，揭示了GPR174独特的配体识别模式和Gs蛋白偶联机制。研究成果以《溶血磷脂酰丝氨酸受体GPR174配体识别和激活的结构基础》为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该发现揭示了溶血磷脂酰丝氨酸（LysoPS）结合的关键决定因素，并为理解LysoPS信号转导提供基础框架，为设计从未实现的LysoPS受体靶向药物提供合理基础。

GPR174/GS蛋白复合物冷冻电镜结构

LysoPS是一种脂质介质，通过与特定的G蛋白偶联受体（包括GPR174、GPR34、P2Y10）结合诱导多种细胞反应，这些受体被称为溶血磷脂酰丝氨酸受体。其中，GPR174主要在分化和成熟的调节性T细胞（Treg）中大量表达并同时负调控Treg细胞积累。GPR174也抑制白细胞介素-2和CD4T细胞的产生。GPR174的主要功能是调节免疫反应，因而是重要的炎症和自身免疫疾病的靶点。P2Y10的表达主要在脾脏、胸腺和淋巴结这些免疫器官内。P2Y10介导外周血的嗜酸粒细胞的去粒化，是潜在嗜酸粒细胞相关疾病，比如哮喘疾病的治疗靶点。GPR34在肥大细胞和小胶质细胞中高表达，并与神经性炎症和痛觉有关。GPR174的功能主要通过与G蛋白偶联实现，GPR174能同时与Gs和G12/13偶联，但主要与Gs偶联。

基于溶血磷脂酰丝氨酸在免疫反应中的重要作用和潜在对炎症及自身免疫疾病的治疗可能性，何元政课题组运用冷冻电镜技术解析天然配体LysoPS与人GPR174以及Gs蛋白复合物结合的冷冻电镜结构。该结构揭示与其他溶血磷脂受体识别机制差异很大的独特配体识别模式，主要表现为LysoPS的负电荷头部基团可与周围配体结合口袋的关键残基形成广泛极性相互作用，使L-丝氨酸深埋入配体结合口袋中的正电荷空腔中。在该结构中发现一个部分开放的口袋，通过跨膜结构域螺旋4（TM4）和跨膜螺旋5（TM5）朝向脂质双分子层，使配体便于横向进入。此外，该结构还揭示一种独特的Gs接合模式，即螺旋5（αH5）尖端深入到GPR174胞腔内部，因此，受体与αH5之间可形成广泛的极性相互作用，这是从前Gs偶联受体结构中没有报道过的现象。

何元政课题组博士研究生梁佳乐、日本东北大学药理学研究生院井上飞鸟教授为并列第一作者。何元政研究员和井上飞鸟教授为共同通讯作者。何元政课题组博士研究生夏瑞雪、王娜、徐珍媚、钱雨、祝鑫焱，日本东北大学药理学研究生院生田达也博士参与该课题的研究工作。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36575-0

03

近日，生命学院田维明课题组研究揭示了Krüppel样转录因子7（Klf7）调控心脏糖脂代谢平衡参与心肌肥厚发病的新机制。研究成果以《Klf7/Pfkl/Acadl轴调控雄性小鼠心肌肥厚期间的代谢重塑》为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该研究阐明Klf7/Pfkl/Acadl轴为调节肥厚和衰竭心脏代谢平衡提供潜在的治疗靶点。

Klf7/Pfkl/Acadl轴调控心肌代谢平衡参与心肌肥厚模式图

心肌底物利用偏好在整个生命周期及生理和病理条件下均会发生相应变化。胎儿时期，心脏高度依赖糖酵解作为三磷酸腺苷（ATP）供能的主要途径，到成年阶段，脂肪酸氧化则发挥主要作用。心肌底物利用偏好从脂肪酸氧化转换为糖酵解，代谢逐渐向胚胎方式转化是心肌肥厚向心力衰竭发展的重要标志。然而，糖酵解与脂肪酸氧化之间的密切关系及引起心脏病理重构的潜在机制尚不清楚。本研究旨在揭示调控脂肪酸和葡萄糖代谢的转录调控机制，可为心肌肥厚和心力衰竭治疗提供基于调控糖脂代谢紊乱的治疗靶点。

在心肌肥厚和心力衰竭阶段，糖脂代谢底物的转换是一种代偿性现象还是重要致病因素，几十年来一直存在争议，本研究证实糖脂代谢底物的转换是引发心肌肥厚的独立因素。研究发现，Klf7心肌特异性敲除（KO）小鼠和Klf7心肌特异性过表达（TG）小鼠分别干扰成年和幼年时期心脏的糖脂代谢平衡，导致其心脏收缩功能障碍和心肌纤维化产生。因此，KO和TG小鼠均可作为自发性心肌肥厚模型，为研究幼年到成年阶段代谢疾病的病理进展提供基础。最终，团队通过体内和体外实验，证明心肌特异性敲低磷酸果糖激酶（Pfkl）和过表达长链酰基辅酶A脱氢酶（Acadl）分别通过抑制糖酵解和增强脂肪酸氧化来部分缓解KO小鼠的心肌肥厚病理表型。

 哈尔滨工业大学生命学院田维明教授为论文通讯作者。生命学院博士研究生王操为论文第一作者，哈尔滨医科大学乔书培博士为论文并列第一作者。我校空间基础科学研究中心赵玉芳副研究员，哈尔滨医科大学附属第一医院闫威副主任医师，哈尔滨医科大学附属第四医院侯小路副主任医师，田维明课题组博士研究生田辉、王瑞琦、张博淞、杨超凡、祝富星、陈悦，硕士研究生矫彦文、金家名参与论文研究工作。

本研究获得国家重点研发项目、国家自然科学基金和黑龙江省头雁团队原创探索基金的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36712-9

04

近日，医学与健康学院贺强、吴英杰团队在仿生超分子胶体马达研究方向取得最新进展，提出了纳米尺度旋转生物分子马达协同驱动细胞尺度超分子胶体马达的构筑新方法。研究成果以《旋转生物分子马达驱动的超分子胶体马达》为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。该研究创新性地以纳米尺度的旋转生物分子马达ATP合酶作为动力部件，驱动细胞尺度的超分子胶体马达，实现了仿生体系生物安全的能量转换和自主运动能力。

纳米尺度旋转生物分子马达协同驱动细胞尺度超分子胶体马达运动的仿生设计与表征

在生物体中，细胞通过协调成百上千蛋白质分子马达的运动和力量，在多个尺度上执行各种机械任务，如细胞内物质运输、细胞运动和肌肉收缩等。然而，从纳米级蛋白质马达出发设计活性仿生材料和机器，通过消耗能量来推动微米级组装体连续运动仍然面临巨大挑战。针对这一挑战，该研究团队首次提出了一种新型的旋转生物分子马达协同驱动的超分子胶体马达，以自然界最小的分子马达——旋转生物分子马达ATP合酶作为动力基元，运用可控化学分子组装构筑了生物分子马达协同驱动超分子胶体马达的新体系。

研究团队发现，含ATP合酶马达的色素团囊泡在聚电解质微胶囊表面的融合过程遵循“降落伞”机制，可实现ATP合酶马达内外取向的调控，获得超分子胶体马达的非对称结构。结合实验数据的物理分析和理论模拟，在ADP、无机磷的反应溶液中，光照下超分子胶体马达的表面发生不对称的光合磷酸化反应，驱动超分子胶体马达运动，展示出较高的能量转化与驱动效率。通过改变光强，可实现多个生物分子马达协同作用并放大这些分子力与运动，调控超分子胶体马达的运动行为，模拟生命体从分子到介观到宏观逐级放大做功的现象。

研究成果创新性地运用生物分子马达的能量转化，实现了对超分子胶体马达动力单元的动态调控，印证了由生物分子机器驱动更大尺度机器的可能性，为游动纳米机器人仿生设计提供了全新的思路，也为未来细胞的能量代谢主动调控实现疾病的精准诊疗提供了新途径。

 哈尔滨工业大学医学与健康学院吴英杰副教授、贺强教授和国科温州研究院巫浩副研究员为论文通讯作者。贺强课题组博士研究生刘君为论文第一作者，博士研究生李月和国科温州研究院杨玲研究员参与论文研究工作。

本研究获得国家自然科学基金重大项目和国家重点研发课题的支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg3015