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人工智能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、古老泥土是DNA寶庫(kù)、火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)露出真容……2021年盡管疫情依舊，科學(xué)界仍收獲滿滿。

日前，《科學(xué)》發(fā)布2021年十大科學(xué)突破，讓人們一窺科學(xué)碩果。

人工智能——蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)好幫手

曾幾何時(shí)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)只能通過(guò)艱難的實(shí)驗(yàn)室分析獲得。如今，利用人工智能這個(gè)好幫手，科學(xué)家可以快速計(jì)算出成千上萬(wàn)的蛋白質(zhì)精確結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究更如坐了火箭般超速發(fā)展：7月中旬，DeepMind團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人工智能程序RoseTTAFold已經(jīng)解析了數(shù)百種常見(jiàn)藥物靶點(diǎn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；1周后，他們報(bào)告說(shuō)，已經(jīng)對(duì)人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的35萬(wàn)種蛋白質(zhì)（占已知人類蛋白質(zhì)的44%）進(jìn)行了同樣的研究。

而在疫情中，其研發(fā)的AlphaFold2也成為各國(guó)研究人員解析病毒、抗擊疫情的“利器”

洞穴土壤——古代DNA的寶庫(kù)

來(lái)自化石的DNA為人類和動(dòng)物進(jìn)化研究帶來(lái)了變革。今年，科學(xué)家解鎖了一個(gè)更加巨大的古代DNA寶庫(kù)——古代洞穴地面的土壤。研究人員在其中發(fā)現(xiàn)了人類DNA，并利用“泥土DNA”重建了世界各地古代洞穴居民的身份。

研究人員分別對(duì)在西班牙Estatuas洞穴、美國(guó)Satsurblia洞穴、墨西哥奇基維特洞穴土壤內(nèi)發(fā)現(xiàn)的人類和動(dòng)物DNA進(jìn)行了分析，繪制了3個(gè)洞穴中人類和動(dòng)物的分布圖譜，并期望利用“泥土DNA”回答更多關(guān)于古代物種興衰的問(wèn)題。

激光聚變裝置——達(dá)到“收支平衡”

核聚變是太陽(yáng)和其他恒星的能量來(lái)源，長(zhǎng)期以來(lái)一直被視為解決地球能源問(wèn)題的路徑之一，但要在地球上實(shí)現(xiàn)它卻極為困難。

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），即激光聚變裝置通過(guò)使用世界上能量最高的激光脈沖壓縮氫同位素氘和氚膠囊，產(chǎn)生能量。

今年年初，該方法每次可產(chǎn)生170千焦的聚變能量，仍遠(yuǎn)低于1.9兆焦的激光輸入能量。但8月8日的記錄顯示，其產(chǎn)生的能量飆升至1.35兆焦，幾乎達(dá)到了官方期望的產(chǎn)出與消耗平衡點(diǎn)。

研究人員認(rèn)為這是燃燒等離子體的結(jié)果，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(guò)壓縮燃料傳播。

強(qiáng)效藥——抗擊新冠的“利器”

疫苗在抗擊新冠疫情中發(fā)揮著重要作用。現(xiàn)在一個(gè)新“玩家”——抗病毒藥物正在加入抗疫大軍，有望避免早期感染患者的癥狀發(fā)展和死亡。

其中，美國(guó)默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋據(jù)稱可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡率降低30%；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(kāi)始服用，可使住院率降低89%。目前還有多款抗病毒藥物在試驗(yàn)中，并有望投入抗疫“戰(zhàn)場(chǎng)”。

搖頭丸——?jiǎng)?chuàng)傷后應(yīng)激障礙的“解藥”

迷幻藥的精神改變能力讓人們對(duì)用其緩解精神疾病產(chǎn)生了期望，比如搖頭丸的主要成分——3,4—亞甲二氧基甲基苯丙胺（MDMA），但很少有大型、嚴(yán)格的試驗(yàn)證明其效用。

今年一項(xiàng)多中心、隨機(jī)、對(duì)照試驗(yàn)，共招募了76名受試者，其中一部分接受了3次MDMA治療，另一部分接受了安慰劑指導(dǎo)治療課程。兩個(gè)月后，67%的接受MDMA治療的患者不再符合創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙診斷標(biāo)準(zhǔn)（即擺脫P(yáng)TSD癥狀），而安慰劑組這一比例為32%。這表明，MDMA治療能顯著緩解PTSD患者的癥狀。

隨后其他研究小組也對(duì)類似的藥物成分進(jìn)行了試驗(yàn)，期待找到更多緩解精神疾病的方法。

單克隆抗體——馴服傳染性疾病的良方

實(shí)驗(yàn)室中制備出的單克隆抗體已經(jīng)徹底改變了某些癌癥和自身免疫性疾病的治療方法，但它們?cè)趯?duì)抗傳染病方面的能力仍然有限。

今年，單克隆抗體展現(xiàn)出了不一樣的一面。研究人員發(fā)現(xiàn)，它能夠侵入新冠病毒和其他威脅生命的病原體中，比如呼吸道合胞病毒、艾滋病病毒和瘧原蟲(chóng)等。

昂貴的成本和必須在診所注射單克隆抗體，使許多人無(wú)法從這種治療方式中獲益。但隨著價(jià)格暴跌、注射劑取代輸液、更有效的單克隆抗體上市，它們可能成為傳染病武器庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)常備武器。

“洞察”號(hào)——“傾聽(tīng)”火星內(nèi)部的聲音

2018年，美國(guó)宇航局的“洞察”號(hào)火星探測(cè)器抵達(dá)火星，試圖挖掘其內(nèi)部埋藏的“秘密”。但多次嘗試都未能穿透這顆行星的黏性沉積物。

但是地震給了“洞察”號(hào)機(jī)會(huì)。科學(xué)家基于其探測(cè)到的約733次地震中的35次地震數(shù)據(jù)，揭示了火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，估計(jì)了火星地核大小、地幔結(jié)構(gòu)和地殼厚度。這是科學(xué)家首次通過(guò)地震數(shù)據(jù)探測(cè)地球以外行星的內(nèi)部情況，以進(jìn)一步了解火星形成和熱演化。

預(yù)計(jì)到2022年底，“洞察”號(hào)的電力將耗盡，但在此之前，它將繼續(xù)等待并傾聽(tīng)火星的“秘密”。

μ介子實(shí)驗(yàn)——敲開(kāi)物理學(xué)變革之門(mén)

巨大的、不穩(wěn)定的類電子粒子—— μ介子的磁性為科學(xué)家提供了一種間接尋找更多未被發(fā)現(xiàn)粒子的途徑。

今年4月，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的μ介子反常磁矩實(shí)驗(yàn)顯示，μ介子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測(cè)不符——它比最初預(yù)測(cè)的更具磁性。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)中的微小偏差的進(jìn)一步研究，可能會(huì)為新物理學(xué)提供更多線索，有望推開(kāi)物理學(xué)變革之門(mén)。

CRISPR——“修理”人體基因

2020年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)，基因編輯工具CRISPR或可治愈鐮狀細(xì)胞病和β—地中海貧血。但該實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中進(jìn)行的。研究人員從患者體內(nèi)取出有缺陷的造血干細(xì)胞，對(duì)其進(jìn)行編輯，然后將這些細(xì)胞重新融合到患者體內(nèi)。

今年，科學(xué)家在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，在人體內(nèi)部署了CRISPR-Cas9，成功減少了一種有毒的肝臟蛋白質(zhì)，并在一定程度上改善了遺傳性失明患者的視力。

美國(guó)一家藥物公司同樣開(kāi)展了在體內(nèi)運(yùn)用基因編輯工具的實(shí)驗(yàn)，使患有轉(zhuǎn)甲狀腺素淀粉樣變性病的患者體內(nèi)畸形蛋白質(zhì)水平下降。

胚胎替代品為研究早期發(fā)育打開(kāi)窗口

對(duì)早期胚胎發(fā)育的深入研究，可以幫助科學(xué)家了解流產(chǎn)和出生缺陷問(wèn)題，改善體外受精方案。但人類胚胎研究存在諸多限制和倫理上的爭(zhēng)議。

今年，科學(xué)家找到了人類胚胎潛在的替代品——體外生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11天的小鼠胚胎，以及由人類干細(xì)胞或重編程成年細(xì)胞制成的“胚泡”。其中，后者并非真正的胚胎，但不失為某些研究有益且倫理爭(zhēng)議較少的方案。

此外，國(guó)際干細(xì)胞學(xué)會(huì)放寬人類胚胎培養(yǎng)“14天規(guī)則”，也為該領(lǐng)域研究帶來(lái)了助益。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》