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《科学》评选2021年十大突破

时间:2021年12月21日 作者:徐锐 来源: 中国科学报
 
人工智能预测蛋白质结构、古老泥土是DNA宝库、火星内部结构露出真容……2021年尽管疫情依旧,科学界仍收获满满。
 
日前,《科学》发布2021年十大科学突破,让人们一窥科学硕果。
 
 
 0 人工智能——蛋白质结构预测好帮手
 
曾几何时,蛋白质结构只能通过艰难的实验室分析获得。如今,利用人工智能这个好帮手,科学家可以快速计算出成千上万的蛋白质精确结构。相关研究更如坐了火箭般超速发展:7月中旬,Deep Mind团队研发的人工智能程序Rose TTA Fold已经解析了数百种常见药物靶点蛋白质结构;1周后,他们报告说,已经对人体内发现的35万种蛋白质(占已知人类蛋白质的44%)进行了同样的研究。
 
而在疫情中,其研发的Alpha Fold2也成为各国研究人员解析病毒、抗击疫情的“利器”。
 
 
 0 洞穴土壤——古代DNA的宝库
 
来自化石的DNA为人类和动物进化研究带来了变革。今年,科学家解锁了一个更加巨大的古代DNA宝库——古代洞穴地面的土壤。研究人员在其中发现了人类DNA,并利用“泥土DNA”重建了世界各地古代洞穴居民的身份。
 
研究人员分别对在西班牙Estatuas洞穴、美国Satsurblia洞穴、墨西哥奇基维特洞穴土壤内发现的人类和动物DNA进行了分析,绘制了3个洞穴中人类和动物的分布图谱,并期望利用“泥土DNA”回答更多关于古代物种兴衰的问题。
 
 
 0 激光聚变装置——达到“收支平衡”
 
核聚变是太阳和其他恒星的能量来源,长期以来一直被视为解决地球能源问题的路径之一,但要在地球上实现它却极为困难。
 
美国国家点火装置(NIF),即激光聚变装置通过使用世界上能量最高的激光脉冲压缩氢同位素氘和氚胶囊,产生能量。
 
今年年初,该方法每次可产生170千焦的聚变能量,仍远低于1.9兆焦的激光输入能量。但8月8日的记录显示,其产生的能量飙升至1.35兆焦,几乎达到了官方期望的产出与消耗平衡点。
 
研究人员认为这是燃烧等离子体的结果,意味着聚变反应产生了足够的热量,可以像火焰一样通过压缩燃料传播。
 
 
 0 强效药——抗击新冠的“利器”
 
疫苗在抗击新冠疫情中发挥着重要作用。现在一个新“玩家”——抗病毒药物正在加入抗疫大军,有望避免早期感染患者的症状发展和死亡。
 
其中,美国默克公司的抗病毒药物莫奈拉韦据称可将未接种疫苗的高危人群的住院或死亡率降低30%;辉瑞公司的抗病毒药物PF-07321332,如果在出现症状的3天内开始服用,可使住院率降低89%。目前还有多款抗病毒药物在试验中,并有望投入抗疫“战场”。
 
 
 0 摇头丸——创伤后应激障碍的“解药”
 
迷幻药的精神改变能力让人们对用其缓解精神疾病产生了期望,比如摇头丸的主要成分——3,4—亚甲二氧基甲基苯丙胺(MDMA),但很少有大型、严格的试验证明其效用。
 
今年一项多中心、随机、对照试验,共招募了76名受试者,其中一部分接受了3次MDMA治疗,另一部分接受了安慰剂指导治疗课程。两个月后,67%的接受MDMA治疗的患者不再符合创伤后应激障碍诊断标准(即摆脱PTSD症状),而安慰剂组这一比例为32%。这表明,MDMA治疗能显著缓解PTSD患者的症状。
 
随后其他研究小组也对类似的药物成分进行了试验,期待找到更多缓解精神疾病的方法。
 
 
 0 单克隆抗体——驯服传染性疾病的良方
 
实验室中制备出的单克隆抗体已经彻底改变了某些癌症和自身免疫性疾病的治疗方法,但它们在对抗传染病方面的能力仍然有限。
 
今年,单克隆抗体展现出了不一样的一面。研究人员发现,它能够侵入新冠病毒和其他威胁生命的病原体中,比如呼吸道合胞病毒、艾滋病病毒和疟原虫等。
 
昂贵的成本和必须在诊所注射单克隆抗体,使许多人无法从这种治疗方式中获益。但随着价格暴跌、注射剂取代输液、更有效的单克隆抗体上市,它们可能成为传染病武器库中的标准常备武器。
 
 
 0 “洞察”号——“倾听”火星内部的声音
 
2018年,美国宇航局的“洞察”号火星探测器抵达火星,试图挖掘其内部埋藏的“秘密”。但多次尝试都未能穿透这颗行星的黏性沉积物。
 
但是地震给了“洞察”号机会。科学家基于其探测到的约733次地震中的35次地震数据,揭示了火星内部结构,估计了火星地核大小、地幔结构和地壳厚度。这是科学家首次通过地震数据探测地球以外行星的内部情况,以进一步了解火星形成和热演化。
 
预计到2022年底,“洞察”号的电力将耗尽,但在此之前,它将继续等待并倾听火星的“秘密”。
 
 
 0 μ介子实验——敲开物理学变革之门
 
巨大的、不稳定的类电子粒子——μ介子的磁性为科学家提供了一种间接寻找更多未被发现粒子的途径。
 
今年4月,美国费米国家加速器实验室进行的μ介子反常磁矩实验显示,μ介子的行为与标准模型理论预测不符——它比最初预测的更具磁性。
 
对标准模型预测中的微小偏差的进一步研究,可能会为新物理学提供更多线索,有望推开物理学变革之门。
 
 
 0 CRISPR——“修理”人体基因
 
2020年,科学家首次发现,基因编辑工具CRISPR或可治愈镰状细胞病和β—地中海贫血。但该实验是在实验室培养皿中进行的。研究人员从患者体内取出有缺陷的造血干细胞,对其进行编辑,然后将这些细胞重新融合到患者体内。
 
今年,科学家在此基础上更进一步,在人体内部署了CRISPR-Cas9,成功减少了一种有毒的肝脏蛋白质,并在一定程度上改善了遗传性失明患者的视力。
 
美国一家药物公司同样开展了在体内运用基因编辑工具的实验,使患有转甲状腺素淀粉样变性病的患者体内畸形蛋白质水平下降。
 
 
 1 胚胎替代品为研究早期发育打开窗口
 
对早期胚胎发育的深入研究,可以帮助科学家了解流产和出生缺陷问题,改善体外受精方案。但人类胚胎研究存在诸多限制和伦理上的争议。
 
今年,科学家找到了人类胚胎潜在的替代品——体外生长时间长达11天的小鼠胚胎,以及由人类干细胞或重编程成年细胞制成的“胚泡”。其中,后者并非真正的胚胎,但不失为某些研究有益且伦理争议较少的方案。
 
此外,国际干细胞学会放宽人类胚胎培养“14天规则”,也为该领域研究带来了助益。
 
(徐锐)
《中国科学报》(2021-12-20第2版国际)
 
来源
 

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