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中科院多项成果入选2016年度中国科学十大进展

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-07-25 编辑:书评

资料来源:中国科学院网站发布时间:2017/2/23 9:14:34

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中国科学院多项成果被列入2016年中国科学十大进展

2月20日,科技部基础研究司和高新技术研发中心联合举办了“2016年中国科学十大进展解读会”,发布了2016年中国科学十大进展。中国科学院相关单位自主或联合取得的七项重大科研成果,包括:开发一种新型钴基电催化剂,用于高效、清洁地将二氧化碳转化为液体燃料;开创煤制烯烃的新捷径;揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制;提出了一种基于胆固醇代谢调节的肿瘤免疫治疗新方法。人们发现精子核糖核酸可以作为记忆载体,携带后天获得的性状。构建世界上第一个非人灵长类自闭症模型;揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机制。

其他3个条目是:揭示核糖核酸剪接的关键分子机制;研制了第一个稳定可控的单分子电子开关器件。揭示水的核量子效应。

中国十大科技进步评选由科技部高技术研发中心主办,至今已成功举办12届。其目的是宣传我国基础研究的重大科学进展,鼓励广大科技工作者的科学热情和奉献精神,开展基础研究的普及,促进公众对基础科学研究的理解、关心和支持,在全社会营造良好的科学氛围。

中国十大科技进步的评选过程包括三个阶段:推荐、初选和最终评选。《中国基础科学》、《科技导报》、《中国科学院院刊》、《中国科学基金》、《科学通报》和《自然》编辑部推荐278项科研成果于2015年12月1日至2016年11月30日正式发表。2016年1月,科技部高技术研发中心组织了一次初选会议,邀请专家从推荐的科学进步项目中选择30个项目进入最终选举。最终的选举采取了在线投票的形式。包括中国科学院两院院士、973计划咨询组和咨询组专家、973计划首席科学家和国家重点实验室主任在内的2000多名专家学者应邀在网上投票,对候选人的科学进步进行了投票。投票排名前10名是2016年的前10名。

附件:2016年中国十大科学进展简介

1。二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂的研制

在常温常压下将二氧化碳电还原为碳氢化合物燃料是一种潜在的清洁能源策略,可替代化石原料,并有助于减少二氧化碳排放对气候的不利影响。实现二氧化碳电催化还原的关键瓶颈是将二氧化碳活化成CO2自由基或其他中间体的负离子,这需要异常高的过电位。最近的报告显示,通过金属氧化物还原获得的金属的催化活性高于通过其他方法制备的金属,但是不清楚金属氧化物如何改变金属的电催化活性,主要是因为界面和缺陷等微观结构的存在影响二氧化碳还原活性。为了评价金属和金属氧化物两种不同催化位点的效果,中国科学院院士、中国科技大学教授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/钴氧化物杂化层。他们发现,在低过电位下,原子薄层表面的钴原子比本体材料表面的钴原子对甲酸盐形成具有更高的内在活性和选择性。然而,部分氧化的原子层进一步提高了它们固有的催化活性,在仅仅0.24伏的超电势下实现了超过40小时的每平方厘米10毫安的电流输出,并且部分氧化的原子层的甲酸盐选择性接近90%,这超过了先前报道的在相同条件下金属或金属氧化物电极获得的结果。这项研究工作有助于研究者重新考虑如何获得高效稳定的CO2电还原催化剂。相关研究论文发表于2016年1月7日《科学》(自然[529 (7584) 333668-71))。加州理工学院的卡里斯曼蒂拉姆教授评论道:“这是一项重大的科学突破。虽然要投入商业使用还需要很长时间,但从任何角度来看,现阶段的发展都是积极乐观的。”

2.创造煤制烯烃的新捷径

烯烃是与人们日常生活密切相关的重要化学品。中国是烯烃消费大国,传统原料主要依赖石油,这不仅使烯烃生产成本居高不下,而且严重危及中国的能源安全。20世纪初,德国科学家费托和托普施提出了一种通过水煤气变换由煤生产烯烃的费托路线。然而,这一过程原则上会产生大量的副产物,并且消耗大量的水,这严重阻碍了这一技术的发展和实际应用。中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员鲍新河和潘秀连的研究团队,基于纳米催化的基本原理,开发了过渡金属氧化物和有序孔分子筛复合催化剂,成功实现了煤基合成气一步高效制烯烃,C2对C4低碳烯烃的单向选择性突破了费托工艺的限制,跨越80%以上。与此同时,反应过程完全避免了水分子的参与,并从源头上回答了李克强总理提出的“煤化工能否在无水或少水的情况下进行”的问题。结果实现了在纳米尺度上分别控制反应活性和产物选择性的两种催化活性中心的有效分离,使得分子筛纳米孔道中氧化物催化剂表面生成的烃中间体发生有限的偶联反应,成功实现了目标产物随分子筛结构的可控调节。相关研究论文发表于2016年3月4日《科学》(科学[351 (6277) 33361065-1068))。 与此同时,《自然》发表了一篇关于“惊人的选择性”的专家评论和展望,称赞该研究在原则上的突破为行业带来了巨大的竞争力。该研究被业界同行誉为“煤炭转化领域的里程碑式突破”。

3.揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制

提高粮食产量以确保全球粮食安全是作物遗传育种的长期目标。杂种优势是指后代通过杂交表现出比父本和母本更多的显性性状,这是一种重要的作物育种策略。为了揭示水稻产量性状杂种优势的遗传基础,中国科学院院士、中国科学院上海生命科学研究所植物生理生态研究所研究员韩斌和黄薛辉与中国水稻研究所研究员杨世华合作分析了17个代表性杂交水稻品系F2材料的基因型和表型特征。因此,他们系统地鉴定了与水稻产量杂种优势相关的基因座,并将现代杂交水稻品系鉴定为3个群体品系,代表不同的杂交育种体系。他们发现,尽管在所有杂交水稻中与杂种优势相关的遗传位点并不完全相同,但在同一组系中,有少量来自母本的遗传位点通过不完全显性机制对大多数杂交水稻的杂种优势做出了显着贡献。这一发现将有利于高效杂交育种和优化组合,从而快速获得高产、优质、抗逆性强的杂交品种。相关研究论文发表在2016年9月29日《自然》(自然[537 (7622) : 629-633)的长篇论文中。

4。提出了一种基于胆固醇代谢调节的肿瘤免疫治疗新方法

T细胞介导的肿瘤免疫治疗是治疗肿瘤最有效的四大武器之一,在临床上取得了巨大成功。然而,现有的基于信号转导调节的肿瘤免疫治疗方法仅对部分患者有效,因此迫切需要开发新的方法使更多患者受益。中国科学院上海生命科学研究所生物化学与细胞生物学研究所的许陈其、李梁博和他们的合作者从一个新的角度研究了T细胞的肿瘤免疫反应。他们认为可以通过调节“代谢检查点”来改变T细胞的代谢状态,从而获得更强的抗肿瘤效果。他们确定胆固醇酯化酶ACAT1是调节肿瘤免疫反应的代谢检查点。抑制其活性可增强CD8 T细胞的肿瘤杀伤能力。主要机制是CD8 T细胞质膜胆固醇水平显着升高,有助于T细胞抗原受体簇和免疫突触的有效形成。他们还发现ACAT1抑制剂Avasimibe(作为治疗动脉粥样硬化相关疾病的药物,已进行三期临床试验)具有良好的抗肿瘤效果,可与现有临床药物PD-1抗体结合,获得更好的肿瘤免疫治疗效果。他们的研究开辟了肿瘤免疫治疗的新领域,并证明了代谢调节的关键作用。同时,ACAT1作为新的治疗靶点的发现拓展了ACAT1小分子抑制剂的应用前景,为肿瘤免疫治疗提供了新的思路和方法。相关研究论文发表于2016年3月31日《自然》(自然[531 (7596) 3336651-655))。 《细胞》发表的同行评议指出:“这一研究结果可能会发展成为新的抗肿瘤和抗病毒药物。”《科学》发表的一份同行评议指出:“这项研究为没有治疗效果或对抗帕金森病1号无耐药性的患者提供了新的希望。”

5.揭示核糖核酸剪接的关键分子机制

核糖核酸剪接是地球上所有真核生物从脱氧核糖核酸向蛋白质传递信息的“中心法则”中的一个关键环节。通过剪接反应,前体信使核糖核酸中的内含子被消除,外显子被连接形成成熟的信使核糖核酸,并可进一步翻译成蛋白质。大约35%已知的人类遗传疾病是由异常核糖核酸剪接引起的。核糖核酸剪接的化学本质是前体信使核糖核酸经过两步酯交换反应,完成剪接和剪接两个关键步骤,每一步都需要一个巨大的动态分子机器剪接器来催化。因此,在组装、活化和催化反应过程中,获得分子量超过200万道尔顿的拼接体在不同状态下的高分辨率空间三维结构,是理解核糖核酸拼接分子机制的唯一途径,也是结构生物学领域最具挑战性的课题。在过去的30年里,生命科学基础研究的这个核心领域进展缓慢。中国科学院院士、清华大学生命科学学院教授石龚毅实验室创新性地使用酵母内源蛋白提取法获得性质良好的样品,并在2015年率先使用单粒子冷冻电子显微镜技术报告裂殖子酵母剪接体的结构后,于2016年取得重大突破。拼接器在三种关键工作状态下的近原子分辨率结构(即3.5埃活化拼接器Bact复合物、3.4埃后第一催化反应复合物C复合物和4.0埃后第二催化活化C*复合物)和拼接组装过程中重要复合物的高分辨率结构(即3.8埃预组装复合物U4/U6)。U5三核苷酸序列)进行了连续分析。这四项进展在2016年以《科学》的长篇文章形式相继发表(科学351:466-475;353:895-904;353:904-911;aak9979).这四种高分辨率结构所代表的剪接体状态基本涵盖了核糖核酸剪接的关键催化步骤,从分子水平上解释了剪接体进行核糖核酸剪接的机制,极大地促进了核糖核酸剪接基础研究领域的发展。

6.人们发现精子核糖核酸可以作为记忆载体,携带后天获得的性状

越来越多的证据表明,随着生活环境和饮食结构的巨大变化,由高脂饮食引起的肥胖等代谢性疾病可以在精子中“记忆”,并传递给下一代,导致后代肥胖。这种获得的遗传形式对人类生殖和后代健康有着深远的影响。精子介导的获得性遗传机制涉及精子中表观遗传信息的储存和传递,而不是脱氧核糖核酸序列。破解这样的表观遗传信息是这个领域的一个主要挑战。中国科学院院士、中国科学院动物学研究所研究员周琦和段奎恩与中国科学院上海生命科学研究所营养科学研究所研究员翟启伟合作,基于高脂饮食小鼠模型,发现精子中一种大小为30-34 nt的小核糖核酸(TS核糖核酸),来源于tRNA的5’末端序列,在高脂饮食下,其表达谱和核糖核酸修饰谱发生显着变化。从高脂小鼠精子中分离tsRNAs片段并注射到正常受精卵中可以诱导F1子代产生代谢性疾病。高脂小鼠精子的总核糖核酸进入受精卵,导致早期胚胎和后代小鼠胰岛代谢途径基因发生显着变化。这项研究首次从精子核糖核酸(精子核糖核酸)的角度为获得性性状的世代遗传研究开辟了一个新的视角,并提出精子核糖核酸是一种新的父亲表观遗传因子,可以介导获得性代谢疾病的世代遗传。相关研究论文发表于2016年1月22日《科学》(科学[351 (6271) :397-400))。自发表以来,这篇文章被广泛引用和评价,引起了主要国际媒体的注意。

7.研制了第一个稳定可控的单分子电子开关器件

使用单分子构建电子器件对于突破半导体器件小型化的瓶颈具有重要意义。实现可控单分子电子开关功能是验证分子能否作为电子器件核心元件的关键。自20世纪70年代以来,稳定可控单分子器件的设计和构建,探索其与微电子技术的兼容性,以及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。北京大学北京国家分子科学实验室教授郭雪峰及其研究团队创造性地开发了一种以石墨烯为电极,通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法,从而解决了单分子器件制备困难和稳定性差的问题。在此基础上,他们与美国电子系的徐红旗研究团队和美国宾夕法尼亚大学的亚伯拉罕尼赞(Abraham Nitzan)合作,通过面向功能的分子工程,成功克服了二芳基分子与石墨烯电极之间强耦合的核心挑战,从而突破性地构建了一类完全可逆的光诱导和电场诱导双模单分子光电器件。这项研究导致了世界上第一个真正稳定可控的单分子电子开关器件在中国的诞生。石墨烯电极和二芳基乙烯分子稳定的碳骨架以及分子/电极之间强共价键的连接,使得这些单分子开关器件具有前所未有的开关精度、稳定性和再现性,在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精确分子诊断技术中具有巨大的应用前景。相关研究论文发表于2016年6月17日《科学》(科学[352 (6292) :1443-1445))。《自然》并发分布评论说:“这项研究证明了物质在纳米尺度上的精细控制。”

8.世界上第一个非人灵长类孤独症模型“孤独症”(也称为孤独症)是一种发育性神经系统疾病,在青少年中更常见。患者表现出行为异常,如社交障碍和重复性僵硬动作。目前,还没有有效的药物治疗和干预方法。近年来,全世界自闭症的患病率逐年上升,引起了社会的广泛关注。作为一个人口大国,中国估计有近1000万自闭症患者。中国科学院上海生命科学研究所神经科学研究所研究员邱子龙与非人灵长类动物平台孙强团队合作构建携带人类孤独症基因MECP2的转基因猴模型,并对转基因猴进行分子遗传学和行为分析。发现MECP2转基因猴子表现出与人类自闭症相似的刻板行为和社会障碍。灵长类动物首次通过同种异体睾丸移植成功地加速了猴子的生殖周期。三年半后,他们获得了携带人类MECP2基因的第二代转基因猴子,并发现它们在社会行为上表现出与父母相同的自闭症样表型。这是世界上第一个非人灵长类自闭症模型,为自闭症病理学的深入研究和可能的治疗干预探索做出了重要贡献。相关研究论文发表于2016年2月4日《自然》(自然[530 (7588) :98-102))。

9。揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机制

动植物从单细胞受精卵发育成高度复杂的有机体是一个奇妙的过程。作为一种稳定的表观遗传修饰,哺乳动物基因组中的5-甲基胞嘧啶是由脱氧核糖核酸甲基转移酶催化的。最近的研究发现,TET双加氧酶家族蛋白(TET1/2/3)可以氧化5-甲基胞嘧啶并引发脱氧核糖核酸去甲基化。尽管在哺乳动物基因印记和X染色体失活过程中,基因甲基化与基因表达的调节有关,但尚不清楚基因甲基化和TET双加氧酶介导的去甲基化在小鼠胚胎发育中起什么作用。中国科学院院士、中国科学院上海生命科学研究所生物化学与细胞生物学研究所研究员、许郭亮课题组与威斯康星大学孙鑫教授和北京大学唐傅佥教授合作,利用生殖系统特异性敲除小鼠获得TET基因三重敲除胚胎。通过一系列形态发育特征试验和基因功能互补分析,分析了Tet缺失导致胚胎死亡的机制。发现TET的三个成员在功能上相互合作。TET介导的脱氧核糖核酸甲基化和DNMT介导的脱氧核糖核酸甲基化是相互拮抗的。胚胎原肠运动是通过调节左结节信号通路来控制的。本文从长期困扰发育生物学领域的基本主要问题出发,重点研究了人类新生儿出生缺陷的可能机制和预防,首次系统揭示了胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机制,为发育生物学的基本原理提供了新的认识。相关研究论文发表于2016年10月27日《科学》(自然[538:528-532))。

10.揭示水的核量子效应

对于大多数材料系统,通常只需要考虑电子的量子化,而原子核被视为经典粒子。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,它们的量子效应将是显着的。氢原子核的量子效应对水的氢键相互作用有多大影响?或者氢键的量子组成是什么?这被认为是揭开水的奥秘需要回答的关键问题之一。由于氢原子核量子化的研究在实验和理论上都很有挑战性,这个问题一直没有得到很好的解决。中国科学院院士、北京大学物理学院教授王恩格和蒋英的研究团队及合作者分别在相关实验技术和理论方法上取得突破。开发了一套“针尖增强非弹性电子隧穿光谱”技术,以获得单个水分子的高分辨率振动光谱,从而测量单个氢键的强度。为了准确描述电子量子态和核量子态,发展了基于第一原理的路径积分分子动力学方法。基于此,他们首次确定了世界上氢键的量子组成,首次揭示了水在原子尺度上的核量子效应。结果表明,氢键的量子组成比室温下的热能大得多。氢原子核的“非谐零运动”将削弱弱氢键,增强强氢键。这个物理图像对于各种氢键系统来说是非常普遍的。这项工作是对材料科学基本问题“氢键的量子组成有多大?”的第一个定量回答它阐明了氢键的量子性质,这是学术界长期争论的问题,将有助于理解水和其他氢键系统的许多异常特征。相关研究论文发表于2016年4月15日0103010(科学[352 (6283) :321-325))。该研究被评论家评价为“氢核量子效应研究的实验杰作”;德国的张秀坤马克思教授是核量子效应研究领域的权威专家,他认为这项工作“完成了一项不可思议的任务”。

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科技部公布2016年中国十大科学发展

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