南大化院黎建团队Science！西湖大学施一公团队Science！

导读

近日，南京大学化学化工学院黎建特聘研究员团队在Science发表研究论文，通过微晶电子衍射技术（MicroED）进行快速晶体结构解析，加速沸石分子筛材料合成优化过程，成功创制了两例以NJU命名的超大孔硅铝酸盐沸石分子筛NJU120-1和NJU120-2；西湖大学施一公团队在Science发表研究论文，他们解析了BAX线状/环状聚合物所共享的基本重复单元结构，解答了“死神”BAX究竟是如何让细胞走上死亡命运的不归路。

创制先进材料和阐明构效关系是化学、材料、物理、生物医药等物质科学发展的基础与核心。以沸石分子筛（zeolite）为代表的无机微孔材料由于其具有孔径分布均一、孔道结构规整、活性中心可调、比表面积大、稳定性好等特性，广泛用于绿色催化、吸附分离、离子交换等领域，多次引领能源、化工、环境领域里程碑式变革。新结构沸石分子筛的创制和应用是能源、化工、环境等众多领域技术变革的源头创新之一。但新结构沸石分子筛材料难设计合成且不易制备高质量单晶，其结构分析主要依赖于多晶粉末样品，因此，突破晶体尺寸和样品纯度对沸石分子筛材料结构分析的限制是新结构分子筛创制过程中的巨大挑战。

近日，南京大学黎建研究员团队与中国石化石油化工科学研究院林伟教授团队和香港理工大学林聪研究助理教授团队合作，利用黎建课题组自建的微晶电子衍射技术平台（Sci. China Chem. 67, 4158–4166 (2024)）在同一沸石分子筛合成体系中仅合成的32个不同组份的样品点，发现了两例分别具有22×10×10元环和22×12×10元环孔道系统的新型三维稳定超大孔硅铝沸石分子筛NJU120-1和NJU120-2。

图1. NJU120-1和NJU120-2沸石分子筛的结构解析

NJU120-1为纳米片状型貌，厚度仅约8纳米，对应约1.5个晶胞；NJU120-2为纳米棒状型貌，尺寸约为50纳米×250纳米。黎建团队利用微晶电子衍射技术在纳米晶体结构解析的优势，在含有杂质的样品中快速解析得到了NJU120-1和NJU120-2的晶体结构，加快了合成条件的优化。

图2. NJU120-1和NJU120-2分子筛的电子显微镜结构表征

NJU120-1和NJU120-2分子筛具有高的水热和热稳定性，约1.2纳米的超大孔径和纳米尺度形貌，使得其在催化裂化（FCC）反应中展现出优异的重油转化率和轻质燃料（汽油、柴油和液化石油气）选择性，其实验室的初步催化性能甚至超越工业上高度优化的超稳Y沸石分子筛（USY，FAU结构），且表现出良好的循环稳定性，在5次再生后催化裂化性能无明显衰减。

图3. NJU120-1和NJU120-2分子筛重质石油催化裂化性能

该工作第一通讯单位为南京大学配位化学全国重点实验室、化学化工学院。化学化工学院2024级博士研究生马超、2023级博士生章正汉，2023级硕士生张梦迪为共同第一作者。中国石化石油化工科学研究院林伟教授，香港理工大学林聪研究助理教授为论文的共同通讯作者；黎建特聘研究员为最后通讯作者。该工作中重质油催化裂化由中国石化石油化工科学研究院林伟教授团队完成，部分物性表征和同步辐射测试由香港理工大学林聪研究助理教授完成。重庆大学石佳荣副教授，南京大学郭盛特聘研究员在有机结构导向剂的设计方面提供了帮助。该工作得到了国家重点研发计划项目（2024YFA1510301），国家自然科学基金项目（22371121，22403080）、江苏省自然科学基金项目（BK20230772）、中央高校基本科研业务费专项基金项目（0205-14380334），北京分子科学国家研究中心开放基金（BNLMS202402），苏州国家实验室自研项目等项目的支持。同时感谢南京大学配位化学全国重点实验室段春迎教授，左景林教授和南京大学亚原子分辨电镜中心邓昱教授在课题组建设和微晶电子衍射技术平台建设中提供的大力支持。

论文链接（点击文末“阅读原文”可查看全文）：

我们的细胞里，每时每刻都在上演生与死的拉扯。这并不是坏事。就像我们需要每天清理垃圾，细胞凋亡是人体内重要的“清理机制”。

今天的主角，是一个名叫BAX的蛋白。它是这场拉扯中的“死神”。

北京时间2025年6月27日，施一公团队在Science发表研究论文“Structural basis of BAX pore formation”。他们解析了BAX线状/环状聚合物所共享的基本重复单元结构，解答了“死神”BAX究竟是如何让细胞走上死亡命运的不归路。

这是一个跨越数十年之久的生物学谜题。

论文地址：

“死神”BAX来了

BCL-2蛋白家族是线粒体介导的细胞凋亡的重要调控者，决定了细胞是活下去，还是走向死亡。

其中，“死神”BAX属于“促凋亡”蛋白。

正常情况下，BAX就住在细胞质里，处于待命状态。一旦细胞在生长过程中遇到生长因子耗竭、衰老或DNA损伤等问题，BAX就会被激活。

激活后的BAX目标明确，第一时间跑到“能量工厂”线粒体外膜上。它们不是单兵作战，而是一群BAX联手，摆出线形、弧形、环形……虽然阵型各异，但它们作为有一个共同任务：在线粒体外膜上“打孔”，破坏膜的稳定性。

细胞凋亡的分子机制

Ketelut-Carneiro, N., & Fitzgerald, K. A. (2022). Journal of molecular biology, 434(4), 167378.

BAX打的孔，不是规则的蛋白通道，而是形状多样、大小不一的“伤口”。随着时间推移，随着被激活的BAX越来越多，这些“伤口”会变得越来越大。

这个打孔过程，被称为“线粒体外膜通透性增加”。

一旦广泛发生，它会使原本被“封印”在线粒体内部的一些“促凋亡因子”逃出到细胞质，比如细胞色素c和SMAC。细胞色素c负责助力活化与细胞凋亡密切相关的蛋白酶caspase，SMAC负责解除其它蛋白对caspase的抑制，一拉一推，让细胞走上了不归路。

“死神”BAX的真面目

早在1993年，BAX就被鉴定为一种“促凋亡”蛋白。

作为一种打孔蛋白，BAX和一些同类很不一样，它不需要通过被切割的方式活化，只需要自己“变形”就能完成任务。此外，它不需要闭合成环便可以打孔，且它形成的孔柔性多变，大小不一。

这让大家对它的模样更好奇了。

2000年，美国国立卫生研究院的科学家们解析了BAX的单体结构。大家看到了细胞质中待命状态下的BAX是什么样子，后来，基于对活化后BAX的研究，大家认为，BAX会在线粒体外膜上两两“抱团”，以二聚体作为基本单元。

至于基本单元的模样究竟是什么？

线状、弧状、环状的BAX是否是同一类团体？

不同的形状是如何变出来的？

始终无人知晓。

这一次，研究人员在制备的冷冻样品中，观察到了尺寸不一且具有柔性的BAX聚合物。无论是线状还是环状，看上去都由一个个几乎一样的圆点相连形成，就像手串上的一个个串珠。

不同BAX聚合物共享的基本重复单元结构

他们由此推测，BAX聚合物具有相同的基本重复单元。

就像串珠，一个个珠子相连成串。那这个“珠子”长什么样呢？是之前科学家认为的“二聚体”吗？

不是。

研究人员发现，BAX基本重复单元远比二聚体要复杂得多。

我们把激活后的单个BAX称为1个原聚体，原聚体具有两种不同的样貌，称作type-I和type-II。这两个不同样貌的原聚体形成的非对称二聚体进一步二聚化，形成一个完整的“珠子”。

也就是说，每个基本重复单元里，实际包含了4个BAX原聚体。

BAX活化后的寡聚

“我们使用的是全长的BAX聚合物，而此前科学家解析结构时用的是截短后的版本。”相当于，之前只看到了二聚体，是因为只拍到了它的“半身照”，而非“全身照”。

看清之后又如何呢？

此项研究的另一个难点在于——BAX聚合物具有柔性，它太灵活了。这种柔性使得BAX可以不断调整自己的形态，牢牢地扒在柔软的线粒体外膜上。

研究人员发现，每个基本重复单元，也就是每个“珠子”的两侧，各有一对α9螺旋——相当于每个珠子两侧都分别有一个卡扣，珠子与珠子之间可以通过这个卡扣相互连接，最终搭出线状、弧状的BAX“死亡阵型”。

而当线状BAX聚合物首尾相接时，环状阵型便出现了。

BAX多边形的结构

上面这张图中，有四边形、五边形、六边形、七边形，它们分别由16、20、24、28个BAX原聚体构成。这种成环/孔所需的BAX数量也是之前未知的。

当研究人员尝试把α9螺旋拿掉或“改造”了BAX蛋白后，BAX在执行“死神”职责时多多少少都出现了问题，要么摆不出阵型了，要么没有办法打孔了。

突变和α9截短对BAX功能或寡聚的影响

至此，研究人员不仅揭示了BAX聚合物的基本重复单元长什么样，确定了线状、弧状、环状的BAX聚合物都采用完全相同的组装方式，也证明了BAX聚合物的形成在细胞凋亡中的重要作用。

想象一下，如果我们可以干预BAX“摆阵”的过程，是不是可以调控细胞的生与死？

这么看，这项研究不仅解答了困扰学界数十年之久的问题，为理解细胞凋亡的发生提供了重要的生物学信息，也为未来研究与细胞凋亡相关的疾病提供了全新的视角。

致谢

西湖大学施一公和西湖实验室黄高兴宇是该研究的通讯作者。清华大学张颖、田露、西湖实验室黄高兴宇、西湖大学葛霄飞为该研究的共同第一作者。

清华大学孔方、王芃其、徐一阁也参与了此项工作。清华大学冷冻电镜平台李晓敏和杨帆对数据收集提供了帮助。中科院动物研究所陈佺提供了BAX敲除细胞系。