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侧记二〇一四年五星级突破,二零一四年份十大

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  新华社华盛顿12月22日电(记者 林小春)美国《科学》杂志22日公布了其评选的2016年十大科学突破,有“时空涟漪”之称的引力波被发现当选今年头号突破。

每年年底,Science杂志都会评选出十大科学突破。本周Science杂志公布了该刊评选出的2016年度十大科学进展,今年的Science十大科学突破之首是科学家首次直接探测到引力波,而读者网上投票选出的是体外胚胎发育首次超越一周存活13天。年度科技突破:《科学》杂志刊出读者的五大选项除此之外,今年的十大科学突破中生物类的包括:清除衰老,巨猿的“读心术”,人工设计蛋白质,真正的人造卵母细胞,以及纳米测序突破性成果。

  “当记者和编辑聚在一起讨论(今年的)重大科学新闻时,我们没有花很多时间就选出了‘年度头号突破’,”《科学》新闻编辑蒂姆·阿彭策勒在一份声明中说,“2016年里有许多了不起的成就,但引力波的发现比其他所有事件高出一筹。”

昂贵的整容手术不能阻止你变老,膳食补充剂,注射睾丸激素,或者其它任何暗示你说可以永远保持21岁的精华面霜也不能让我们停止变老。但是今年,梅奥诊所的研究人员证实清除衰老细胞可以延迟肿瘤形成,维持组织和器官的功能,延长寿命,且没有观察到任何的不良影响。

  今年2月,参与美国“激光干涉引力波天文台(LIGO)”项目的研究人员联合宣布,他们利用LIGO的两个探测器于2015年9月14日探测到来自两个黑洞合并产生的引力波信号。这填补了爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。

梅奥诊所的研究人员利用了一种转基因使得药物能够诱导除去正常小鼠体内的衰老细胞。当给予一种叫做AP20187的化合物时,除去衰老细胞延迟了肿瘤形成,抑制了多个器官发生年龄相关的退化。治疗小鼠的平均寿命延长17-35%。它们还显示出更健康的外表,脂肪、肌肉及肾脏组织中的炎症量减少。

  《科学》杂志的解读文章说,引力波的发现证实了爱因斯坦在一个世纪前的预测,“震动了科学界”。这一成功来之不易,因为爱因斯坦本人都曾怀疑引力波是否真的存在,而且即便存在,也可能由于信号太弱而无法探测。“现在,物理学家正热切期待接下来会发生什么,因为引力波能以全新的方式来探索宇宙。”

梅奥诊所研究人员多年来一直致力于衰老细胞清除的研究,2011年的Science十大科学突破中也有它。

  引力波的发现今年以来已获得多个国际重要奖项,包括一年一度的美国“科学突破奖”,它也入选英国《自然》杂志评选的2016年度重大科学事件。

D.J.Bakeretal.,“Naturallyoccurringp16Ink4a-positivecellsshortenhealthylifespan,,”Nature530,184

  《科学》杂志评选的今年另外9个重大科学突破分别是:

今年研究证明并不是只有人类才有“读心术”,巨猿们也能够读懂他“人”心思。美国、日本和德国研究人员制作了两个简短视频,让黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩三种猿类观看,并用眼红外跟踪器对它们的注视焦点进行追踪。结果表明猿类能对人类认为假猩猩或石头藏在什么地方做出正确的判断,它们了解人的想法。

  离我们最近的系外行星:比邻星是距太阳系最近的恒星,今年天文学家发现一颗环绕比邻星运行的类地球行星,其表面温度理论上适合液态水存在。他们认为这个新发现的世界为详细研究太阳系外行星提供了最佳机会。

这项研究暗示辨别错误的认知这一能力非人类所独有,从黑猩猩、倭黑猩猩、猩猩和人类可追溯的共同祖先起,在灵长类家族中至少存在了1300~1800万年。

  “人机大战”电脑获胜:人工智能程序“阿尔法围棋”击败当时世界排名第二的韩国棋手李世石。就在10年前,许多专家认为电脑绝不会在围棋上战胜人类的世界冠军。

C.Krupenyeetal.,“Greatapesanticipatethatotherindividualswillactaccordingtofalsebeliefs,”NewsfromScience354,110

  杀死衰老细胞葆青春:今年2月发表的一项动物研究显示,清除衰老细胞能使小鼠的器官更加健康,从而使寿命延长超过20%。同一个研究小组10月还报告说,清除衰老细胞能帮助小鼠减少动脉硬化斑块的形成。

蛋白质是我们生命的支柱,它们能加快关键的化学反应,让肌肉使出力,帮助细胞进行沟通,防御入侵者。为此科学家们一直都希望能创建出自己设计的蛋白。今年华盛顿大学生物化学系的NeilP.King和DavidBaker领导的研究组设计并合成了一个可自组装的25纳米的二十面体壳蛋白笼子,并且研究制成了兆道尔顿规模、双组分的二十面体蛋白复合物。

  猿类“读心术”:研究人员利用黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩开展的一项研究显示,猿类可能也能揣测“他人”的心思,甚至知道“他人”的看法是不正确的,这意味着猿类与人类的相似之处可能超出了我们此前的认知。

设计新蛋白并不是一件容易的事,它要求科学家能准确预测蛋白质的三维结构,而这是一个老大难问题。由于氨基酸的性质各异,在预测时发生的一些微小误差,都会极大影响最终结果。为了增加预测的准确度,科学家们发明了一种同源比较法,即基于结构已知的蛋白,对结构未知,但序列接近的蛋白质进行结构预测。这种方法虽有效,但也很快遇到了短板:目前已知的蛋白数量太少,不足自然界中蛋白数量的千分之一。这让能用于比较的“模板”数量严重不足。

  设计人工蛋白:科学家已学会设计并合成非天然的蛋白质,为开发新药物与材料打下基础。

为此Baker等人创造了一个叫做Rosetta的预测工具,利用局部的氨基酸性质,分析蛋白片段。经过多次改良,这一研究组目前已经成功预测了900多个蛋白结构。而且更重要的是,研究人员设计了一种能够结合特殊凝血素的蛋白,结果在临床前实验中证明人工合成的新蛋白能够发挥作用。

  纯体外培育卵子:日本研究人员利用实验鼠的诱导多功能干细胞,首次全程在体外培育出正常卵子,并且通过人工授精获得健康后代。

H.Yangetal.,“Designofahyperstable60-subunitproteinicosahedron,”Nature535,136

  走出非洲:3个独立的研究显示,非洲以外的大多数人群的祖先都可以追溯至数万年前的一波走出非洲的大迁徙。

J.Baleetal.,“Accuratedesignofmegadalton-scaletwo-componenticosahedralproteincomplexes,”Science353389

  手持式测序仪:英国牛津纳米孔公司利用一种名为纳米孔的突破性技术开发出手持式DNA测序仪。与现有技术相比,这种测序方法更加便捷、廉价。

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  超材料镜头:哈佛大学研究人员利用高约600纳米的二氧化钛“纳米砖”堆出一块轻薄如纸的超材料镜头。如果能够广泛应用,未来的智能手机和相机都会变得超级轻薄。

今年的“试管婴儿”有了新的含义:科学家们第一次从实验室重编程小鼠胚胎干细胞中培育出了功能完整的卵母细胞。这不仅实现了科学家们长期以来的愿景,而且也为利用各种类型细胞培养卵细胞提供了新方法,但同时也引发了对设计婴儿的担忧。

2011年日本京都大学研究团队成功地利用小鼠干细胞生成了功能性的精子。其后一年,同样是京都大学研究团队在Science上发表论文,宣布其成功从小鼠的iPS细胞中培育出卵子,并使其体外受精后产下健康后代。但这个方法仍然要求是未成熟的卵细胞植入到活体小鼠中进行发育。而今年的研究人员实现了完全从实验室中获得卵细胞。他们从任何一种干细胞类型开始,首先通过诱导几个基因生成PGC样细胞,然后将其与雌性性腺体细胞混合,创造出了体外“重组卵巢”。这些细胞会逐渐失去PGC标志表达,开始表达卵母细胞标记。

在培养基中生长了三周后,研究人员观察到了减数分裂前期的初级卵母细胞,这一阶段的一个关键要素在于添加一种雌激素抑制剂,令早期阶段的卵母细胞体外形成卵巢卵泡。研究人员再在培养基中加入促卵泡素和另外两种因子,这样细胞会分离出毛囊样结构,卵母细胞继续生长11天,组装出全尺寸生发泡卵母细胞。在第三阶段,成熟培养基中培养了一天的生发泡卵母细胞就会成为减数分裂-捕获卵母细胞。

相关论文:O.Hikabeetal.,“Reconstitutioninvitrooftheentirecycleofthemousefemalegermline,”Nature539,299

基因组测序可能即将成为生物学研究中一个无处不在的工具手段,今年的多篇技术研究成果,比如纳米孔测序设备,为这一目前在生物学研究中已经占据重要地位的实验方法再加一把火。

纳米孔测序的基础理念已经有十几年历史了,其技术原理是让单链DNA碱基逐个穿过纳米蛋白孔,检测不同碱基组合穿过时的电流变化来进行测序。2012年,OxfordNanopore公司发布了自己的纳米孔测序系统——MinION。自此,纳米孔测序真正实现了商业化。今年MinION不仅在非洲埃博拉患者诊断方面大显身手,而且还登上了国际空间站,宇航员用它在太空对老鼠、病毒和细菌的DNA样本进行了测序,探讨失重状态下是否可以进行DNA测序。

技术方面,今年NatureMethods发表了一种可高度选择性进行DNA测序的技术,这种技术被称为“'ReadUntil”,与实时的纳米孔测序联合使用,使得用户能够分析靶标DNA链。这一技术是通过运用动态时间规整而发展的,以将短的querycurrenttraces与参考序列匹配,从而展示了小基因组特定区域的选择性,来自一组靶标的单个扩增子,或一个集合中扩增产物的正常化。

此外,PacBio的测序系统也在罕见病测序诊断方面大放异彩:BioRxiv上公布了一项研究成果指出Carney综合征患者在进行第二代全基因组测序后没有检测出任何可以解释患者临床表征的遗传变异,而在利用PacBioSequel系统上进行测序后发现了缺失突变,精确检测出缺失断裂点。

相关论文:M.Looseetal.,"Real-timeselectivesequencingusingnanoporetechnology,"NatureMethods13,751

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