Science和Nature：2021年十大科学突破

Science 2021十大科学突破

2021 年 11 月 17 日，Science 杂志公布了 2021 年的年度科学突破榜单，AlphaFold 和 RoseTTA-fold 两种基于人工智能预测蛋白质结构的技术位列2021年十大科学突破进展之首。

近日，Nature也已评选出年度最佳图片和十大人物，影响世界科学进程的人和事。在这些“重磅”成果中，有一个大赢家，同时成为Nature和Science的双料入选者，堪称本年度“最强成果”。

最强成果：AlphaFold2蛋白质结构预测

不管是Nature、还是Science评选，2021年度最大的科学突破当属AlphaFold2。

蛋白预测者John Jumper 和他的同事，今年7月发表论文，描述了神经网络 AlphaFold2，能以前所未有的准确度根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维结构。 

同时，他们还在论文中公布了 AlphaFold2 的开源代码，并发表了系统的完整方法论。  现在，研究新冠病毒的科学家也在使用 AlphaFold2 来模拟奥密克戎变体棘突蛋白突变的影响。

1 人工智能预测蛋白质结构AlphaFold2

详细见：Nature：生命科学的变革：DeepMind人工智能可以预测大量蛋白质的结构

今年7月，世界知名人工智能团队深度思维宣布，已经利用AI智能软件程序——阿尔法折叠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。AI预测蛋白质结构将实现广泛应用，提供对基础生物学的见解并揭示潜在的药物靶点。

8月，中国研究人员使用阿尔法折叠2绘制了近200种与DNA结合的蛋白质结构图。11月，德国和美国的研究人员利用阿尔法折叠2和冷冻电镜绘制了核孔复合物的结构图。现在，科学家正使用阿尔法折叠2来模拟奥密克戎变体刺突蛋白突变的影响。通过在蛋白质中插入更大的氨基酸，突变改变了它的形状——也许足以阻止抗体与其结合并中和病毒。

Figure . 图片来源：Ian Haydon，华盛顿大学蛋白质设计医学研究所

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。

2 解锁古老泥土DNA宝库

最近，科学家们从洞穴地面的土壤中解锁了一个更大的古代DNA宝库。研究人员使用这种“泥土DNA”来重建世界各地穴居人的身份。

在西班牙的Estatuas洞穴，核DNA揭示了8万至11.3万年前生活在那里的人类的遗传特征和性别，并表明尼安德特人的一个谱系在10万年前结束的冰川期之后取代了其他几个谱系。在美国佐治亚州Satsurblia洞穴有2.5万年历史的土壤中，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。通过将墨西哥奇基维特洞穴中1.2万年前的黑熊DNA与现代熊DNA进行比较，科学家们发现，在最后一个冰河时代之后，洞中黑熊的后代向北迁徙至阿拉斯加。

一名研究人员记录了墨西哥奇基维特洞穴中沉积物样本的位置。

3、实现历史性核聚变突破

8月，美国国家点火装置 (NIF) 产生了一种聚变反应，这种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。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8日记录显示，该能量飙升至1.35兆焦耳。研究人员认为这是燃烧等离子体的结果，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。

为了产生美国国家点火装置（NIF）的聚变反应，192束激光束会聚在一个微小的燃料芯块周围。

4、抗新冠强效药出现

详细：英国批准默沙东新冠口服药物molnupiravir，开创新冠治疗的新时代！

终结新冠！辉瑞新冠口服药物Paxlovid降低住院或死亡率89%！即使是出现症状5天内，仍然极其有效！

数据显示，美国默克公司的抗病毒药物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天内开始服用，则可使住院率降低89%。科学家们强调，抗病毒药物不能取代疫苗接种，但它们仍然至关重要。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。

美国默克制药公司的莫奈拉韦将未接种新冠疫苗的高危人群因病住院或死亡的风险降低了30%。

5、“摇头丸”可治疗创伤后应激障碍

详细见：Nat Med：摇头丸治疗创伤后应激障碍PTSD的三期临床实验结果发布

一项多中心、随机、对照试验发现，3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ，也就是我们常说的“摇头丸”的主要成分，显著减轻了创伤后应激障碍(PTSD)患者的症状。76名受试者，部分接受了3次MDMA治疗，部分接受了安慰剂指导治疗课程。2个月后，67%的接受MDMA治疗的患者不再有PTSD症状，而安慰剂组则仅有32%。

研究人员对创伤后应激障碍（PTSD）使用MDMA治疗。

6、单克隆抗体治疗传染性疾病

今年单克隆抗体 (mAb)开始在对抗新冠病毒和其他威胁生命的病原体，包括呼吸道合胞病毒 (RSV)、HIV 和疟疾寄生虫等方面显现出效果。到今年年底，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。科学家还正在开发针对流感、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。单克隆抗体或将成为传染病武器库中的“标配”。

艺术家描绘的单克隆抗体（红色和蓝色）攻击新冠病毒（紫色）的概念图。

7、“洞察”号首次揭示火星内部结构

自“扎根”火星以来，美国国家航空航天局（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，估计了火星地核的大小、地幔的结构和地壳的厚度。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。

地震波显示火星有一层薄薄的地壳、浅层的地幔和一个异常大的液体核心。

8、粒子物理学的标准模型出现“裂缝”

4月7日，美国费米国家加速器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。研究报告称，巨大的、不稳定的类电子粒子——缪子，比最初预测的更具磁性。此外，费米实验室里的质子加速器也可以大量制造缪子。研究人员现在正在仔细检查今年的计算结果，如果成立，并且理论和实验结果之间的差异持续存在，可能将标志着有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败，或打开物理学变革之门。

在美国费米国家加速器实验室的这个环内，缪子像指南针一样在磁场中旋转，精确度为十亿分之三十。

9、CRISPR基因编辑疗法对人类疗效

详细：Vertex和CRISPR Therapeutics的镰状细胞基因疗法已获得PRIME称号

NEJM：镰状细胞病基因治疗后的急性髓系白血病病例

详细：NEJM：CRISPR-Cas9体内基因编辑治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性

首次证明基因编辑工具CRISPR于2020年首次显现出或可治愈镰状细胞病和β—地中海贫血患者的功能。今年，科学家们更进一步，直接在人体内部署CRISPR-Cas9。在小型研究中，该策略减少了一种有毒的肝脏蛋白质，并适度改善了遗传性失明患者的视力。6月26日，美国Intellia医药公司和再生元公司科学家在6名患有一种名为转甲状腺素淀粉样变性病的罕见疾病的患者身上测试了他们的治疗方法。结果显示，所有参与者的畸形蛋白质水平均下降，其中两名接受高剂量注射的人的蛋白质水平平均下降了87%。

来自CRISPR注射的引导。RNA（蓝色）将DNA切割酶（白色）引导至其目标（橙色）。

10、体外胚胎培养为早期发育研究

详细：Science：长期体外胚胎培养揭示灵长类动物早期发育过程

通常，老鼠胚胎在母鼠体外生长的时间为3到4天。但在3月，一个团队报告了一个将这一期限延长到11天的方案。该研究进展有望为子宫外孕育人类铺平道路。此外，还有科学家设计了被称为“胚泡”的关键胚胎阶段的替代品。一个研究小组从人类胚胎干细胞中复制了胚泡，并诱导了多能干细胞(IPS)。另一项研究发现，转化为诱导性多能性细胞的皮肤细胞会产生囊胚状结构。这些人造胚泡并不是真正的胚胎，但其中一些可作为某些研究的替代方案以减少伦理争议。5月，国际干细胞学会宣布放宽人类胚胎培养“14天规则”，进一步提振了该领域的研究。

一只老鼠胚胎在一个旋转的罐子里生长。这样的胚胎可以帮助研究人员更好地了解人类发育的早期阶段。

Nature 2021 十大科学新闻

一、冠状病毒变种正威胁着疫苗的保护性

这一年从，研究人员都在与冠状病毒赛跑。COVID-19疫苗在很大程度上能防护2020年末和2021年初出现的变种，包括Alpha、Beta和Gamma。今年3月出现了Delta，这种变种开始以惊人和凶猛的速度席卷印度，造成死亡和住院人数急剧增加。然后Delta从印度传播到世界各地，留下了破坏和更多的封锁。数据再次显示，疫苗通常可以保护感染Delta的人免于遭受COVID-19最严重的后果——但疫苗对Delta的保护作用不如其他变种。11月下旬最新的令人担忧的变种Omicron出现了。早期数据表明它严重破坏了疫苗免疫力，但额外的疫苗剂量——加强注射——改善了这种情况。

二、探索火星

美国宇航局的毅力号火星车于2月18日降落在这颗红色星球上，开启了火星探索的新时代。中国的祝融探测器于5月15日着陆，作为该国首次火星任务天问一号的一部分。它从地球北半球以前未开发的地区收集了大量地质数据。今年年初，在其第一次行星际任务中，阿拉伯联合酋长国将其希望号航天器送入环绕地球的轨道，最终拍下了火星“极光”的照片——太阳风与地球磁场相互作用产生的紫外线辐射.

三、里程碑！首个μ介子，或挑战已知物理学原理

4月7日，伊利诺伊州芝加哥附近的费米国家加速器实验室参与Muong-2实验的研究人员报告说，μ介子——大而不稳定的类电子粒子——比最初预测的更具磁性。几十年前，该实验发现介子的行为方式可能与物理学家基于粒子物理学标准模型的计算所暗示的方式不同。今年，研究人员现在正在仔细检查这些计算。如果它们成立，并且理论与实验结果之间的差异仍然存在，这可能标志着自50年前发展以来的标准模型第一次未能解释观测结果。因此，科学家们正在探索这一发现如何与他们所知道的关于基本粒子的其他一切相吻合——以及它是否绝对正确。

四、阿尔茨海默病药物审批掀起了轩然大波

详细：FDA 发布关于渤健用于阿尔茨海默氏症的 Aduhelm 的内部辩论详细信息

美国食品和药物管理局(FDA)批准了18年来首个治疗阿尔茨海默氏症的新药，这让受到这种毁灭性疾病影响的人们感到兴奋，但也激怒了一些研究人员。这种药物的开发者，马萨诸塞州剑桥市的生物技术公司Biogen表明，这种抗体药物可以清除大脑中的β淀粉样蛋白，一些科学家认为这是阿尔茨海默氏症的根本原因。但是这种治疗在临床试验中并没有直接的认知益处。尽管一个咨询小组以压倒性多数反对该药的批准，FDA还是在6月8日批准了，这一举动导致顾问辞职，随后，联邦政府对该决定进行了调查。

五、基因编辑里程碑事件，「CRISPR」首次直接用于人体临床实验

详细：NEJM：CRISPR-Cas9体内基因编辑治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性

基因编辑技术CRISPR自问世以来，一直被吹捧为治疗疾病的游戏规则改变者。但是，要使这个梦想成为现实，许多疾病将需要研究人员成功地将CRISPR-cas9机器植入人体，并证明它安全有效地编辑了它唯一的目标基因。6月26日，马萨诸塞州剑桥的Intellia Therapeutics和塔里敦的Regeneron公布了临床试验结果，证明了这一点。这些生物技术公司对6名患有一种罕见疾病——转甲状腺素淀粉样变性病(transthyretin amyloidosis)的人进行了试验，这种疾病会导致人体器官和组织中错误折叠的蛋白质异常堆积。所有的参与者都经历了畸形蛋白质水平的下降ーー其中两个接受了高剂量的蛋白质水平平均下降了87%。

六、破解生物界50年重大挑战！DeepMind用AI精准预测蛋白质结构

谷歌在伦敦的姊妹公司DeepMind今年7月宣布，它已经使用人工智能(AI)系统预测了人类表达的几乎所有蛋白质的结构，以及其他20种生物的几乎完整的蛋白质组。这种被称为Alpha Fold的算法在2020年赢得了一场比赛，比以往任何时候都更准确地预测蛋白质的结构。研究人员表示，2021年，超过35万种蛋白质结构的释放(其中许多结构从未被形象化)有可能引发生命科学的革命，因为这些结构掌握着疾病的秘密，并成为药物的靶标。“这是迄今为止人工智能系统对推进科学知识做出的最大贡献,”DeepMind联合创始人兼首席执行官戴米斯·哈萨比斯(Demis Hassabis)称。

七、是否提高接种加强针——这是 COVID 的问题

随着富裕国家从2021年年中开始认真考虑向已经完全接种疫苗的人群注射加强剂(通常是第三剂2019冠状病毒疾病疫苗)，研究人员开始质疑是否有必要采取这一步骤。当然，有证据表明疫苗免疫力在高传染性Delta变异面前正在下降，但是疫苗注射通常仍然可以保护人们免于住院和死亡。尽管世界卫生组织(World Health Organization)呼吁富裕国家暂时不要为更广泛的人口提供疫苗支持，直到低收入国家有更多的人能够接种第一剂疫苗，但一些国家还是采取了行动。现在，随着最新的担忧变体Omicron的传播ーー以色列和其他地方的现实数据显示，2019冠状病毒疾病疫苗的支持者降低了人们患病的机会ーー许多公共卫生研究人员正在敦促成年人接种更多的疫苗。但他们指出，当低收入国家只有7%的人接受单剂量疫苗时，变异体将在受感染个体中继续演变。他们支持知识产权豁免和其他机制，以增加全球疫苗供应，因此不需要在支持者和公平之间进行权衡。

八、IPCC气候报告警告：50年一遇的极端天气将来得更频繁！

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)八年来首次对气候科学进行综合评估，描绘了一幅残酷但清晰的地球健康状况图景：如果政府不采取行动制止温室气体排放，已经对全世界社区造成破坏的创纪录的干旱、野火和洪水只会变得更糟。报告称，与1850年至1900年的平均水平相比，地球已经升温了1.1°C，并且按照目前的排放水平可能会在十年内超过1.5°C。如果升温达到2°C——政府在2015年巴黎协议中承诺避免的上限——以前每50年才发生一次的极端温度事件将每隔几年发生一次，增加死亡和破坏的可能性。与此同时，研究人员能够将北美太平洋西北部破纪录的热浪与德国的史诗般的洪水直接联系起来今年是人为造成的气候变化——最新研究增加了越来越多的气候归因研究。

九、阿富汗的研究人员正在努力应对新政权

8月15日，塔利班占领了阿富汗首都喀布尔，在美国撤出最后一批军队的同时重新控制了阿富汗。由于塔利班在1996年至2001年统治期间发生了系统性的侵犯人权行为，全国各地的许多人——尤其是妇女和那些与美国支持的政府有联系的人——对塔利班的回归感到绝望。学者们担心她们的安全，因为她们的国际关系，在某些领域的专业知识和教育妇女的意愿。他们担心研究项目的未来，以及在新体制下他们是否会失去学术自由。现在，在塔利班占领阿富汗三个多月后，国际社会仍未承认塔利班领导的政府，阿富汗的大学和研究机构基本上仍处于关闭状态。许多研究人员试图离开，如果他们还没有离开的话，因为他们觉得没有被塔利班重视，或者受到他们的威胁。

十、里程碑意义的气候峰会以协议和怀疑结束

在第26届联合国气候变化缔约方会议(COP26)上，政治家们宣布了限制温室气体排放的新承诺，同时在11月初经过几天的谈判后，同意需要进一步减排，以避免气候变化的最坏影响。196个政府签署了格拉斯哥气候公约，要求到2030年全球二氧化碳排放量比2010年减少45%。在峰会的早期，与会的各国领导人做出了结束森林砍伐、减少甲烷排放和逐步淘汰煤炭发电的重大承诺。不过，研究人员表示，总体而言，如果这些承诺得到全面实施，全球温度仍将比工业化前水平升高2.4摄氏度。许多人质疑，各国政府是否能够应对未来的挑战。