来源: 中国科学报 发布时间:2021-1-21
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2020年世界十大科技进展新闻

科学界完成迄今最全面癌症基因组分析

2月5日,英国韦尔科姆基金会桑格研究所宣布,一个国际团队完成了迄今覆盖面最广泛的癌症全基因组分析,这有助于加深研究人员对癌症的认识,为开发出更高效的治疗方案铺平道路。这个被称为“泛癌症计划”的项目由来自37个国家的1300多名科学家合作开展,旨在研究可导致癌症的变异基因,绘制出这些基因的全图谱,团队分析了38种不同类型肿瘤的2658个全基因组,为癌症研究获取了丰富的基因数据。相关成果在当天以20多篇系列报告的形式发表在《自然》杂志及子刊上。

图为人乳腺癌细胞。大量新的数据揭示了基因变化是如何驱动肿瘤生长的。

人造叶绿体研制成功

德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所和法国波尔多大学的研究人员5月8日在《科学》上发文,他们通过将菠菜的“捕光器”与9种不同生物体的酶结合,制造了人造叶绿体。这种叶绿体可在细胞外工作、收集阳光,并利用由此产生的能量将二氧化碳转化成富含能量的分子。研究人员希望他们制造的加强版光合作用系统,最终能将二氧化碳直接转化成有用的化学物质,或者使转基因植物吸收大气中二氧化碳的量达到普通植物的10倍。这种新的光合作用将为转基因作物打开新大门,创造出比现有品种生长速度更快的新品种。在世界人口激增的背景下,这对农业发展是一个福音。

在这些90微米的液滴中,叶绿体的类囊体利用阳光将二氧化碳转化为有机化合物。

人工智能首次成功解析蛋白质结构

生物学界最大的挑战之一 ——蛋白质三维结构解析如今有望被破解。谷歌旗下人工智能公司DeepMind开发的深度学习程序AlphaFold能够精确预测其三维形状。长久以来,人们需要借助实验确定完整的蛋白质结构,这些方法往往需要数月甚至数年时间。而现在,人工智能也有能力给出精确预测的计算方法,可能只要几天甚至半个小时。11月30日,在蛋白质预测结构挑战赛CASP上,AlphaFold程序在百余支队伍中脱颖而出。将深度学习与张力控制算法结合,并应用于结构和遗传数据,该深度学习网络利用目前已知的17万种解析完毕的蛋白质进行了训练。

图中蓝色为计算机预测的蛋白质结构,绿色为实验验证结果,二者相似度非常高。

新型催化剂将二氧化碳变为甲烷

研究人员一直试图模仿光合作用,利用太阳的能量制造化学燃料。现在,美国科学家开发出一种新型铜—铁基催化剂,可借助光将二氧化碳转化为天然气主要成分甲烷,这一方法是迄今最接近人造光合作用的方法。研究人员称,新催化剂如获进一步改良,将降低人类对化石燃料的依赖。1月出版的美国《国家科学院院刊》报道了这种新型催化剂,作为将二氧化碳转化为甲烷的光驱动催化剂,其效率和产量是有史以来最高的。

一种新的催化剂增加了利用可再生能源产生甲烷的希望。

脑—机接口技术助瘫痪男子重获触觉

4月23日,美国巴泰尔科研中心和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的研究团队在《细胞》上发文,他们成功利用脑—机接口(BCI)系统帮一位瘫痪患者恢复了手部触觉。这项技术能捕捉到人所无法感知的微弱神经信号,并通过发回受试者大脑的人工感觉反馈来增强这些信号,从而极大地优化受试者的运动功能。BCI系统在改进后成为首个同时恢复运动与触觉功能的系统,不仅能让受试者仅靠触觉就能感知到物体,还能够感知握持或捡拾物体时所需的压力。

伊恩·伯克哈特的运动皮层被植入了微型芯片,从而能够再次抓住和感觉物体。

科研人员绘出迄今最大三维宇宙结构图

据物理学家组织网7月20日报道,在对400多万个星系和蕴含巨大能量的超亮类星体进行分析后,国际斯隆数字巡天调查项目团队发布了迄今最大的宇宙三维结构图。绘出该图的是多国科研人员组成的“扩展重子振荡光谱巡天(eBOSS)”项目团队,该项目是世界最大星系巡天项目“斯隆数字巡天”的一部分。最新成果建立在世界各地数十家机构的数百名科研人员超过20年合作的基础上,由eBOSS项目团队耗费数年完成。通过理论分析和天文观测,科研人员此前对宇宙的远古历史和最近的膨胀史都有相当了解,但中间却存在一个约110亿年的认知缺口。有关研究人员表示,新成果填补了这一空白,是宇宙学领域的重大进展。

图中2D星系(右)经过距离测量确定后,置入3D星图中(左)。

美研究人员在超高压下实现室温超导

10月16日,美国的一个科研团队在《自然》杂志发表研究成果。该团队在超高压下的一种氢化物材料中观察到室温超导现象,这一新突破让研究人员朝着创造出具有极优效率的电力系统迈进了一步。近年来超导研究的进展已表明,富氢材料在高压下可将超导温度提高至零下23摄氏度左右。美国罗切斯特大学科研人员在实验室中将可实现零电阻的温度提高到了15摄氏度,这个效果在2670亿帕斯卡压力下的一个光化学合成三元含碳硫化氢系统中被观察到,这个压力约是典型胎压的100万倍,并且达到了实验中实现的最高压力值。

一种氢、硫和碳的化合物被压在两颗钻石之间,在室温下实现超导。

“基因魔剪”首次直接用于人体试验

一名遗传失明症患者成为接受CRISPR-Cas9基因疗法直接人体试验的第一人。据3月初英国《自然》网站报道,科学家首次开展临床试验,将CRISPR-Cas9基因疗法直接用于人体,治疗遗传性眼病——莱伯氏先天性黑蒙症(LCA10)。LCA10是导致儿童失明的主要原因,目前尚无治疗方法。CRISPR-Cas9有“基因魔剪”之称,在最新试验中,这种基因编辑系统的组件被编码于病毒基因组中,然后直接注入患者眼睛的近光感受器细胞内。这项最新试验名为“光明”(BRILLIANCE),旨在测试该基因编辑技术移除导致LCA10的基因突变的能力,具有里程碑意义。

图为人类视网膜。CRISPR疗法首次被直接用于人体,以治疗一名遗传性失明患者。

引力波探测器发现迄今最强黑洞合并事件

引力波探测器探测到了天文学家未曾想到的惊人发现——迄今为止我们所知的最大规模的黑洞合并事件。9月2日,《物理评论快报》和《天体物理学期刊快报》分别上线文章,介绍了这项发现。此次黑洞合并最早发现于2019年5月21日,合并产生的引力波被美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利室女座干涉仪(Virgo)探测到,合并事件被命名为GW190521。这是上述引力波探测器当年第二次探测到非常规的黑洞合并事件。此次合并事件中,两个黑洞的质量分别是太阳的85倍和66倍,合并后形成的新黑洞质量接近150个太阳。

黑洞碰撞概念图

冷冻电镜技术突破原子分辨率障碍

如果想绘制出蛋白质最微小的部分,科学家通常需要使数百万个单个蛋白质分子排列成晶体,然后用X射线晶体学分析它们;或者快速冷冻蛋白质的副本,然后用电子轰击它们,这是一种低分辨率的方法,叫做冷冻电镜技术。在电子束技术、探测器和软件进一步的帮助下,来自英国和德国的两组研究人员将分辨率缩小到1.25埃或更小,这已经足以计算出单个原子的位置。增强的分辨率或使更多的结构生物学家选择使用冷冻电镜技术。目前,这项技术只适用于异常坚硬的蛋白质。下一步,研究人员将努力在刚性较小、较大的蛋白质复合物(如剪接体)中达到类似清晰程度的分辨率。相关论文于10月21日发表于《自然》。

冷冻电镜揭示了去铁铁蛋白的原子细节。

《中国科学报》 (2021-01-21 第3版 专题)
 
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