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至科学杂志评2017年度十大成就!生命科学领域引关注

发布时间:2021-09-19

科学杂志评2017年度十大成就!生命科学领域引关注 科学杂志评2017年度10大成绩!生命科学领域引关注 时间:2018⑴⑷ 11:07:00

2017年已结束,回首展望,在过去的1年中,新的科技成绩正将我国从突起至复兴。这些突出的科技成果,既是工业4.0时期与未来与他国竞争中的利器,也是提升国民辛福感和生活质量的保障基础。

引力波:当之无愧的头号突破

2017年8月,全球科学家目击了从未见过的奇观:在1.3亿光年以外,两颗中子星在1场壮观的爆发中相互螺旋上升。这次爆发证实了几个重要的天体物理学模型,揭露了许多重金属的诞生地,并对广义相对论进行了的测试。这是人们次视察到中子星的合并,而它所揭露的科学成果,同样成为《科学》评选出的2017年突破之1。

美国激光干涉引力波天文台和欧洲处女座引力波探测器两个项目组在1份声明中说,新的引力波信号于2017年8月14日被探测到,与前3次类似,均由双黑洞合并产生。

引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的1种时空涟漪,宛如石头丢进水里产生的波纹。1百年前,爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在,但直到2016年年初,科学家才宣布于2015年首次发现引力波。

引力波是1个不断产生欣喜的礼物。《科学》新闻编辑蒂姆 阿彭策勒解释道,观测到此类剧烈事件的完全图景有望带来天体物理学的变革。正是这1点,令这个观测成为无可争议的2017年头号突破。

引力波观测历来都是典型的大科学工程项目,美国在过去几10年为此累计投入11亿美元,这篇论文仅署名作者就有3674人,他们来自953个机构。美国引力波项目资助方、美国国家科学基金会主席France Cordova在1份声明中说,相隔万里的探测器首次共同探测到引力波,这对旨在破解宇宙奥秘的国际科学探索是1个使人激动的里程碑。

冷冻电镜:窥见原子尺度生命

科学发现常常建立在对肉眼看不见的微观世界进行成功显像的基础上,但在很长时间里,已有的显微技术没法充分展现份子生命周期全进程,在生物化学图谱上留下很多空白,而低温冷冻电子显微镜将生物化学带入了1个新时期。

2017年诺贝尔化学奖授与Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson,以表彰他们研发出能对生物份子进行3维成像的冷冻电子显微镜技术,评选委员会如是说。

在科学史上,冷冻电子显微镜是1项10分罕见的技术创新,凭仗近原子水平的高清分辨率,冷冻电子显微镜技术带来了对许多关键生命份子的新认识,快速重塑结构生物学领域。

冷冻电子显微镜就是利用冷冻固定术,在低温下使用透射电子显微镜视察样品的显微技术。冷冻电子显微镜是重要的结构生物学研究方法,是取得生物大份子结构的重要手段。这项技术本身仍处在高速发展的阶段,其影响力还在延续高速增长。

通过展现科学家从未见过的原子级结构,冷冻电子显微镜帮助解释了生物化学和遗传学数10年的视察结果。2017年,该技术给了研究者了解剪接体功能和洞察DNA断裂修复酶的新方法。这项技术还能制作高分辨率模型,反应在阿尔茨海默病患者的大脑中积累的缠结和空斑构成纤维,并能展现基因编辑技术CRISPR如何捕捉和操纵DNA。

研究人员还提高了冷冻电子显微镜处理大小份子的能力,弄清了红藻巨大的捕光复合体和之前没法触及的诸多小蛋白质复合体的结构。2016年拉丁美洲爆发寨卡疫情,研究者利用冷冻电子显微镜技术,成功观测到寨卡病毒的结构,这是传统电子显微镜没法做到的。

便携式中微子探测器:小的粒子探测器

2017年,物理学家发现了难以捉摸的亚原籽粒子 中微子,开始以1种新方式侦测原子核。这1成绩的背后是长达40年的探索,而它不需要通经常使用于检测中微子的大型硬件。取而代之的是,研究人员用1种便携式探测器就完成了这项壮举,它的重量和微波炉差不多。

在特定的核进程中,中微子与其他物资的相互作用非常罕见。但是,中微子偶尔会在原子核中撞击1个中子,把它变成1个质子,而它本身也会变成1个可检测的粒子,比如电子。或它会简单地被质子或中子反弹,并使原子核飞起来。这两种相互作用都非常罕见,探测器必须包括大量的目标物物理学家已使用了各种材料,但也仅发现其中的1小部份。

实际上,1974年,理论物理学家提出了中微子原子核相干性弹性散射理论,认为中微子和其他粒子1样具有波粒2象性。当处于高能状态时,中微子会与某个质子或中子产生相互作用;而处于低能状态时,中微子就会从原子核弹回,从而发出可以检测到的信号。

2017年,来自4个国家20多个机构的80余名科学家合作发现了长时间以来1直寻求的相干散射。他们使用的是1台14.6公斤的探测器,由1种含钠碘化铯的大晶体制成,当原子核内出现反作用时,它就会闪光。

这样的中子探测器或许有1天会帮助人们监测核反应堆、寻觅更难捉摸的惰性中微子,或帮助物理学家用1种新方法探测核结构。

30万年前的智人化石:人类新起源

在摩洛哥的1个岩穴里,1块长时间被忽视的头骨,打破了人类化石纪录,并激起了科学家对现代人类起源的研究。研究人员肯定,该智人化石距今有30万年,把人类的起源向前推动了约10万年。

智人是生物学分类中人属中的1个种,是目前全人类共有的生物学名称。学术界1直没法肯定智人出现的确切地点和时间。很长1段时间以来,被归为智人的古老化石来自东非,约有20万年历史。因此,很多观点认为人类起源于东非。

在1961年被矿工发现的这块头骨,长时间以来被认为属于非洲尼安德特人,由于它有1些在尼安德特人和其他古人属中发现的原始特点。但它也有1些现代的特点,比如面孔在头骨下收拢而不是向前突出,这引发了德国莱比锡马普学会进化人类学研究所古人类学家Jean-Jacques Hublin的好奇,他想知道它是不是属于智人的初期成员。

终,研究结果显示,这些化石可以追溯到距今31.5万年前,最少来自5个智人个体,他们的脸部及下颌形态与现代人类非常类似,脑部大小也较为接近,但头骨相对更平、更长。研究人员认为,新发现揭露了智人进化的初期阶段。

这1发现其实不意味着智人起源于北非地区。它表明初期智人的进最后还对企业的标签标识给出了详细的规定化实际上遍及了全部非洲大陆。

新剪刀:的基因编辑

超过6万个遗传畸变与人类疾病有关,其中有近3.5万个是由微小的毛病酿成的: DNA只有1个特定位点产生突变。2017年,研究人员宣布了1项名为碱所以运行速度快基编辑的新技术,可以纠正DNA和RNA中的这类突变。未来,这项技术可能会在医疗领域有广泛的利用。

基因是DNA上的片断,而DNA双链螺旋结构由4种化学碱基组成,即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶,其中鸟嘌呤和胞嘧啶配对,腺嘌呤和胸腺嘧啶配对。

由美国哈佛大学化学家David Liu首创的碱基编辑技术鉴戒了份子剪刀CRISPR的特点。CRISPR善于在特定位点切割DNA,并引入关闭基因的毛病。而Liu团队修改了CRISPR的工具箱,创建了1个碱基编辑器,该编辑器可以在不断开DNA双链的情况下,将A T碱基对转换成G C碱基对,也就是说能实现高效、可选择性地在基因中替换碱基。

另外,美国布罗德研究所张锋团队报告说,他们在CRISPR工具基础上开发出了REPAIR编辑系统,其基本元件是1种特定酶和1种特定蛋白质,能高效修改与疾病相干的RNA单个碱基。

2017年,凭仗单碱基基因编辑技术,中国科学家首次在人体胚胎中修复单个突变碱基。这类新碱基编辑器的效力约为50,高于任何其他基因组编辑方法的效力,而且几近没有副作用。

生物学预印本兴起:先发表了再说

2017年,生物学预印本开始兴起,数千名生物学家在预印本网站上发表了他们未经审阅的学术论文。4年前,美国纽约冷泉港实验室推出免费生物预印本服务器bioRxiv。在2017年年初,美国和英国的1些机构和组织发布了鼓励印前分享的政策,使得生物学预印本的发展得到了极大的推动。

上世纪60年代,美国国立卫生研究院向1群生物学家发送论文手稿的影印本。这个短命的项目启发物理学家在1991年成立arXiv。这是1个如今位于康奈尔大学的非营利性预印本服务器。1999年,诺贝尔奖取得者、NIH时任院长Harold Varmus提议为生物学领域设立类似服务器,但期刊出版商认为这是1个要挟。不过,2003年,arXiv开设了定量生物学专区。

这1概念真正取得广泛关注是在2013年11月。当时,CSHL发起bioRxiv,将其作为1种增进科学交换的方法。2017年,bioRxiv取得财力雄厚的陈扎克伯格计划的支持。其他该领域服务器也如雨后春笋般出现。

bioRxiv具有1.1万余名通讯作者,其中56来自美国之外的国家。上百名生命科学家在其他免费的非营利性和PeerJ预印本等商业服务器上发表文章。诸如生物信息学、基因组学等计算领域的研究人员是bioRxiv的初期采取者。

预印本的1个优势是你能在论文被同行评议的期刊接受的数月乃至几年前,便将其和同行分享。而且,为新发现取得时间戳记也构成了部份吸引力。诸如bioRxiv、PeerJ预印本等服务器会为提交的论文提供发表日期和数字对象标识符,本质上是为建立优先级建立1面旗帜。另外,预印本会增进健康的竞争和合作。

广谱抗癌药:将癌细胞1网打尽

2017年,美国次基于基因突变类型而不是肿瘤组织来源批准药物,实现1种药物医治多种实体瘤。

人们1直期待有这样1种医治癌症的药物:它不是针对某个特定的癌症病发的器官,而是根据癌细胞的DNA,无差别地进行医治。

2017年5月,美国食品药品监督管理局批准了1种名为帕姆单抗的药物。此前,该药物已被批准用于医治黑色素瘤和少数几种其他肿瘤;现在,它已可以医治儿童和成人的任何包括错配修复缺点的晚期实体肿瘤。

这意味着,对胰腺、结肠、甲状腺,或其他10几个组织中的任何1个细胞癌变,药物帕姆单抗都能根据突变的DNA锁定包括错配修复缺点的癌细胞,并进行医治。

FDA的这项批准对癌症医治领域意义非凡。这是由于不同器官产生的肿瘤可能比生长在同1部位的肿瘤更常见,但将这些知识转化为医治其实不容易:人们对癌症的医治还局限在病发器官上,哪里出现癌症,就对哪里进行医治。

2015年,约翰斯 霍普金斯大学的Luis Diaz及同事用帕姆单抗医治结肠癌患者,结果13名患者中有8位错配修复缺点患者接受医治后,肿瘤减小,但另外4名患者无反应。另外1项实验也印证了这1结果,无错配修复缺点的结肠癌患者对帕姆单抗医治无反应。因而研究者发现,携带有这些缺点常常能够增强免疫系统对肿瘤细胞的辨认,进而对其进行杀伤。

新种类人猿:90年后再添新成员

2017年11月,科学家在印度尼西亚的苏门答腊岛发现了1个新的猩猩物种打巴努里猩猩,这是时隔近90年后人类再次发现新类人猿物种。

类人猿是灵长目中智力较高的动物,主要生活在非洲和东南亚的热带森林中。多年来,研究人员确认了两种生活在印度尼西亚的猩猩:婆罗洲猩猩和苏门达腊猩猩。打巴努里猩猩是第3个猩猩物种,同时是第7个非人类的类人猿。2013年,研究人员得到了被人类杀死的1头成年雄性打巴努里猩猩的骨骼。研究人员将打巴努里猩猩和33只其他猩猩的头骨和牙齿进行了比较,结果显示打巴努里猩猩的头骨比其他两个物种小。同时,它的上牙和下牙都比苏门答腊猩猩宽很多。

雄性打巴努里猩猩会发出在1千米外都能听到的长长的叫声。这能赶走竞争对手并且吸引雌性。它们长长的叫声比婆罗洲猩猩长21秒;和苏门答腊猩猩相比,则以更高的大频率传递。

这类猩猩生活在印度尼西亚北苏门答腊省巴当托鲁。研究人员表示,巴当托鲁的猩猩是从亚洲大陆迁徙过来猩猩的后代,但打巴努里猩猩直到1两万年前才完全独立出来。目前,打巴努里猩猩只剩下大约需要吹塑机生产厂家以更新思惟融入800只,并且面临失去栖息地和人类狩猎的要挟,使得这个物种成为面临大灭绝要挟的类人猿。

270万年前的地球气候:藏身冰雪气泡

冰封在世界底部的是通往另外一段时光的入口,即具有古代地球空气的气泡。

2017年8月,美国普林斯顿大学和缅因大学研究人员宣布,他们发掘出了在南极冰封270万年之久的冰块。这次发掘的冰块比之前的冰雪样本古老170万年,这也将直接的气候记录向前推动到1个对地球历史非常重要的时期。

这块冰来自于南极艾伦山,这是1个荒凉的地区,强风把雪和冰剥开,露出密集的、有光泽的古代冰层。早在2015年,由于在平常生活中的普遍利用性科学家就发掘出古老的冰芯,它构成于初的几次冰河世纪期间,那时的冰河世纪每4万年产生1次,而不是像现代每10万年产生1次。

为了追寻气候变化产生的线索,研究人员丈量了冰芯中的气体。但解释这样的气体记录挑战性:不像传统的南极冰芯具有层状结构,这些样本则更加混乱。前期的分析表明,在冰河期开始时,百万分之12氧化碳的含量保持在300ppm以下,远低于今天的400 ppm。

但这个结论与来自那个时期的间接记录存在矛盾,后者显示2氧化碳的比例应当更高。但这1分析结果验证了气候模型的预测:只有这样的低浓度才能使地球进入冰河期的周期循环。

科学家希望能重新研究艾伦山,以钻探更多的岩心,他们希望终能在该地区发现500万年前的冰川,那时地球上的温室气体环境可能与今天1样。

基因疗法成功:为医治神经退行性疾病带来希望

2017年,1项小型临床实验获得了巨大成功,使基因医治领域遭到鼓舞。

研究人员通过在脊髓神经元中添加1个缺失的基因,挽救了身患I型脊髓性肌萎缩症的婴儿的生命。脊髓性肌萎缩症是1类由于以脊髓前角神经细胞为主的变性致使肌无力和肌萎缩的神经退行性疾病。

研究人员先在实验室制备了1种携带能编码正常运动神经元生存蛋白基因的腺相干病毒亚型9,然后医生将经过改造的AAV9静脉注射到15名患者体内,所有患者都表现出不同程度的改良,生存期都超过了20个月。

同时,该基因可以突破血脑屏障到达中枢神经,这对用基因疗法医治其他退行性神经疾病具有首创性和里程碑式的意义。

另外,3种基因疗法在美国获批投入使用。8月,美国政府批准1种基于改造患者本身免疫细胞的疗法医治白血病,这是种在美国取得批准的基因疗法,开辟了癌症医治的新篇章。新疗法是1种嵌合抗原受体T细胞疗法,它先从患者本身收集在免疫反应中发挥重要作用的T细胞,然后重新编程,所得T细胞含有嵌合抗原受体,能辨认并攻击癌变细胞,因此可重新注入患者体内用于医治。

1个多月后,美国风筝制药公司的Yescarta基因疗法获批上市。该疗法用于医治对最少两种医治方案无响应或医治后复发的特定类型成人大B细胞淋巴瘤患者。

美国食品药品监督管理局去年12月宣布,已批准火花基因疗法公司的Luxturna基因疗法,用于医治特定遗传性眼疾的儿童和成人患者。这是种医治遗传性疾病的基因疗法在美国获准上市。

编辑点评

实力是好的利益保障,科技水平决定了能否对未来的趋势进行掌控,随着我国基础科学的成长加快,新能源领域的日趋深入,上1个时期来自西方制造业创造的壁垒行将不复存在。而国家处在更加公平的国际交往地位上,对我们每个人的具体利益都是1种延伸保障。