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《科学》评选2018年度十大科学突破
2019年01月10日 17:26    来源:上海科技报社    关注度(198)

在西伯利亚一个洞穴中发现的骨头碎片

含有胆固醇样分子痕迹的水母化石

南极冰层下的探测器记录了由中微子触发的罕见闪光

坠落在格陵兰岛的陨石碎片(计算机模拟图)

单细胞水平追踪生物体发育

至少从古希腊医学之父希波克拉底时代开始,生物学家便对单个细胞如何发育成拥有多个器官和数十亿细胞的成年动物之谜感到震惊。但现在,人们知道,是DNA最终精心安排了细胞增殖和分化的过程。如今,3种技术的组合正在揭示单个细胞中的基因何时启动,从而暗示细胞发挥其专门的作用。由此,科学家能以惊人的细节——按照逐个细胞并随着时间推移,追踪生物体和器官的发育。《科学》杂志将这些技术的组合及其在推动基础研究和医学进化方面的潜力列为2018年度十大科学突破之首。

驱动这些进展的技术将上千个完整细胞从活体生物中分离出来,对每个细胞中被表达的遗传物质进行高效测序,然后用计算机或者对细胞进行标记,重建它们的时间和空间联系。

德国柏林马克斯—德尔布吕克分子医学中心的系统生物学家Nikolaus Rajewsky认为,这3项技术“将改变未来10年的研究”。

来自遥远星系的“信使”

来自遥远宇宙的几种“信使”正在加入望远镜收集的光子行列,并且揭示光无法展示的东西。

2018年,另一种“信使”加入这场“聚会”:中微子。这是一种几乎没有质量的微小粒子,很难被探测到。捕捉这种银河系外的“幻影”需要南极深处1立方千米的冰,辅以光探测器记录中微子在极其罕见情形下触发的微弱闪光。这个名为“冰立方”的巨大探测器此前记录了很多中微子,其中一些来自银河系外。但科学家无法确定它们的特定宇宙来源。

2017年9月22日,一个中微子同冰块中的原子核相撞,而光探测器搞清楚了它来自哪个方向。几天后,向其他望远镜发出的警报产生了相同结果。正如研究人员在2018年7月报告的,美国宇航局费米伽马射线太空望远镜发现了一个被称为“耀变体”的极其明亮的来源。而上述中微子似乎恰好来自那里。

新技术可快速确定分子结构

2018年10月,两个研究团队同时发表论文,揭示了一种仅在几分钟内便可确定小型有机化合物分子结构的方法。

几十年来,分子定位的黄金标准是一项被称为“X射线结晶学”的技术。近年来,研究人员通过用电子束代替X射线,改进了衍射技术。电子束瞄向通常是蛋白质的片状二维目标生物分子。但很多情形下,这些片状物会叠在一起。产生的三维晶体对于普通电子衍射来说无法发挥作用,对于X射线衍射来说又太小了。

两个研究团队(一个来自美国、一个来自德国和瑞士)发现,他们能利用这种意外产生的晶体。他们向处于旋转阶段的微小三维晶体发射电子束,并且追踪衍射模式如何随着每次轻微的转弯而发生改变。该技术可在几分钟内产生分子结构,而其需要的晶体只有X射线研究所需大小的十亿分之一。

冰河时期撞击事件

小行星像一连串原子弹猛烈撞击格陵兰岛西北部,立即将岩石蒸发并且向整个北极发送冲击波。“疤痕”就此留下——一个被称为“Hiawatha”的31公里宽的撞击坑。它大到足以容纳美国华盛顿特区。

在机载雷达揭示了这个潜伏在数千米厚冰盖下面的撞击坑后,科学家在11月报告了这个惊人的发现。“Hiawatha”是地球上25个最大的撞击坑之一。尽管“Hiawatha”撞击事件不像杀死恐龙的希克苏鲁伯撞击一样具有毁灭性,但它对全球气候产生了重要影响。来自此次撞击事件的融水涌入大西洋北部,并通过阻止将暖流带向欧洲西北部的洋流输送带使温度骤降。雷达图像显示,“Hiawatha”的年代并不久远,可追溯至10万年前。撞击坑冰层深处的扰动表明,小行星可能在13000年前撞击了此处。这将此次撞击同新仙女木期联系起来。

科研界的反性骚扰运动

2018年6月,美国国家科学、工程和医学院发布了一份关于科学、工程和医学界女性性骚扰的里程碑式报告。该报告或是一个转折点。它基于来自两个大型高校系统的最新数据提出,依据职业生涯所处阶段和领域不同,超过50%的女性教职员工和20%—50%的学生忍受了性骚扰。其中包括最常见的形式,如语言和非语言上的性别歧视与敌意。

2018年,若干机构已经采取了行动。一些机构受新闻曝光或者受骚扰学生和员工提起的正式诉讼的推动,在调查证实了对不当行为的指控后,解雇了知名科学家或迫使其离开。其他机构则宣布了政策上的变动。

2018年9月,美国国家科学基金会(NSF)主任France Corodova表示,从此以后,在基金受助人接受性骚扰调查或者被发现犯有性骚扰罪期间,高校必须向资助者说明此人何时被暂停工作。

古人类的“混血儿”

一块来自生活在5万多年前女性的骨头碎片揭示了两种已经灭绝的古人类之间“惊人”的联系。

2012年,研究人员从在西伯利亚一个洞穴中发现的这块骨头中提取出古代DNA。分析结果显示,“她”的母亲是尼安德特人,父亲是丹尼索瓦人。此前,研究人员知道,尼安德特人、丹尼索瓦人和现代人类至少偶尔会在冰河时代的欧洲和亚洲进行杂交。这一最新发现是尼安德特人和丹尼索瓦人相遇的亲密见证。

此外,研究人员指出,这名女性尼安德特人的基因更接近于在克罗地亚发现的尼安德特人基因,而不是更早居住在丹尼索瓦洞穴的尼安德特人基因。这表明不同的尼安德特人群体曾多次在西欧和西伯利亚之间迁徙。目前,研究人员仍在对丹尼索瓦洞穴中发掘的材料进行研究。

法医系谱学走向成熟

2018年4月,美国警方宣布逮捕了金州杀人案嫌疑人。该案件是史上最扑朔迷离的悬案之一。上世纪七八十年代在加利福尼亚州发生了一系列强奸和谋杀事件。而破案使用的方式也十分“特殊”,警方利用犯罪现场回收的DNA,通过公共家谱DNA数据库锁定了金州杀手的亲属。此后,警方利用这一策略破解了20余起其他悬案,并开辟了一个新的领域——法医系谱学。

在金州杀人案中,当局使用了一个公共的、简洁的在线DNA 数据库:GEDMatch。它由得克萨斯州和佛罗里达州的两个业余系谱学家运行,任何人都可以提交DNA测试结果。调查人员将犯罪现场的DNA 图谱上传到数据库后,找到了嫌疑人的几个远房亲属。

于是,他们与一位系谱学家合作,利用公共记录建造大型家庭树,最终将证据指向了73岁的Joseph James DeAngelo。他的年龄和位置与部分罪行相匹配,并且测序显示犯罪现场DNA 与DeAngelo的DNA相匹配。

基因沉默药物获批

2018年,一种基于RNA干扰技术让基因沉默的药物,获得了美国食品药品监督管理局的批准。

早在20多年前,两名美国遗传学家发现,短RNA分子可附着在信使RNA上,从而破坏基因表达。这一进展为他们赢得了诺贝尔奖,但将其转化为药物的努力很快遇到了障碍。科学家努力使这些脆弱的RNA分子保持完整,并将其导向正确的组织,但结果不尽人意。直到2008年,马萨诸塞州剑桥市奥尼兰姆制药公司提出了解决方案,采用一种脂质纳米颗粒,可保护基因沉默的RNA 并将其运送至肝脏。在那里,科学家希望它可通过阻止蛋白质折叠错误的产生,治疗一种被称为“遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性”的罕见疾病。

该公司推出静脉注射药物Onpattro。该药物在2018年获得美国和欧盟监管机构的批准,并以每年45万美元的定价进入市场。

原始世界的“分子窗口”

2018年,科学家从生活在5亿多年前的生物身上发现了分子痕迹,从而对这个神秘世界的认识更加清晰。2018年9月,来自澳大利亚国立大学的研究人员在埃迪卡拉纪(距今6.35亿至5.41亿年)的水母化石中找到了胆固醇样分子的痕迹。这种被称为“迪金森尼亚”的椭圆形生物长1.4米,全身有肋骨状结构,属于埃迪卡拉生物群。

这类生物比5.4亿年前“寒武纪大爆发”中出现的大量动物早了近2000万年。研究证明,当时的动物群大而丰富,并且比此前估计的还要早。“迪金森尼亚”化石是一把钥匙,有助于理解以细菌为主的世界如何演化到“寒武纪大爆发”后的大型动物世界。

10月,另一研究团队在来自6.6亿前到6.35亿年前的岩石中发现了一种现今只有海绵能制造的分子,这表明海绵这种形式的动物可能比已有最古老的可识别化石早进化了1亿年。

细胞如何对内含物质进行管理

细胞内的各个组成部分是如何协调的,以至于能在正确的时间和地点行使功能?

生物学家逐渐意识到,这个问题的关键是液滴。但他们直到最近才发现,液滴在细胞中无处不在,组织(有时甚至搞乱)细胞工作。

从2009年开始,研究人员发现许多蛋白质能形成离散的液滴,特别是当细胞对压力作出反应时。2018年,《科学》的3篇论文指出了这种液相分离的更大作用。研究人员称,驱动遗传密码从DNA转移到RNA的蛋白质,可凝结成附着在DNA上的液滴。虽然细节还有待研究,但它们揭示了液相分离在生命的一个基本奥秘(基因的选择性表达)中的作用。

生物物理学家正在研究这些液滴是如何形成的。当这个过程出错时,原本应该是液体的东西会变成凝胶,进而凝固,形成肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病中出现的各种聚集体。

(作者:闫洁 唐凤 责任编辑:ydm)

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