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 北京時間12月17日，《科學(xué)》網(wǎng)站公布了2021年度十大科學(xué)突破評選結(jié)果。讓我們一起來看看今年科學(xué)界都有哪些重大成果。其中人工智能預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進展獲得2021年十大科學(xué)突破進展之首！

1、人工智能預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

今年7月，世界知名人工智能團隊深度思維宣布，已經(jīng)利用AI智能軟件程序——阿爾法折疊預(yù)測了人類表達的幾乎所有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以及其他20種生物幾乎完整的蛋白質(zhì)組。AI預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)將實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，提供對基礎(chǔ)生物學(xué)的見解并揭示潛在的藥物靶點。

8月，中國研究人員使用阿爾法折疊2繪制了近200種與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)圖。11月，德國和美國的研究人員利用阿爾法折疊2和冷凍電鏡繪制了核孔復(fù)合物的結(jié)構(gòu)圖。現(xiàn)在，科學(xué)家正使用阿爾法折疊2來模擬奧密克戎變體刺突蛋白突變的影響。通過在蛋白質(zhì)中插入更大的氨基酸，突變改變了它的形狀——也許足以阻止抗體與其結(jié)合并中和病毒。

人工智能預(yù)測了兩種蛋白質(zhì)如何形成參與酵母DNA修復(fù)的復(fù)合體。

2、解鎖古老泥土DNA寶庫

最近，科學(xué)家們從洞穴地面的土壤中解鎖了一個更大的古代DNA寶庫。研究人員使用這種“泥土DNA”來重建世界各地穴居人的身份。

在西班牙的Estatuas洞穴，核DNA揭示了8萬至11.3萬年前生活在那里的人類的遺傳特征和性別，并表明尼安德特人的一個譜系在10萬年前結(jié)束的冰川期之后取代了其他幾個譜系。在美國佐治亞州Satsurblia洞穴有2.5萬年歷史的土壤中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了來自以前未知的尼安德特人系的女性人類基因組，以及野牛和現(xiàn)已滅絕的狼的遺傳痕跡。通過將墨西哥奇基維特洞穴中1.2萬年前的黑熊DNA與現(xiàn)代熊DNA進行比較，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在最后一個冰河時代之后，洞中黑熊的后代向北遷徙至阿拉斯加。

一名研究人員記錄了墨西哥奇基維特洞穴中沉積物樣本的位置。

3、實現(xiàn)歷史性核聚變突破

8月，美國國家點火裝置 (NIF) 產(chǎn)生了一種聚變反應(yīng)，這種反應(yīng)產(chǎn)生的能量比點燃它所需的激光能量更多。NIF使用來自世界上最高能量激光的脈沖來壓縮胡椒粒大小的氫同位素氘和氚膠囊。這種方法每次發(fā)射產(chǎn)生170千焦的聚變能量——遠低于1.9兆焦的激光輸入。但在8月8日記錄顯示，該能量飆升至1.35兆焦耳。研究人員認為這是燃燒等離子體的結(jié)果，這意味著聚變反應(yīng)產(chǎn)生了足夠的熱量，可以像火焰一樣通過壓縮燃料傳播。

為了產(chǎn)生美國國家點火裝置（NIF）的聚變反應(yīng)，192束激光束會聚在一個微小的燃料芯塊周圍。

4、抗新冠強效藥出現(xiàn)

數(shù)據(jù)顯示，美國默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風(fēng)險降低30%；而輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332，如果在出現(xiàn)癥狀的3天內(nèi)開始服用，則可使住院率降低89%。科學(xué)家們強調(diào)，抗病毒藥物不能取代疫苗接種，但它們?nèi)匀恢陵P(guān)重要。如果新的奧密克戎變體導(dǎo)致突破性感染激增，它們的重要性將更加突出。

美國默克制藥公司的莫奈拉韋將未接種新冠疫苗的高危人群因病住院或死亡的風(fēng)險降低了30%。

5、“搖頭丸”可治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙

一項多中心、隨機、對照試驗發(fā)現(xiàn)，3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ，也就是我們常說的“搖頭丸”的主要成分，顯著減輕了創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)患者的癥狀。76名受試者，部分接受了3次MDMA治療，部分接受了安慰劑指導(dǎo)治療課程。2個月后，67%的接受MDMA治療的患者不再有PTSD癥狀，而安慰劑組則僅有32%。

研究人員對創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）使用MDMA治療。

6、單克隆抗體治療傳染性疾病

今年單克隆抗體 (mAb)開始在對抗新冠病毒和其他威脅生命的病原體，包括呼吸道合胞病毒 (RSV)、HIV 和瘧疾寄生蟲等方面顯現(xiàn)出效果。到今年年底，已有3種用于治療新冠病毒的單克隆抗體獲得FDA緊急使用授權(quán)。科學(xué)家還正在開發(fā)針對流感、寨卡病毒和巨細胞病毒的單克隆抗體。兩個旨在預(yù)防所有嬰兒呼吸道合體病毒(RSV)的候選藥物被寄予厚望。單克隆抗體或?qū)⒊蔀閭魅静∥淦鲙熘械?ldquo;標配”。

藝術(shù)家描繪的單克隆抗體（紅色和藍色）攻擊新冠病毒（紫色）的概念圖。

7、“洞察”號首次揭示火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)

自“扎根”火星以來，美國國家航空航天局（NASA）的“洞察”號火星探測器在其著陸點測量了大約733次地震。科學(xué)家基于其中35次地震的數(shù)據(jù)，揭示了火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，估計了火星地核的大小、地幔的結(jié)構(gòu)和地殼的厚度。這也是科學(xué)家第一次使用地震數(shù)據(jù)來探測地球以外行星的內(nèi)部，這是了解火星形成和熱演化的重要一步。

地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、淺層的地幔和一個異常大的液體核心。

8、粒子物理學(xué)的標準模型出現(xiàn)“裂縫”

4月7日，美國費米國家加速器實驗室進行的繆子反常磁矩實驗顯示，繆子的行為與標準模型理論預(yù)測不相符。研究報告稱，巨大的、不穩(wěn)定的類電子粒子——繆子，比最初預(yù)測的更具磁性。此外，費米實驗室里的質(zhì)子加速器也可以大量制造繆子。研究人員現(xiàn)在正在仔細檢查今年的計算結(jié)果，如果成立，并且理論和實驗結(jié)果之間的差異持續(xù)存在，可能將標志著有50年歷史的粒子物理標準模型的預(yù)言失敗，或打開物理學(xué)變革之門。

在美國費米國家加速器實驗室的這個環(huán)內(nèi)，繆子像指南針一樣在磁場中旋轉(zhuǎn)，精確度為十億分之三十。

9、CRISPR基因編輯療法對人類療效

首次證明

基因編輯工具CRISPR于2020年首次顯現(xiàn)出或可治愈鐮狀細胞病和β—地中海貧血患者的功能。今年，科學(xué)家們更進一步，直接在人體內(nèi)部署CRISPR-Cas9。在小型研究中，該策略減少了一種有毒的肝臟蛋白質(zhì)，并適度改善了遺傳性失明患者的視力。6月26日，美國Intellia醫(yī)藥公司和再生元公司科學(xué)家在6名患有一種名為轉(zhuǎn)甲狀腺素淀粉樣變性病的罕見疾病的患者身上測試了他們的治療方法。結(jié)果顯示，所有參與者的畸形蛋白質(zhì)水平均下降，其中兩名接受高劑量注射的人的蛋白質(zhì)水平平均下降了87%。

來自CRISPR注射的引導(dǎo)。RNA（藍色）將DNA切割酶（白色）引導(dǎo)至其目標（橙色）。

10、體外胚胎培養(yǎng)為早期發(fā)育研究

打開新窗戶

通常，老鼠胚胎在母鼠體外生長的時間為3到4天。但在3月，一個團隊報告了一個將這一期限延長到11天的方案。該研究進展有望為子宮外孕育人類鋪平道路。此外，還有科學(xué)家設(shè)計了被稱為“胚泡”的關(guān)鍵胚胎階段的替代品。一個研究小組從人類胚胎干細胞中復(fù)制了胚泡，并誘導(dǎo)了多能干細胞(IPS)。另一項研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)性多能性細胞的皮膚細胞會產(chǎn)生囊胚狀結(jié)構(gòu)。這些人造胚泡并不是真正的胚胎，但其中一些可作為某些研究的替代方案以減少倫理爭議。5月，國際干細胞學(xué)會宣布放寬人類胚胎培養(yǎng)“14天規(guī)則”，進一步提振了該領(lǐng)域的研究。

一只老鼠胚胎在一個旋轉(zhuǎn)的罐子里生長。這樣的胚胎可以幫助研究人員更好地了解人類發(fā)育的早期階段。