2018年度中国科学/科技十大进展中的国科大人

  • 文字整理:于洋 房旭平 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2019-05-07
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编者按:

   体细胞克隆猴、人造单染色体真核细胞、DNA纳米机器人、宇宙射线能谱、马约拉纳费米子、水稻新品种、病毒实验室……这些不明觉厉的科学名词,均出自“2018年度中国科学十大进展”和“2018年度中国科技十大进展”榜单。在两个“十大”榜单中,9项科研进展,11次上榜,它们凝结着国科大师生的智慧与汗水。

   有多少“争分夺秒”的付出,就有多少“令人激动”的收获;有多少“竭尽全力”的拼搏,就有多少“值得自豪”的产出;有多少“持之以恒”的坚持,就有多少“柳暗花明”的惊喜……这些科研突破,聚焦世界前沿科学问题和难题,关注粮食、重疾等民生热点,挑战人类认知和视界极限,展现了中国科学家对世界科学发展的贡献。国科大新闻网将陆续推出系列报道,聚焦这些科研成果背后那些鲜为人知的故事。先让我们一起掠影“两大”榜单上国科大人的贡献。

 

 

首个体细胞克隆猴诞生

——开创非人灵长类动物作为实验模型的新时代


点击此处看体细胞克隆猴的十年

  自1996年第一只克隆羊“多莉”诞生以来,20多年间,各国科学家利用体细胞先后克隆了牛、鼠、猫、狗等动物,但一直没有攻克与人类最相近的非人灵长类动物克隆的难题。中国科学院大学博士生导师、中科院神经科学研究所/脑科学与智能技术卓越创新中心孙强和刘真研究团队经过 5 年攻关,在2018年1月24日宣布成功构建出首个体细胞克隆猴,得到两只健康存活的克隆猴“中中”“华华”。体细胞克隆猴的成功是该领域从无到有的突破,体细胞克隆技术将为非人灵长类基因编辑操作提供更为便利和精准的技术手段,使得非人灵长类可能成为可以广泛应用的动物模型,进而推动灵长类生殖发育、生物医学以及脑认知科学和脑疾病机理等研究的快速发展。

  德国科学院院士Nikos K. Logothetis以“克隆猴:基础和生物医学研究的一个重要里程碑(Cloning NHP: A major milestone in basic and biomedical research)”为题发表评论认为,这项工作证明了利用体细胞核生殖克隆猕猴的可行性,打破了技术壁垒并开创了使用非人灵长类动物作为实验模型的新时代,是生物医学研究领域真正精彩的里程碑。

 

首例人造单染色体真核细胞

——表明自然生命的界限可被人为打破

点击此处看世界首例“单条染色体酵母”如何诞生

  真核生物细胞一般含有多条染色体,如人有 46 条、小鼠 40 条、果蝇 8 条、水稻 24 条等。这些天然进化的真核生物染色体数目是否可人为改变、是否可以人造一个具有正常功能的单染色体真核生物是生命科学领域的前沿科学问题。

  国科大博士生导师、中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军研究团队与合作者首次人工创建了单条染色体的真核细胞,该成果发表在《自然》杂志。这一成果完全由中国科学家独立完成,是合成生物学领域具有里程碑意义的重大突破。以覃重军研究组为主的研究团队完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的十六条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。该项工作表明,天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。

  Nature、The Scientist 等期刊发表评论认为,这可能是迄今为止动作最大的基因组重构,这些遗传改造的酵母菌株是研究染色体生物学重要概念的强大资源,包括染色体的复制、重组和分离。

 

DNA纳米机器人

——为恶性肿瘤等疾病治疗提供全新的智能化策略

点击此处看纳米机器人如何“饿死”肿瘤细胞

  利用纳米医学机器人实现对人类重大疾病的精准诊断和治疗是科学家们追逐的一个伟大的梦想。国科大博士生导师、国家纳米科学中心聂广军,丁宝全和赵宇亮研究组与美国亚利桑那州立大学颜灏研究组等合作,在活体内可定点输运药物的纳米机器人研究方面取得突破,实现了纳米机器人在活体(小鼠和猪)血管内稳定工作并高效完成定点药物输运功能。

  研究人员基于 DNA 纳米技术构建的自动化 DNA机器人,通过搭载凝血蛋白酶—凝血酶,通过特异性适配和精准定位,在肿瘤位点将其释放,激活凝血功能,诱导肿瘤血管栓塞和肿瘤组织坏死。这种创新治疗方法在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原发肺癌等肿瘤治疗中都得到了验证。并且具有良好的安全性和免疫惰性。DNA 纳米机器人不仅代表未来人类精准药物设计的全新模式,也为恶性肿瘤等疾病的治疗提供了全新的智能化策略。 

  Nature Reviews Cancer、Nature Biotechnology 等期刊评论认为该工作为里程碑式的工作;美国 The Scientist 期刊将该工作与同性繁殖、液体活检、人工智能一起,评选为 2018 年度世界四大技术进步。

 

首次直接测量宇宙射线能谱拐折

——或为暗物质发现提供依据

点击此处看“悟空”的重要发现

  高能宇宙射线中的负电子和正电子在其行进过程中会很快损失能量,因此其测量数据可以作为高能物理过程的一个探针,甚至用于研究暗物质粒子的湮灭或衰变现象。

  我国首颗天文卫星“悟空号”(DAMPE)的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备(如AMS-02、Fermi-LAT)有显著提高,拓展了人类在太空中观察宇宙的窗口。DAMPE 合作组基于悟空号前530天的在轨测量数据,以前所未有的高能量分辨率和低本底对 25 GeV—4.6 TeV 能量区间的电子宇宙线能谱进行了精确的直接测量。悟空号所获得能谱可以用分段幂律模型而不是单幂律模型很好地拟合,明确表明在 0.9 TeV 附近存在一个拐折,证实了地面间接测量的结果。该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。瑞典皇家科学院院士、诺贝尔物理学奖评奖委员会秘书 LarsBergstrom 教授肯定了这是首次直接测量到这一拐折。美国约翰霍普金斯大学 Marc Kamionkowski 教授评论认为,这是 2018 年度最令人激动的科学进展之一。

  “悟空”号卫星由中国科学院紫金山天文台联合中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学院国家空间科学中心等单位研制,瑞士和意大利科学家也参与部分工作。

 

可探测细胞内结构相互作用的纳米和毫秒尺度成像技术

——挑战人类超分辨观测极限

  真核细胞内,细胞器和细胞骨架进行着高度动态而又有组织的相互作用,以协调复杂的细胞功能。观测这些相互作用,需要对细胞内环境进行非侵入式、长时程、高时空分辨、低背景噪声的成像。

  国科大博士生导师、中科院生物物理所研究员李栋课题组和霍华德休斯医学研究所 Jennifer Lippincott-Schwartz 和 Eric Betzig 等合作,发展了掠入射结构光照明显微镜(GI-SIM)技术,挑战了人类超分辨观测极限,捕捉和再现了活细胞内细胞器的运动方式和轨迹,揭示了多种细胞器的相互作用新行为,为探索细胞内微观世界变化提供了新的视野。中国科学院外籍院士、美国杜克大学王小凡教授评论认为,这项工作发展了一项可视化活细胞内的细胞器与细胞骨架动态相互作用和运动的新技术,将会把细胞生物学带入一个新时代,有助于更好地理解活细胞条件下的分子事件,也提供了一个从机制上洞察关键生物过程的窗口,可对生命科学整个学科产生重大影响。

 

调控植物生长—代谢平衡育种策略

——宣告“新的绿色革命即将到来”

点击此处一起迎接新“绿色革命”

  国科大博士生导师、中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究组“调控植物生长-代谢平衡实现可持续农业发展”项目的研究显示,水稻生长调节因子和生长抑制因子相互之间的反向平衡调节赋予了植物生长与碳-氮代谢之间的稳态共调节。作为“绿色革命”品种典型特征的生长抑制因子蛋白高水平累积使其获得半矮化优良农艺性状,但是却伴随着氮肥利用效率降低。通过调节生长调节因子-生长抑制因子平衡向生长调节因子丰度的增加倾斜,可以在维持半矮化优良性状的同时提高“绿色革命”品种的氮肥利用效率并增加谷物产量,对植物生长和代谢协同调控是未来可持续农业和粮食安全的一种新的育种策略。Nature期刊发表评论文章认为,该育种策略宣告了“一场新的绿色革命即将到来”。

 

“中科804”和“中科发”系列水稻新品种

——实现高产优质多抗水稻的高效培育

点击此处看“稻坚强”诞生记

  2018年9月18日,国审稻新品种“中科804”现场会上,“中科804”从3000亩示范片中脱颖而出,其在产量、抗稻瘟病、抗倒伏等农艺性状方面均表现突出。“中科804”和“中科发”系列水稻新品种是国科大博士生导师、中科院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队成功利用“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”理论基础与品种设计理念所育成的标志性品种,实现了高产优质多抗水稻的高效培育。“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”研究成果于2017年获国家自然科学奖一等奖。

 

首次在超导块体中发现马约拉纳任意子

——或对稳定的高容错量子计算机研发有极大帮助

点击此处了解马约拉纳费米子的故事

  80多年前,意大利物理学家马约拉纳曾预测宇宙中存在一种神奇的粒子——马约拉纳费米子。凝聚态物理学家将马约拉纳费米子的概念引入到固体材料中,即马约拉纳束缚态。由于它具有非阿贝尔统计的性质,可运用于拓扑量子计算机,因此,寻找马约拉纳费米子成为物理学界最前沿的研究热点。

  国科大物理学院院长高鸿钧院士和国科大博士生导师、中科院物理研究所研究员丁洪的联合团队于2018年首次在单一块体材料中发现了纯净度较高的马约拉纳费米子,该发现或对稳定的高容错量子计算机研发有极大帮助。

 

我国首个P4实验室正式运行

——为我国病毒药物及疫苗研发提供保障和支撑

点击此处了解“关病毒的盒子”的故事

  当前,世界各国均高度重视烈性传染病研究及其防控。2018年,我国首个生物安全四级实验室(Biosafety Level 4 Laboratory)——中国科学院武汉国家生物安全实验室(以下简称“武汉P4实验室”)正式投入运行。建立全面和完善的生物安全培训体系是有效防止生物安全事故并确保实验室安全、稳定、高效运行的必要条件和重要保障。2019年4月19日,国际学术期刊Emerging Infectious Disease(《新发传染病杂志》)在线发表了国科大博士生导师、中科院武汉病毒所P4实验室袁志明团队关于建立中国首个生物安全四级实验室人员培训体系的进展,论文题为“Biosafety Level 4 Laboratory User Training Program, China”(《中国首个生物安全四级实验室人员培训体系》)。

  据了解,P4实验室是人类迄今为止能建造的生物安全防护等级最高的实验室。埃博拉等危险病毒只有在P4实验室里才能研究。专家表示,该实验室对增强我国应对重大新发、突发传染病预防控制能力,提升抗病毒药物及疫苗研发等科研能力起到基础性、技术性的支撑作用。点击此处看“2017年国科大新春拜年视频特辑”中的袁志明老师和P4实验室

 

责任编辑:余玉婷