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人工智能預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、古老泥土是DNA寶庫、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)測好幫手

曾幾何時(shí)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)只能通過艱難的實(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)百種常見藥物靶點(diǎn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；1周后，他們報(bào)告說，已經(jīng)對(duì)人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的35萬種蛋白質(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

來自化石的DNA為人類和動(dòng)物進(jìn)化研究帶來了變革。今年，科學(xué)家解鎖了一個(gè)更加巨大的古代DNA寶庫——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題。

激光聚變裝置——達(dá)到“收支平衡”

核聚變是太陽和其他恒星的能量來源，長期以來一直被視為解決地球能源問題的路徑之一，但要在地球上實(shí)現(xiàn)它卻極為困難。

美國國家點(diǎn)火裝置（NIF），即激光聚變裝置通過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?，F(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”。

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等。

昂貴的成本和必須在診所注射單克隆抗體，使許多人無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中的標(biāo)準(zhǔn)常備武器。

“洞察”號(hào)——“傾聽”火星內(nèi)部的聲音

2018年，美國宇航局的“洞察”號(hào)火星探測器抵達(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)家首次通過地震數(shù)據(jù)探測地球以外行星的內(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)等待并傾聽火星的“秘密”。

μ介子實(shí)驗(yàn)——敲開物理學(xué)變革之門

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，美國費(fèi)米國家加速器實(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)測不符——它比最初預(yù)測的更具磁性。

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

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。

美國一家藥物公司同樣開展了在體內(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議。

今年，科學(xué)家找到了人類胚胎潛在的替代品——體外生長時(shí)間長達(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議較少的方案。

此外，國際干細(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)域研究帶來了助益。

來源：《中國科學(xué)報(bào)》