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2016年度中国科学十大进展公布

2019-03-26 11:01栏目:电商
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2017年2月20日,科技部基础研究司与科技部高技术研究发展中心联合召开2016年度中国科学十大进展解读会,发布了2016年度中国科学十大进展:

1、研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂;

2、开创煤制烯烃新捷径;

3、揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制;

4、提出基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法;

5、揭示RNA剪接的关键分子机制;

6、发现精子RNA可作为记忆载体将获得性性状跨代遗传;

7、研制出首个稳定可控的单分子电子开关器件;

8、构建出世界上首个非人灵长类自闭症模型;

9、揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机理;

10、揭示水的核量子效应。

中国科学十大进展遴选活动由科技部高技术研究发展中心举办,至今已成功举办12届,旨在宣传我国重大基础研究科学进展,激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神,开展基础研究科普宣传,促进公众理解、关心和支持科学基础研究,在全社会营造良好的科学氛围。

中国科学十大进展遴选程序分为推荐、初选和终选3个环节。《中国基础科学》、《科技导报》、《中国科学院院刊》、《中国科学基金》和《科学通报》5家编辑部推荐了278项科学研究进展,所推荐的科学进展须是在2015年12月1日至2016年11月30日期间正式发表的研究成果。

2016年1月,科技部高技术研究发展中心组织召开了中国科学十大进展初选会议,按照推荐科学进展的学科分布,分成物理和天文科学、化学和材料科学、地球科学、生命科学等4个组,邀请专家从推荐的科学进展中遴选出30项进入终选。终选采取网上投票,邀请中国科学院院士、中国工程院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等2000余名专家学者对30项候选科学进展进行网上投票,得票数排名前10 位的科学进展入选2016年度中国科学十大进展。

2016年度中国科学十大进展进展简介

1. 研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂

为了评估金属和金属氧化物两种不同催化位点的作用,中国科学技术大学谢毅和孙永福研究组制备了四原子厚的钴金属层和钴金属/氧化钴杂化层。他们发现在低过电位下,相对于块材表面的钴原子,原子级薄层表面的钴原子具有更高的生成甲酸盐的本征活性和选择性。而部分氧化的原子层进一步提高了它们的本征催化活性,在过电位仅为0.24伏下实现了10毫安每平方厘米的电流输出超过40小时,且其甲酸盐选择性接近90%,这超过此前报道的金属或金属氧化物电极在同等条件下得到的结果。该研究工作有助于让研究者重新思考如何获得高效和稳定的CO2电还原催化剂。相关研究论文发表在2016年1月7日《自然》(Nature[529(7584):6871])上。

2. 开创煤制烯烃新捷径

中国科学院大连化学物理研究所包信和及潘秀莲研究团队从纳米催化的基本原理入手,开发出了一种过渡金属氧化物和有序孔道分子筛复合催化剂,成功实现了煤基合成气一步法高效生产烯烃,C2到C4低碳烯烃单程选择性突破了费托过程的极限,一跃超过80%。同时,反应过程完全避免了水分子的参与,从源头回答了李克强总理提出的能不能不用水或者少用水进行煤化工的诘问。该成果在纳米尺度上实现了对分别控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心的有效分离,使在氧化物催化剂表面生成的碳氢中间体在分子筛的纳米孔道中发生受限偶联反应,成功实现了目标产物随分子筛结构的可控调变。相关研究论文发表在2016年3月4日《科学》(Science [351(6277):10651068])上。

3. 揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制

上个世纪我国水稻育种学家先后建立起了三系法和两系法培育出的杂交水稻,大幅提高了水稻的产量,对水稻杂种优势的有效利用为我国乃至世界粮食安全做出了巨大贡献,然而对于水稻杂种优势的这一复杂生物学现象背后的遗传机理长期以来并不十分清楚。这项由韩斌院士研究组、黄学辉研究组联合中国水稻所杨仕华团队的研究通过大量的杂交稻品种材料的收集以及对多套代表性杂交稻遗传群体进行基因组分析和田间产量性状考察,综合利用基因组学、数量遗传学及计算生物学领域的最新技术手段,全面、系统地鉴定出了控制水稻杂种优势的主要遗传(数量性状或基因)位点,详细剖析了三系法、两系法和亚种间杂种优势的遗传机制。研究表明,这些遗传位点在杂合状态时大多表现出不完全显性,通过杂交育种产生了全新的基因型组合,从而在杂交一代高效地实现了对水稻花期、株型、产量各要素的理想搭配,形成杂种优势。利用这项研究成果,科研人员有望进一步优化水稻品种的杂交改良,实现对亲本材料的高效选育和配组,服务于具有高配合力特性的亲本材料和聚合双亲优点的常规稻材料的创制和改良,选育出更加高产、优质和多抗的水稻种质资源。相关研究论文以长文形式发表在2016年9月29日《自然》(Nature[537(7622): 629633])上。

4. 提出基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法

基于T细胞的肿瘤免疫治疗是当前肿瘤治疗领域的研究热点,虽然临床试验上取得了巨大的成功,具有广泛的应用前景,但目前现有的T细胞治疗手段只对部分病人有效,因此需要开发新的肿瘤免疫治疗手段以进一步改善疗效。中科院生化与细胞研究所许琛琦和李伯良研究组从全新的研究角度研究T细胞的抗肿瘤调控,发现调控T细胞的代谢检查点可改变其代谢状态以及抗肿瘤活性,并鉴定出肿瘤免疫治疗的新靶点-胆固醇酯化酶ACAT1以及相应的小分子化合物前体,为开发新的肿瘤免疫治疗方法鉴定了基础。该研究开辟了肿瘤免疫治疗研究的一个全新领域,初步证实了基于细胞代谢调控在肿瘤免疫治疗中的应用前景,并为肿瘤治疗提供了新的思路和方法。相关研究论文发表在2016年3月31日《自然》Nature[531(7596):651655]上。《自然》发表的同行评论指出:这项研究成果可能开发成抗肿瘤和抗病毒的新药物。《细胞》发表的同行评论指出:这项研究为对anti-PD-1没有治疗效应或产生抵抗的病人提供了新的希望。

5. 揭示RNA剪接的关键分子机制

在所有真核细胞中,基因表达分三步进行,分别由RNA聚合酶(转录)、剪接体(剪接)和核糖体(翻译)执行。自上世纪70年代后期,RNA剪接被发现以来,科学家们一直在步履维艰地探索其中的分子奥秘,期待早日揭示这个复杂过程的分子机理。早在2015年8月,施一公研究团队就在Science上背靠背地在线发表了两篇研究长文报道了裂殖酵母剪接体处于ILS状态的3.6埃高分辨率结构,并在结构的基础上阐明了剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。2016年,施一公研究团队继续在Science上发表了四篇研究论文,依次报道了剪接体复合物处于剪接反应四个关键状态下的高分辨率结构,分别是3.8埃的预组装复合物tri-snRNP、3.5埃的激活状态复合物Bact complex、3.4埃的第一步催化反应后复合物C complex、4.0埃的第二步催化激活状态下的C* complex。这五个高分辨率结构所代表的剪接体状态,基本覆盖了整个剪接通路中关键的催化步骤,提供了迄今为止最为清晰的剪接体不同工作状态下的结构信息,大大推动了RNA剪接领域的研究进展。这4项进展均以长文的形式先后发表在2016年的《科学》周刊上(Science 351:466-475; 353:895-904;353:904-911; aak9979)。这4个高分辨率结构所代表的剪接体状态,基本覆盖了RNA剪接的关键催化步骤,从分子层面解释了剪接体执行RNA剪接的机制,极大地推动了RNA剪接这一基础研究领域的发展。

6. 发现精子RNA可作为记忆载体将获得性性状跨代遗传

越来越多的证据显示,随着生活环境和饮食结构的巨大改变,高脂饮食导致的肥胖等代谢性疾病,可以记忆在精子中并遗传给下一代,导致后代肥胖。这种获得性遗传形式对人类繁衍及后代健康具有深远的影响。精子介导的这种获得性遗传机制涉及DNA序列之外的表观遗传信息在精子中的存储及传递,破解这类表观遗传信息是本领域的一个主要挑战。中国科学院动物研究所周琪、段恩奎研究组与中国科学院上海营养科学研究所翟琦巍研究员合作,基于高脂肪饮食小鼠模型,发现精子中一类来源于tRNA的5端序列的、大小富集在3034nt的小RNA (tsRNAs)在高脂饮食下发生了表达谱和RNA修饰谱的显著改变。分离高脂小鼠精子中的tsRNAs片段并注射到正常受精卵内,可诱导F1子代产生代谢性疾病。高脂小鼠精子的tsRNAs进入受精卵后导致早期胚胎及后代小鼠胰岛中代谢通路基因发生显著改变。该研究第一次从精子RNA角度为研究获得性性状的跨代遗传现象开拓了全新的视角,提出精子tsRNAs是一类新的父本表观遗传因子,可介导获得性代谢疾病的跨代遗传。相关研究论文发表在2016年1月22日《科学》(Science [351(6271):397400])上。文章发表以后被广泛引用和评价,引起国际各大媒体的关注。

7. 研制出首个稳定可控的单分子电子开关器件

利用单分子构建电子器件对突破目前半导体器件微小化发展的瓶颈意义重大。实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键。自20世纪70年代以来,设计构筑稳定可控的单分子器件,探索其与微电子工艺的兼容性,并获得真正意义上的分子电子开关,在当代纳米电子学研究中具有重大的科学意义。北京大学北京分子科学国家实验室郭雪峰研究组原创性地发展了以石墨烯为电极、通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法,解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。在此基础上,他们与电子学系徐洪起研究组以及美国宾夕法尼亚大学Abraham Nitzan等合作,通过功能导向的分子工程学成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强耦合作用的核心挑战性问题,从而突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。这项研究工作使得在中国诞生了世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件。石墨烯电极和二芳烯分子稳定的碳骨架以及牢固的分子/电极间共价键链接方式使这些单分子开关器件具有空前的开关精度、稳定性和可重现性,在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。相关研究论文发表在2016年6月17日《科学》(Science[352(6292):14431445])上。《科学》同期配发评述文章认为:该研究展示了在纳米尺度上对物质的精致控制。

8. 构建出世界上首个非人灵长类自闭症模型

自闭症(也称孤独症)是一类多发于青少年的发育性神经系统疾病,患者表现出社交障碍、重复性刻板动作等行为异常,目前尚无有效的药物治疗及干预方法。近年来世界各国均发现自闭症的患病率逐年升高,引起社会各界广泛关注。中国作为人口大国,预计全国自闭症患者近千万。中国科学院上海神经科学研究所仇子龙研究组与非人灵长类平台孙强团队合作,通过构建携带人类自闭症基因MECP2的转基因猴模型并对转基因猴进行分子遗传学与行为学分析,发现MECP2转基因猴表现出类似于人类自闭症的刻板动作与社交障碍等行为。他们并首次在灵长类中成功通过精巢异体移植的方法加快猴类繁殖周期,历时三年半得到了携带人类MECP2基因的第二代转基因猴,且发现其在社交行为方面表现出了与亲代相同的自闭症样表型。这是世界上首个自闭症的非人灵长类模型,为深入研究自闭症的病理与探索可能的治疗干预方法做出了重要贡献。相关研究论文发表在2016年2月4日《自然》(Nature[530(7588):98102])上。

9. 揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机理

动植物从单细胞受精卵发育成为高度复杂的生物体是一个奇妙的过程。哺乳动物基因组DNA中的5-甲基胞嘧啶作为一种稳定存在的表观遗传修饰,由DNA甲基转移酶(DNMTs)催化产生。近年研究发现,TET双加氧酶家族蛋白(TET1/2/3)可以氧化5-甲基胞嘧啶,引发DNA去甲基化。虽然DNA甲基化在哺乳动物基因印记和X染色体失活等生命活动过程中参与基因表达的调控,但是DNA甲基化以及TET双加氧酶介导的去甲基化在小鼠胚胎发育过程中究竟起什么作用还不清楚。中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所徐国良研究组与美国威斯康星大学孙欣、北京大学汤富酬等合作,利用生殖系特异性敲除小鼠得到Tet基因三敲除胚胎,通过一系列形态发育特征的检测,结合基因功能互补分析,解析了TET缺失造成胚胎死亡的机制,发现了TET三个成员之间功能上相互协作,介导的DNA去甲基化与DNMT介导的DNA甲基化相互拮抗,通过调控Lefty-Nodal信号通路控制胚胎原肠运动。该工作从长期困扰发育生物学领域的基本重大问题出发,着眼于人类新生儿出生缺陷的可能机理和防治,第一次系统地揭示了胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机理,为发育生物学的基本原理提供了崭新的认识。相关研究论文发表在2016年10月27日《自然》(Nature[538:528532])上。

10. 揭示水的核量子效应

对于大多数材料体系而言,一般只需要考虑电子的量子化,原子核则被当作经典粒子来处理。然而,水中三分之二的原子是氢原子,由于氢原子核的质量很小,其量子效应会异常显著。氢核的量子效应对水的氢键相互作用到底有多大影响?或者说氢键的量子成分有多大?被认为是揭开水的奥秘所需要回答的关键问题之一。由于氢核的量子化研究无论对于实验还是理论都非常具有挑战性,这个问题一直没有得到很好的解答。北京大学物理学院王恩哥和江颖研究组与合作者,在相关实验技术和理论方法上分别取得突破:发展了一套针尖增强的非弹性电子隧穿谱技术,获得了单个水分子的高分辨振动谱,并由此测得了单个氢键的强度;开发了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法,实现了对电子量子态和原子核量子态的精确描述。基于此,他们在国际上率先测定了氢键的量子成分,首次在原子尺度揭示了水的核量子效应。研究结果表明,氢键的量子成分可远大于室温的热能,氢核的非简谐零点运动会弱化弱氢键、强化强氢键,这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性。该工作是对氢键的量子成分究竟有多大这一物质科学基本问题的首次定量解答,澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质,将有助于理解水和其他氢键体系的很多反常特性。相关研究论文发表在2016年4月15日《科学》(Science[352(6283):321325])上。该研究被审稿人评价为氢核量子效应研究的实验杰作;核量子效应研究领域权威专家德国的Dominik Marx教授认为该工作完成了难以置信的任务。