2021 年，科研界又有哪些重大发现呢，哪些突破性进展是与我们息息相关的呢？就让我们一起来看看 Science 杂志盘点出的十大突破性研究吧！2021 年，使用人工智能预测蛋白质结构的研究非常火爆。人工智能软件已经可以准确预测出成千上万个蛋白质结构，比如人工智能软件程序——AlphaFold2，它是由谷歌姊妹公司 DeepMind 开发的。德国和美国的研究人员使用 AlphaFold2 和冷冻电镜绘制了核孔复合物的结构图，该复合物由 30 种不同的蛋白质组成，控制着细胞核的进入。中国研究人员使用 AlphaFold2 绘制了近 200 种与 DNA 结合的蛋白质的结构图，这些蛋白质可能涉及从 DNA 修复到基因表达的方方面面。上个月，谷歌的母公司 Alphabet 成立了一家新企业，将使用预测的蛋白质结构来设计新的候选药物。目前，研究 SARS-CoV-2 的科学家正在使用 AlphaFold2 来模拟 Omicron 变体刺突蛋白突变的影响。人工智能预测蛋白质结构将为结构生物学带来巨大变化，这样的进步将为基础生物学提供新的见解，并揭示潜在的新药物靶点。人工智能预测了两种蛋白质如何形成参与酵母 DNA 修复的复合体最近，科学家们从洞穴的地面土壤中解锁了一个更大的古代 DNA 宝库。洞穴泥土上首次产生了存在于人类细胞核中的 DNA。科学家们使用这些核 DNA 绘制了人类和动物对三个洞穴的占领情况。在西班牙的 Estatuas 洞穴，核 DNA 揭示了 80,000~113,000 年前生活在那里的人类的遗传特征和性别，并表明在 100,000 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。在佐治亚州 Satsurblia 洞穴拥有 25,000 年历史的土壤中，科学家们发现了此前未知的尼安德特人的女性人类基因组，以及野牛和现已灭绝的狼的遗传痕迹。通过将墨西哥 Chiquihuite 洞穴中 12,000 年前的黑熊 DNA 与现代熊的 DNA 进行比较，科学家们发现在最后一个冰河时代之后，洞熊的后代向北迁徙至阿拉斯加。这项从古代土壤中提取和测序核 DNA 的技术仍在改进中，这项技术将为我们解答更多古代物种兴衰的问题。聚变为太阳和其他恒星提供动力，长期以来一直被视为地球能源问题的解决方案。今年，美国国家点火装置（NIF）产生了一种聚变反应，这种聚变反应产生的能量，比点燃它所需的激光能量更多。NIF 使用来自世界上最高能量激光的脉冲，来压缩「胡椒粒大小」的氢同位素氘和氚胶囊。今年早些时候，这种方法每次发射产生 170 千焦的聚变能量，远低于 1.9 兆焦的激光输入。但在 8 月的一次拍摄中，该产量飙升至 1.35 兆焦耳。研究人员认为这是燃烧等离子体的结果，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。该结果尚未经过同行评审期刊的审查，但已在 11 月的美国物理学会等离子体物理学部会议上发表。这项研究正在使可持续核聚变反应装置成为现实。为了产生 NIF 的聚变射击，192 束激光束会聚在一个微小的燃料芯块周围2021 年，人类与 COVID-19 的斗争不断升级，各大医药公司也忙于开发可预防症状和死亡的抗病毒药物。辉瑞和默克公司表示其抗 COVID-19 药丸显示了积极的临床试验结果。根据提交给监管机构的最终数据，默克公司的抗病毒药物 molnupiravir 可将未接种疫苗的高风险个体的住院或死亡风险降低 30%。辉瑞公司的抗病毒药物 PF -07321332，如果在出现症状的 3 天内开始使用，可减少 89% 的住院率。英国于 11 月批准了 molnupiravir，监管机构也在考虑辉瑞的药物。目前，默克和辉瑞正在检测其药物在接种疫苗的人群上是否有效。科学家们表示，虽然抗病毒药物不能取代疫苗接种，但是它们仍然是至关重要的。如果新的 Omicron 变体导致感染突破性激增，这些抗 COVID-19 药物将更加重要。今年五月，一项发表在 Nature Medicine 上的多中心、随机、对照试验发现，3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA），俗称摇头丸，可显著减轻创伤后应激障碍（PTSD）患者的症状。该试验的 76 名参与者，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。2 个月后，67% 的 MDMA 治疗患者不再符合 PTSD 的诊断标准，而安慰剂组这一比例为 32%。如果后续研究可以证实最初的 MDMA 结果，其赞助商将寻求美国 FDA 的批准。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。SARS-CoV-2 单克隆抗体在 2020 年的临床试验中显示出令人鼓舞的结果，到今年年底，美国食品和药物管理局已授予三种用于治疗 COVID-19，并在某些情况下预防感染的 SARS-CoV-2 单克隆抗体的紧急使用授权。此外，目前科学家正在开发针对流感、寨卡病毒和巨细胞病毒的单克隆抗体。随着单克隆抗体药物的价格暴跌，注射剂取代输液，以及更有效的单克隆抗体上市，单克隆抗体可能成为对抗传染病的标准武器。2018 年 11 月 26 日，美国国家航空航天局（NASA）的「洞察」号火星探测器携带一种被称为「内部结构地震实验」（SEIS）的六传感器地震仪在火星上降落，任务是记录地震波穿过陆地内部结构的过程，从而探索这颗红色星球的地壳、地幔和地核。自「扎根」火星以来，「洞察」号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，估计了火星地核的大小、地幔的结构和地壳的厚度。这让人们第一次知道，另一个与地球相似的行星内部是什么样：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……这也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。在接下来的时间里，随着更多测量数据的出现，研究人员将改进这颗红色星球的模型，进一步揭开火星的神秘面纱。今年，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。缪子的「体重」比它的近亲电子重 200 倍，在宇宙射线穿透地球大气层时自然产生，此外，费米实验室里的质子加速器也可以大量制造缪子。这称得上是物理学界的一件大事！简言之，新实验表明了自然界中的未知粒子，给了缪子额外的推力——而这一发现意味着有 50 年历史的粒子物理标准模型的预言失败。对物理学家来说，这可不是沮丧的结果，而是令人无比兴奋的战斗的开始，缪子本来就被视为「新物理的探针」，如今新成果虽不至于彻底颠覆标准模型，但也向所有人指向了一个新的物理学世界。转甲状腺素蛋白淀粉样变性，也称为 ATTR 淀粉样变性，是一种危及生命的疾病，其特征是错误折叠的转甲状腺素蛋白（TTR）在组织中逐渐积累，主要是在神经和心脏中。Intellia 和 Regeneron 公司联合宣布，其开发的体内 CRISPR-Cas9 基因组编辑疗法 NTLA-2001 治疗 ATTR 的 I 期临床研究中期结果显示，第 28 天，0.1 mg/kg 剂量组血清 TTR 蛋白水平较基线平均降低了 52%，而 0.3 mg/kg 剂量组-血清 TTR 蛋白水平降低了 87%。这是首个支持人体体内 CRISPR 基因组编辑的安全性和有效性的临床试验数据。在另一项研究中，Editas Medicine 的研究人员将一种携带 CRISPR DNA 的无害病毒注射到六名患有遗传性视力障碍的成年人的眼睛中。研究人员在 9 月的一次会议上报告说，3 -6 个月后，两名几乎完全失明的患者可以感觉到更多的光线，并且可以在昏暗的光线下穿越障碍路线。这些研究为在体 CRISPR 修复基因疗法铺平了道路。来自 CRISPR 注射的引导 RNA（蓝色）将 DNA 切割酶（白色）引导至其靶标（橙色）深入了解早期胚胎发育，可以帮助我们更好地了解流产和出生缺陷等问题，并有利于完善体外受精方案。然而，法律、实践和伦理等诸多方面，限制了对人类胚胎的研究。今年，科学家们找到了潜在的替代品。通常上，体外培育小鼠胚胎在 3 或 4 天内，今年 3 月一个团队突变了这一瓶颈，将培养时间延长为 11 天。一个关键步骤是在类似于微型摩天轮的设备上旋转装有胚胎的罐子，这能不断混合浸泡胚胎的营养液，并确保氧气水平和大气压力相当，能够使胚胎经历了细胞重组、器官生长和后腿发芽的关键阶段。此外，有科学家设计了关键胚胎阶段的替代品——胚泡。一个团队利用人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞构建了胚泡。另一项研究发现，正在向诱导多能干细胞过渡的皮肤细胞会产生囊胚样结构。这些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。在旋转罐子里生长的一个老鼠胚胎，可以帮助研究人员更好地了解人类早期胚胎发育H. Holden Thorp (2021). Proteins, proteins everywhere. Science, https://doi.org/10.1126/science.abn5795
