DNA突变与疾病发生、衰老等过程密切相关。基因编辑是一种利用可设计的核酸结合模块，通过DNA序列的插入、缺失、置换等方式，对生命体基因组特定位点进行改造，从而实现精准编辑的生物技术。在传统药物难以取得良好治疗效果的疾病领域，基因编辑药物可通过对患者基因组DNA的精准编辑，实现一次治疗、长期有效的治疗效果。我们将基于对基因组DNA分子机理的研究，创建精准基因编辑系统并研发新型基因编辑药物，为全球罹患严重疾病的患者带来新希望。

细胞是生命活动的最小功能单元。迄今细胞表型的基本调控原理仍未被完全揭示，阻碍了我们对生命过程和疾病的认识。细胞对于代谢信号和生长信号的感知和响应，是其维持功能稳态和生长增殖的基本生理过程，也是更复杂的细胞间互作和协同的基础。我们的研究聚焦细胞代谢和生长的核心调控机制，期望发现关键的信号调控原理，揭示其在癌症和代谢综合征等人类疾病中的作用，并探索相应的干预策略。

糖是三大生命物质之一，是重要的生命信息和药物分子实体。糖结构的复杂性远超核酸和蛋白，糖测序长期被认为是“不可能的任务”。基于长期从事离子通道研究及对生物孔道电生理的深刻理解，我们在核酸和蛋白测序技术发展的基础上，提出采用生物纳米孔进行糖测序的设想和概念，绘制纳米孔糖测序技术路线图，完成“水解测序”、“链测序”和“拼接测序”三种技术路线的概念验证，率先实现单分子尺度顺序解析糖链结构信息，引领纳米孔糖测序根技术进入新阶段。

许多肿瘤在原发癌得到有效治疗被完全清除后依然转移复发。近百年前提出的转移休眠假说认为早期播散的肿瘤细胞的休眠及苏醒是造成这种转移复发的原因，但由于研究模型及分析技术的缺乏，该假说尚未得到证实，休眠调控机制更是不明，也无有效转移干预手段。我们已经建立了乳腺癌休眠模型与休眠谱系示踪系统，拟分析转移休眠发生的规律，阐明休眠苏醒对转移复发的影响，解析休眠苏醒的调控机制，并开发预防或治疗转移复发的新策略。

气候变化导致高温频发，对农业生产造成了严重的威胁。在水稻整个生活史中，开花期前后对高温最为敏感，易受热害影响而减产。我国很多主栽水稻品种的耐热性不好，而耐热种质产量则普遍较低。我们拟利用“混血水稻”群体挖掘耐热等环境适应性基因，并通过“导航育种”系统与基因编辑技术相结合，开展耐热高产新种质的精准创制和高效选育。

我们发现长期被忽视的核糖体蛋白修饰可通过稀有密码子协调致癌和应激相关蛋白群的合成，影响细胞命运。该“修饰–mRNA序列”对应轴深化了表观遗传调控内涵，揭示核糖体在生理病理过程和生命演化中的核心作用。基于此我们提出“翻译层面的类表观遗传调控”新理论。该领域目前几乎无人涉足，我们计划推动本理论从概念走向体系化，拓展“环境–遗传序列”表观轴的适应范畴，揭示生命演化的未知底层逻辑，开辟生命医学研究的新前沿。

细胞中RNA感受器可以识别病毒RNA并启动抗病毒天然免疫反应。这些感受器必须精确区分细胞自我RNA和病毒RNA，而当这一功能失常，可能导致异常免疫激活和自身免疫性疾病。由于RNA感知具有高度动态性，这一过程的分子基础仍知之甚少。我们发现ATP驱动的沿RNA的易位运动是实现精确识别并维持免疫平衡的关键。基于这一发现，我们将继续探索RNA感受器如何高效运作，致病突变为何引发自身免疫，以及开发针对自身免疫的治疗新策略。

全面解析糖脂代谢调控机制是创新代谢疾病防治的重要前提。我们从细胞自主感应、跨器官互作、组织特异性调控等多层级阐释糖脂代谢的调控新机制及在维持代谢稳态中的关键作用，据此研发的代谢调控药物进入临床试验。新近发现外周感觉神经及分泌因子介导的跨器官调控在糖脂代谢稳态中的重要作用，未来将以此为重点继续深化代谢调控认知，推动新药研发。

单个受精卵如何通过程序性分裂和分化，发育成具有复杂细胞谱系组成和生理功能的个体，是发育生物学的核心研究内容。由于技术和资源局限，灵长类胚胎发育研究尚处于起步阶段。我们致力于建立技术研发、规律解析、体外模拟三位一体的灵长类胚胎发育研究体系，揭示灵长类胚胎发育关键事件的谱系发生规律和精细调控机制，并解析胚胎发育疾病的致病机理。进而我们将探究基于干细胞的灵长类器官再生研究，尤其是神经、心脏和生殖系统。

听觉障碍是最常见的感官障碍之一，先天性耳聋患者约2600万，其中约60%由基因缺陷导致，目前尚无上市的临床治疗药物。我们针对OTOF基因缺陷所致的先天性耳聋研发了基于双AAV载体的基因治疗药物及精准内耳给药体系，并发起了全球首个先天性耳聋基因治疗临床试验和首个双AAV载体递送试验，成功恢复患者听力和言语。未来将继续探索更多致聋基因机制及治疗策略，开发内耳特异性递送载体，推动更多耳聋基因治疗创新药物的临床转化，并建立长期安全性与疗效评估及精准康复体系，推进耳聋治疗由“辅助代偿”向“病因根治”的范式转变。

氨基酸等营养物质是生命活动的重要支撑。在食物来源的约十四万种小分子中，已有两千余种被开发为FDA批准药物；但绝大多数仍属功能未解的“营养暗物质”。阐明这些分子的生物学功能，将有助于深入理解营养失衡与疾病的关系，推动肿瘤等疾病的新型治疗策略的开发。我们将系统研究细胞感应氨基酸及与肿瘤等疾病相关“营养暗物质”的机制，绘制其与蛋白等大分子的互作图谱，揭示营养对细胞命运调控的规律，推动“食物即药物”从古老箴言走向精准医学。

我们已在不同极端生态中看到了跨生境、跨物种的“共适应”策略，暗示生命在中心法则之外存在未知规律。我们将进一步通过对不同地球极端环境中的微生物进行多维表征与高维分析，解析支持微生物个体和群体保持稳态的“共适应”核心组织构架和调节机制；拓展至域外超极端条件，探索“共适应”的边界及其重建的可能；进而提出一个量化公式，并以人工设计、基因组定制、极限检测来验证，从而探索生命到非生命阈值。

“孤儿”GPCR配体未明、构象复杂，长期被视为“不可成药”。我们结合冷冻电镜与结构–功能整合策略，首次揭示神经精神疾病候选靶标GPR52的结合位点及独特自激活机制。未来我们将系统解码一类孤儿受体的激活机制，鉴定内源配体，开发全球首创新药，把“暗靶”转化为精准治疗精神疾病及代谢综合征等未满足临床需求的利器，构建“靶点结构–机制阐释–药物发现”的创新闭环，实现从结构生物学到临床的重要跨越。

代谢活动具有高度动态和分区的特性，其全面分析极具挑战性。代谢组学方法可同时分析多种代谢物但缺乏时空分辨率，基于代谢物传感器的活细胞荧光成像方法具有高时空分辨率但受到多重性的限制。我们将结合代谢物传感器与光学条形码，发展可在单细胞上获取数百个代谢表型数据的细胞代谢多重分析方法，建立细胞代谢表型组学的研究新范式。这些方法将助力生理和病理机制、疾病诊断、药物发现和生物制造研究。

组织干细胞在机体衰老过程中发生功能减退，如何利用其延缓衰老是干细胞与衰老领域的共同研究热点。骨骼干细胞在造血微环境维持和骨骼稳态调控中至关重要，然而骨骼与造血干细胞的衰老机制尚不清楚。我们解析了造血干细胞衰老的生物力学机制，发现了多种新型骨骼干细胞参与调控骨骼发育与衰老，并揭示了骨质疏松等衰老相关疾病的关键治疗靶点。未来我们将持续聚焦骨骼与血液干细胞的衰老机制，年轻化策略与抗衰老应用研究。

重建盲人视觉功能是生命医学的重大挑战。基于半导体器件的人工视网膜受限于生物应用场景，仅有300多个像素。我们通过物理和脑科学的交叉，突破像素策略局限，设计氧化钛和碲纳米线人工光感受器，实现失明动物模型感光恢复和图案区分两个关键视觉功能，开展4例无光感RP临床研究，完成多项真实世界任务，并解析生物视觉中枢的高通量编码机制，为图像视觉修复打下基础。未来计划基于高效电容电流原理，开发新一代人工光感受器，实现视网膜神经元高频激活，结合SNN和生成式AI模型，实现图像辨认能力的修复。

叶绿体是植物独特的细胞器。叶绿体的光合作用将光能转化为化学能，固定二氧化碳，释放氧气，塑造地球环境，为动物提供食物来源。叶绿体由蓝细菌内共生演化而来，其基因转录系统融合原核与真核特征。然而，叶绿体基因转录系统的诸多成员仍待鉴定，基因转录及转录调控内在机制尚不明确。未来我们期望系统阐明叶绿体基因转录分子机制，全面揭示其转录调控网络，并通过重塑叶绿体基因调控系统来提升农作物产量和植物底盘生物制造潜能。

成体干细胞是再生医学的核心资源，但其临床应用长期受限于对其真实功能的认识不足。我们以造血和骨骼干细胞为模型，系统解析了它们在稳态、移植和骨折修复中的分工，发现不同亚群在生理与应激条件下承担截然不同的任务，并揭示组织修复过程中存在保守的命运转变规律。这些研究不仅挑战了传统范式，也为推动成体干细胞向精准治疗的转化奠定了概念基础。未来我们将聚焦于重新界定真正驱动组织修复与再生的细胞群体，并探索如何将这一认识转化为可控的治疗方案。

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天然产物的高效合成与生物功能研究，为新药研发奠定物质基础并提供作用机制支撑。这一领域中复杂多环骨架的精准构筑始终是核心挑战。我们借鉴天然产物生源合成假说，融合理性设计理念，创新开发了新型仿生碎裂反应与仿生骨架重组合成策略。高效实现 50 余个活性甾体及萜类天然产物的简洁合成，并筛选出多种化学结构新颖、抗肿瘤与抗感染活性显著的化合物。这一策略为复杂多环骨架天然产物的合成开辟了全新路径。未来我们将以活性小分子的精准创制与发现为核心方向，致力于发掘揭示生命过程本质机制和疾病治疗关键的小分子。

含氟化合物在材料科学和生物医药领域发挥着至关重要的作用，其高效精准合成一直存在挑战。我们创新性地融合“氟化学”与“金属催化”技术，首次提出金属二氟卡宾参与的催化偶联策略，建立了“金属二氟卡宾偶联”反应新体系；同时构建了氟卤烷烃高效催化偶联的研究框架，成功解决了二氟烷基金属物种催化循环难以调控的难题。这些研究极大地拓展了有机氟化学的反应边界。未来我们将聚焦于含氟碳基活性中间体反应平台的构建，进一步揭示含氟活性中间体间的内在关联，扩展反应类型，以此助力药物和材料的创新研发，推动传统合成路径的变革。

巨电卡效应的发现预言了一种全新的固态制冷技术，这类技术具备高效、零碳和结构紧凑等颠覆性优势。然而，巨电卡效应的核心机制尚不明晰，关键材料性能难以满足应用需求。我们深入研究了巨电卡效应的调控机制，同时在原子、分子尺度上创制了具有高制冷能力的有机、无机电卡制冷材料，以及创成了薄膜式电卡制冷系统，为芯片冷却提供轻量化、高能效的主动制冷。这些突破推动了巨电卡效应材料实用化进程。未来将聚焦巨电卡效应的物理本质，通过构建从微观机制到宏观特性的完整认知体系，为电卡制冷技术实用化提供底层支撑，最终推动这一技术实现从实验室理论探索到产业级应用的根本性跨越。

新型电子器件及集成研究是信息技术升级与智能时代发展的核心支撑。二维半导体凭借原子级厚度赋予的超高载流子迁移率与极致栅控能力，被视为后摩尔时代突破传统器件瓶颈的关键材料。当前二维半导体器件有性能潜力未充分释放、应用场景不明晰等问题，在颠覆性演进中面临制约。我们在研究中取得系列突破：攻克浮栅晶体管电荷存储高速与非易失性难以兼顾的核心难题，创新集成感存算“全在一”的光浮栅晶体管结构，实现世界最大规模RISC-V微处理器集成。这些成果标志着二维半导体技术向颠覆性演进迈出坚实一步。未来我们将聚焦原子制造跨尺度集成，推动器件性能与系统应用深度协同，力争实现源头创新突破并催生根技术。