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科技 | 《科学》杂志公布2021年度十大科学突破,生物与医学占据七席!


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回首2021,在极端天气频发的气候变暖警钟之下,在与起起伏伏的新冠疫情斗智斗勇之中,人类社会走过了蹒跚坎坷的一年。应对人类共同面临的挑战,这一年,科学的脚步依然坚定,为照亮人类未来之路披荆斩棘、坚毅前行。


今年12月17日,紧随英国《自然》杂志评出2021年十大科学研究新闻,另一权威期刊《科学》杂志也公布了2021年度十大科学突破。相对于去年的五席,今年有七个生物与医学相关的科学突破入选名单。


一。人工智能(AI)预测蛋白质结构

人工智能(AI)预测蛋白质结构,是2021年度当之无愧的“金牌”科学突破。这项技术的革命性突破,解决了持续50年的重大生物学难题,为探索人体与生命的本质铺平了道路,将为基础生物学提供新的见解,并揭示潜在的新药物靶点。


此前,复杂的蛋白质结构只能通过艰苦的实验分析来确定,但现在可以对成千上万的蛋白质和相互作用蛋白质的复合物进行快速计算。今年7月,Google姐妹公司DeepMind宣布已经利用AI智能软件程序——AlphaFold2预测了人类表达的几乎所有蛋白质的结构,以及其他20种生物几乎完整的蛋白质组。现在,科学家也在使用AlphaFold2来模拟奥密克戎变体刺突蛋白突变的影响

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二。口服抗新冠药物出现

疫苗在抗击新冠疫情的斗争中发挥了重大作用,今年,一个强力的新帮手——抗病毒口服药也加入了进来,包括默克的莫奈拉韦(Molnupiravir)和辉瑞的Paxlovid等。数据显示,莫奈拉韦可将未接种疫苗的高危人群的住院或死亡风险降低30%。而如果在出现症状的3天内开始服用Paxlovid,则可使住院率降低89%。


同时科学家们也表示,抗病毒药物不能取代疫苗接种,新药的不确定性仍然很多,但它们的出现至关重要,如果新的奥密克戎变体导致突破性感染激增,它们的重要性将更加突出。

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三。迷幻药物可治疗创伤后应激障碍

迷幻药改变精神的能力,不合理的使用会带来严重后果,但人们也对其治疗精神疾病能力抱有希望,但一直缺少大型、严格的实验证明。


今年5月发表在Nature Medicine上的一项研究发现,3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ,也就是俗称的“摇头丸”的主要成分,能显著降低创伤后应激障碍(PTSD)患者的症状。76名受试者接受了3 次 MDMA 或安慰剂治疗,并在每次治疗前后与治疗师进行一次谈话治疗。两个月后,67%的受试者不再符合PTSD的诊断标准,而这一比例在安慰剂组为32%。


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四。应用单克隆抗体治疗传染性疾病

随着克隆、动物模型和 X 射线晶体学的进步,研究人员可以制造和筛选比以往更多的单克隆抗体。截至今年年底,已有3种用于治疗新冠病毒的单克隆抗体获得FDA紧急使用授权,包括Bamlanivimab、REGEN-COV、Sotrovimab。


此外,目前科学家也正在开发针对流感、寨卡病毒和巨细胞病毒的单克隆抗体,两个旨在预防所有婴儿呼吸道合体病毒(RSV)的候选药物被寄予厚望。同时,随着价格下跌、注射剂取代输液,以及更有效的单克隆抗体上市,未来单克隆抗体可能成为对抗传染病的标准武器。




五。CRISPR基因编辑疗法首次证明对人类疗效

基因编辑工具CRISPR于2020年首次显现出或可治愈镰状细胞病和β-地中海贫血症的可能。


今年,科学家们更进一步,直接在人体内使用CRISPR进行基因编辑。Intellia和再生元在今年6月份宣布,其开发的体内 CRISPR-Cas9 基因编辑疗法 NTLA-2001 治疗转甲状腺素淀粉样变性病的I期临床研究中期结果显示,在第 28 天,0.1 mg/kg 剂量组血清转甲状腺素蛋白水平较基线平均降低了 52%,0.3 mg/kg 剂量组降低了 87%。这是首个支持人体体内 CRISPR 基因编辑安全性和有效性的临床试验数据。

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六。体外胚胎培养为早期发育研究打开新窗户

深入研究人类早期胚胎发育的过程可以帮助科学家了解流产和出生缺陷,并有利于完善体外受精方案。今年,科学家设计了被称为“胚泡”的关键胚胎阶段的替代品,不仅让小鼠胚胎在人造子宫“玻璃瓶”中发育的时间从3-4天突破到了11天,还实现将人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞重编程为类似胚泡的结构。尽管这种人造胚泡不是真正的胚胎,但可以为科学研究提供指导意义且争议较小的替代方案,一定程度上解决法律、实践和伦理等诸多方面限制对真实人类胚胎的研究行为,为子宫外孕育人类提供思路。

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七。解锁土壤中的古人类DNA宝库

今年,科学家首次从洞穴土壤中提取到了古人类DNA。在西班牙的Estatuas洞穴中,提取到的核DNA揭示了8-11.3万年前生活在那里的人类的遗传特征和性别,并表明在10万年前结束的冰川期之后,尼安德特人的一个谱系取代了其他几个谱系;而在美国佐治亚州Satsurblia洞穴的两万五千年历史的土壤中,科学家们发现了来自以前未知的尼安德特人系的女性人类基因组,以及野牛和现已灭绝的狼的遗传痕迹。


这项从古代土壤中提取和测序核 DNA 的技术仍在改进中,帮助科学家解答更多关于古代物种兴衰的问题。

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八。核聚变反应实现历史性突破

核聚变为太阳和其他恒星提供能量,长期以来一直被视为解决地球能源问题的方法。但要达到所需的压力和温度(相当于太阳核心温度的10倍),乃至使能量输入产出比达到实用水平,都非常困难。


今年8月,美国国家点火装置 (NIF) 产生了一种聚变反应,产生的能量比点燃它所需的激光能量更多。研究人员认为这是燃烧等离子体的结果,这意味着聚变反应产生了足够的热量,可以像火焰一样通过压缩燃料传播,从而产生更多的能量。伦敦帝国理工学院这一领域研究中心的联合主任Steven Rose教授表示:“这是惯性聚变自1972年开始以来最重大的进展。”这项研究正在使可持续核聚变反应装置成为现实。 

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九。通过地震数据首次揭示火星内部结构

自2018年11月“扎根”火星以来,NASA的“洞察”号火星探测器在其着陆点测量了大约733次地震。科学家基于其中35次地震的数据,揭示了火星的内部结构,包括:夹心蛋糕一般的地壳结构、比预期更薄的地幔、含有更多轻元素的液态核心......在接下来的时间里,随着更多测量数据的出现,科学家将改进这颗红色星球的模型,进一步揭开火星的神秘面纱。


这是科学家第一次使用地震数据来探测地球以外行星的内部,这是了解火星形成和热演化的重要一步。

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十。粒子物理学的标准模型或将迎来变革

今年4月7日,在美国费米实验室进行的缪子反常磁矩实验显示,缪子的行为与标准模型理论预测不相符。报告称,巨大的、不稳定的类电子粒子 —— 缪子,比最初预测的更具磁性。虽然比预测只相差0.1%,但这意味自然界中的未知粒子给了缪子额外的推力。


研究人员现在正在仔细检查今年的计算结果,如果结果成立,且理论和实验结果之间的差异持续存在,这一发现就意味着拥有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败,新的物理学变革大门或将打开。

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