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【科技資訊】科技部高技術研究發展中心: 2018年度中國科學十大進展

2019227日,科技部基礎研究管理中心召開2018年度中國科學十大進展專家解讀會,發布了2018年度中國科學十大進展。

中國科學十大進展由科技部基礎研究司、科技部高技術研究發展中心(基礎研究管理中心)等部門組織開展,旨在宣傳我國重大基礎研究科學進展,激勵廣大科技工作者的科學熱情和奉獻精神,開展基礎研究科普宣傳,促進公眾理解、關心和支持基礎研究,在全社會營造良好的科學氛圍。目前,中國科學十大進展遴選活動至今已成功舉辦14屆。

從評選結果來看,研究成果主要由各大高校和中國科學院牽頭完成,其中中國科學院牽頭5項,位居各單位首位;浙江大學醫學院、國家納米科學中心、華中科技大學物理學院引力中心、DAMPE合作組、北京大學物理學院量子材料科學中心各牽頭1項。

具體獲獎項目簡介如下:

1.基于體細胞核移植技術成功克隆出獼猴

非人靈長類動物是與人類親緣關系最近的動物。因可短期內批量生產遺傳背景一致且無嵌合現象的動物模型,體細胞克隆技術被認為是構建非人靈長類基因修飾動物模型的最佳方法。

中中華華

1997年克隆羊多莉報道以來,雖有多家實驗室嘗試體細胞克隆猴研究,卻都未成功。中國科學院神經科學研究所/腦科學與智能技術卓越創新中心孫強和劉真研究團隊經過五年攻關最終成功得到了兩只健康存活的體細胞克隆猴。

他們研究發現,聯合使用組蛋白H3K9me3去甲基酶Kdm4dTSA可以顯著提升克隆胚胎的體外囊胚發育率及移植后受體的懷孕率。在此基礎上,他們用胎猴成纖維細胞作為供體細胞進行核移植,并將克隆胚胎移植到代孕受體后,成功得到兩只健康存活克隆猴;而利用卵丘顆粒細胞為供體細胞核的核移植實驗中,雖然也得到了兩只足月出生個體,但這兩只猴很快夭折。遺傳分析證實,上述兩種情況產生的克隆猴的核DNA源自供體細胞,而線粒體DNA源自卵母細胞供體猴。

體細胞克隆猴的成功是該領域從無到有的突破,該技術將為非人靈長類基因編輯操作提供更為便利和精準的技術手段,使得非人靈長類可能成為可以廣泛應用的動物模型,進而推動靈長類生殖發育、生物醫學以及腦認知科學和腦疾病機理等研究的快速發展。

德國科學院院士Nikos K. Logothetis克隆猴:基礎和生物醫學研究的一個重要里程碑(Cloning NHP: A major milestone in basic and biomedical research)為題發表評論認為,這項工作證明了利用體細胞核生殖克隆獼猴的可行性,打破了技術壁壘并開創了使用非人靈長類動物作為實驗模型的新時代,是生物醫學研究領域真正精彩的里程碑。

2.創建出首例人造單染色體真核細胞

真核生物細胞一般含有多條染色體,如人有46條、小鼠40條、果蠅8條、水稻24條等。這些天然進化的真核生物染色體數目是否可人為改變、是否可以人造一個具有正常功能的單染色體真核生物是生命科學領域的前沿科學問題。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所覃重軍和薛小莉研究組、趙國屏研究組、生物化學與細胞生物學研究所周金秋研究組、武漢菲沙基因信息有限公司等團隊合作,以天然含有16條染色體的真核生物釀酒酵母為研究材料,采用合成生物學工程化方法和高效使能技術,在國際上首次人工創建了自然界不存在的簡約化的生命——僅含單條染色體的真核細胞。該研究表明天然復雜生命體系可以通過人工干預變簡約,甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。

NatureThe Scientist等發表評論認為,這可能是迄今為止動作最大的基因組重構,這些遺傳改造的酵母菌株是研究染色體生物學重要概念的強大資源,包括染色體的復制、重組和分離。

3.揭示抑郁發生及氯胺酮快速抗抑郁機制

抑郁癥嚴重損害了患者的身心健康,是現代社會自殺問題的重要誘因,給社會和家庭帶來巨大的損失。然而傳統抗抑郁藥物起效緩慢(68周以上),并且只在20%左右的病人中起效,這提示目前對抑郁癥機制的了解還沒有觸及其核心。

新抑郁模型

近年來在臨床上意外發現麻醉劑氯胺酮在低劑量下具有快速(1小時內)、高效(在70%難治型病人中起效)的抗抑郁作用,被認為是精神疾病領域近半個世紀最重要的發現。然而,氯胺酮具有成癮性,副作用大,無法長期使用。因此,理解氯胺酮快速抗抑郁的機制已成為抑郁癥研究領域的圣杯,因為它將提示抑郁癥的核心腦機制,并為研發快速、高效、無毒的抗抑郁藥物提供科學依據。

2018年,浙江大學醫學院胡海嵐研究組在這一領域的研究取得了突破性的進展:在抑郁癥的神經環路研究中,該研究組發現大腦中反獎賞中心——外側韁核中的神經元活動是抑郁情緒的來源。這一區域的神經元細胞通過其特殊的高頻密集的簇狀放電 抑制大腦中產生愉悅感的獎賞中心的活動。通過光遺傳的技術手段,他們直接證明韁核區的簇狀放電是誘發動物產生絕望和快感缺失等行為表現的充分條件。

針對抑郁的分子機制,該研究組發現這種簇狀放電方式是由NMDAR型谷氨酸受體介導的,作為NMDAR的阻斷劑,氯胺酮的藥理作用機制正是通過抑制韁核神經元的簇狀放電,高速高效地解除其對下游獎賞中心的抑制,從而達到在極短時間內改善情緒的功效。同時,該研究組對產生簇狀放電的細胞及分子機制做出了更深入的闡釋。

通過高通量的定量蛋白質譜技術,他們發現抑郁的形成伴隨著膠質細胞中鉀離子通道Kir4.1的過量表達。而Kir4.1通道對抑郁的調控植根于韁核組織中膠質細胞對神經元的致密包繞這一組織學基礎。在神經元-膠質細胞相互作用的狹小界面中,Kir4.1在膠質細胞上的過表達引發神經元細胞外的鉀離子濃度降低,從而誘發神經元細胞的超極化、T-VSCC鈣通道活化,最終導致NMDAR介導的簇狀放電。

上述研究對于抑郁癥這一重大疾病的機制做出了系統性的闡釋,顛覆了以往抑郁癥核心機制上流行的 單胺假說,并為研發氯胺酮的替代品、避免其成癮等副作用提供了新的科學依據。同時,該研究所鑒定出的NMDARKir4.1鉀通道、T-VSCC鈣通道等可作為快速抗抑郁的分子靶點,為研發更多、更好的抗抑郁藥物或干預技術提供了嶄新的思路,對最終戰勝抑郁癥具有重大意義。ScienceScientific American等期刊對該工作進行了新聞報道,稱這是一項驚人的發現

4.研制出用于腫瘤治療的智能型DNA納米機器人

利用納米醫學機器人實現對人類重大疾病的精準診斷和治療是科學家們追逐的一個偉大的夢想。國家納米科學中心聶廣軍、丁寶全和趙宇亮研究組與美國亞利桑那州立大學顏灝研究組等合作,在活體內可定點輸運藥物的納米機器人研究方面取得突破,實現了納米機器人在活體(小鼠和豬)血管內穩定工作并高效完成定點藥物輸運功能。

研究人員基于DNA納米技術構建了自動化DNA機器人,在機器人內裝載了凝血蛋白酶——凝血酶。該納米機器人通過特異性DNA適配體功能化,可以與特異表達在腫瘤相關內皮細胞上的核仁素結合,精確靶向定位腫瘤血管內皮細胞;并作為響應性的分子開關,打開DNA納米機器人,在腫瘤位點釋放凝血酶,激活其凝血功能,誘導腫瘤血管栓塞和腫瘤組織壞死。

這種創新方法的治療效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原發肺癌等多種腫瘤中都得到了驗證。并且小鼠和Bama小型豬實驗顯示,這種納米機器人具有良好的安全性和免疫惰性。

上述研究表明,DNA納米機器人代表了未來人類精準藥物設計的全新模式,為惡性腫瘤等疾病的治療提供了全新的智能化策略。Nature Reviews CancerNature Biotechnology等評論認為該工作為里程碑式的工作;美國The Scientist期刊將該工作與同性繁殖、液體活檢、人工智能一起,評選為2018年度世界四大技術進步。

5.測得迄今最高精度的引力常數G

牛頓萬有引力常數G是人類認識的第一個基本物理常數,其在物理學乃至整個自然科學中扮演著十分重要的角色。兩個世紀以來,實驗物理學家們圍繞引力常數G值的精確測量付出了巨大而艱辛的努力,但其測量精度目前仍然是所有物理學常數中最低的。

按照牛頓萬有引力定律,G應該是一個固定的常數,不因測量地點和測量方法的不同而變化。但是,當前國際上不同研究小組用不同方法測得的G值卻不吻合。

為了深入研究這一問題,華中科技大學物理學院引力中心羅俊、楊山清和邵成剛研究組自2009年開始同時采用兩種相互獨立的方法——扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法來測量G值。

歷經多年的艱苦努力,2018年兩種方法均獲得了迄今為止國際最高的測量精度(G值分別為6.67418410?116.67448410?11m3/kg/s2,相對標準偏差分別為百萬分之11.6411.61),更為關鍵的是兩個結果在3倍標準差范圍內吻合。Nature期刊以引力常數的創紀錄精度測量(Gravity measured with record precision)為題發表評論認為,這項工作是迄今為止用兩種獨立的方法測定引力常數的不確定度最小的結果,為揭示造成萬有引力常數測量差異的原因提供了非常好的機遇,同時也為進一步測量獲得引力常數的真值提供了機遇;并評價這項工作是精密測量領域卓越工藝的典范

6.首次直接探測到電子宇宙射線能譜在1TeV附近的拐折

高能宇宙射線中的負電子和正電子在其行進過程中會很快損失能量,因此其測量數據可以作為高能物理過程的一個探針,甚至用于研究暗物質粒子的湮滅或衰變現象。

基于地基切倫科夫伽瑪射線望遠鏡陣列的間接探測獲得的電子宇宙射線能譜在1TeV1TeV=1000GeV=1萬億電子伏特)附近存在有拐折的跡象,但其系統誤差很大。

我國首顆天文衛星悟空號(DAMPE)的電子宇宙射線的能量測量范圍比起國外的空間探測設備(如AMS-02Fermi-LAT)有顯著提高,拓展了人類在太空中觀察宇宙的窗口。

DAMPE合作組基于悟空號前530天的在軌測量數據,以前所未有的高能量分辨率和低本底對25GeV4.6TeV能量區間的電子宇宙線能譜進行了精確的直接測量。悟空號所獲得能譜可以用分段冪律模型而不是單冪律模型很好地擬合,明確表明在0.9TeV附近存在一個拐折,證實了地面間接測量的結果。該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力,其精確的下降行為對于判定部分電子宇宙射線是否來自于暗物質起著關鍵性作用。

此外,悟空號所獲得的能譜在1.4TeV附近呈現出流量異常跡象,尚需進一步的數據來確認是否存在一個精細結構。

瑞典皇家科學院院士、諾貝爾物理學獎評獎委員會秘書Lars Bergstrom教授肯定了這是首次直接測量到這一拐折。美國約翰霍普金斯大學Marc Kamionkowski教授評論認為,這是年度最令人激動的科學進展之一。

7.揭示水合離子的原子結構和幻數效應

離子與水分子結合形成水合離子是自然界最為常見和重要的現象之一,在很多物理、化學、生物過程中扮演著重要的角色。

早在19世紀末,人們就意識到離子水合作用的存在并開始了系統的研究。一百多年來,水合離子的微觀結構和動力學一直是學術界爭論的焦點,至今仍沒有定論。究其原因,關鍵在于缺乏原子尺度的實驗表征手段以及精準可靠的計算模擬方法。

北京大學物理學院量子材料科學中心江穎、王恩哥和徐莉梅研究組與化學與分子工程學院高毅勤研究組等合作,開發了一種基于高階靜電力的新型掃描探針技術,刷新了掃描探針顯微鏡空間分辨率的世界紀錄,實現了氫原子的直接成像和定位,在國際上首次獲得了單個鈉離子水合物的原子級分辨圖像,并發現特定數目的水分子可以將水合離子的遷移率提高幾個量級,這是一種全新的動力學幻數效應。

結合第一性原理計算和經典分子動力學模擬,他們發現這種幻數效應來源于離子水合物與表面晶格的對稱性匹配程度,而且在室溫條件下仍然存在,并具有一定的普適性。該工作首次澄清了界面上離子水合物的原子構型,并建立了離子水合物的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯,顛覆了人們對于受限體系中離子輸運的傳統認識。這對離子電池、防腐蝕、電化學反應、海水淡化、生物離子通道等很多應用領域都具有重要的潛在意義。

Nature Reviews Chemistry期刊主編David Schilter發表評論文章認為,這項研究獲得了堪稱完美的水合離子結構和動力學信息

8.創建出可探測細胞內結構相互作用的納米和毫秒尺度成像技術

真核細胞內,細胞器和細胞骨架進行著高度動態而又有組織的相互作用以協調復雜的細胞功能。觀測這些相互作用,需要對細胞內環境進行非侵入式、長時程、高時空分辨、低背景噪聲的成像。

為了實現這些正常情況下相互對立的目標,中國科學院生物物理研究所李棟研究組與美國霍華德休斯醫學研究所Jennifer Lippincott-SchwartzEric Betzig等合作,發展了掠入射結構光照明顯微鏡(GI-SIM)技術,該技術能夠以97納米分辨率、每秒266幀對細胞基底膜附近的動態事件連續成像數千幅。

研究人員利用多色GI-SIM技術揭示了細胞器-細胞器、細胞器-細胞骨架之間的多種新型相互作用,深化了對這些結構復雜行為的理解。微管生長和收縮事件的精確測量有助于區分不同的微管動態失穩模式。內質網(ER)與其他細胞器或微管之間的相互作用分析揭示了新的內質網重塑機制,如內質網搭載在可運動細胞器上。而且,研究發現內質網-線粒體接觸點可促進線粒體的分裂和融合。

中國科學院外籍院士、美國杜克大學Xiao-Fan Wang教授評論認為,這項工作發展了一項可視化活細胞內的細胞器與細胞骨架動態相互作用和運動的新技術,將會把細胞生物學帶入一個新時代,有助于更好地理解活細胞條件下的分子事件,也提供了一個從機制上洞察關鍵生物過程的窗口,可對生命科學整個學科產生重大影響。

9.調控植物生長-代謝平衡實現可持續農業發展

通過增加無機氮肥施用量來提高作物的生產力,雖能保障全球糧食安全,但也加劇了對生態環境的破壞,因此提高作物氮肥利用效率至關重要。這需要對植物生長發育、氮吸收利用以及光合碳固定等協同調控機制有更深入的了解。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究組與合作者的研究顯示,水稻生長調節因子GRF4和生長抑制因子DELLA相互之間的反向平衡調節賦予了植物生長與碳-氮代謝之間的穩態共調節。GRF4促進并整合了植物氮素代謝、光合作用以及生長發育,而DELLA抑制了這些過程。

作為綠色革命品種典型特征的DELLA蛋白高水平累積使其獲得了半矮化優良農藝性狀,但是卻伴隨著氮肥利用效率降低。通過將GRF4-DELLA平衡向GRF4豐度的增加傾斜,可以在維持半矮化優良性狀的同時提高綠色革命品種的氮肥利用效率并增加谷物產量。

因此,對植物生長和代謝協同調控是未來可持續農業和糧食安全的一種新的育種策略。Nature期刊發表評論文章認為,該育種策略宣告了一場新的綠色革命即將到來 

10.將人類生活在黃土高原的歷史推前至距今212萬年

人類的起源和演化是重大世界前沿科學問題,國際上公認的非洲以外最老舊石器地點是格魯吉亞的德馬尼西遺址,年代為距今185萬年。

由中國科學院廣州地球化學研究所朱照宇、古脊椎動物與古人類研究所黃慰文和英國埃克塞特大學Robin Dennell領導的團隊歷經13年研究,在陜西省藍田縣發現了一處新的舊石器地點——上陳遺址。

研究人員綜合運用黃土-古土壤地層學、沉積學、礦物學、地球化學、古生物學、巖石磁學和高分辨率古地磁測年等多學科交叉技術方法測試了數千組樣品,建立了新的黃土-古土壤年代地層序列,并在早更新世17層黃土或古土壤層中發現了原地埋藏的96件舊石器,包括石核、石片、刮削器、鉆孔器、尖狀器、石錘等,其年齡約126萬年至212萬年。

連同該團隊前期將藍田公王嶺直立人年代由原定距今115萬年重新定年為163萬年的結果,上陳遺址212萬年前最古老石器的發現將藍田古人類活動年代推前了約100萬年,這一年齡比德馬尼西遺址年齡還老27萬年,使上陳成為非洲以外最老的古人類遺跡地點之一。這將促使科學家重新審視早期人類起源、遷徙、擴散和路徑等重大問題。

此外,世界罕見的含有20多層舊石器文化層的連續黃土-古土壤剖面的發現將為已經處于世界領先地位的中國黃土研究拓展一個新研究方向,同時將對古人類生存環境及石器文化技術的演進給出年代標尺和環境標記。

澳大利亞國立大學Andrew P. Roberts教授評論認為,這項轟動性工作確立了非洲以外已知的最古老的與古人類相關的遺址的年齡及氣候環境背景,對于我們理解人類進化有著巨大的影響,不僅是中國科學的重大成果,也是2018年全球科學的一大亮點。


(資訊來源:科技日報)


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