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中科院多项成果入选2016年度中国科学十大进展—

发布时间:2017-12-04 阅读:

  中国科学院在2016年度中国科学十佳科技新闻 - 科学网络评选中取得多项成果

  2016年2月20日,科学技术基础研究部与高新技术研究开发中心共同举办“2016中国科学十大进展口译大会”,发布“2016年度中国科学十大进展”。包括独立或与中国科学院有关研究所合作取得的七项重大科学成果,包括开发一种新型钴基电催化剂,将二氧化碳高效廉洁转化为液体燃料,开辟新的捷径以煤制烯烃为例,发现水稻产量性状的分子杂种优势遗传机理;提出了一种基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法;发现精子RNA可以作为记忆载体来获得世代获得的性状;构建世界上第一个非人灵长类自闭症模型;揭示胚胎发育过程关键信号通路的表观遗传调控。

  另外三个选择的结果是:揭示RNA剪接的关键分子机制;开发出第一台稳定可控的单分子电子开关器件;揭示水的核子量子效应。

  中国科学十大进展评选活动由科技部高新技术研究发展中心主办,成功举办12年。旨在宣传我国重大基础研究的科学进展,激发广大科技工作者的科学积极性和奉献精神,开展基础研究科普宣传,提高公众对科学基础的理解,关怀和支持。研究,在全社会创造良好的科学氛围。

  中国科学十大进步评选进程分为推荐,小学和大学三个环节。 “中国基础科学”,“科学技术先驱论坛报”,“中国科学院”,“中国科学基金”和“科学通报”编委会推荐2015年12月1日至2016年11月30日的官方刊物共有278项科研成果。 2016年1月,科技部高新技术研究开发中心组织初选会议,邀请专家从推荐的科学进展中挑选出30个参赛作品。 973计划顾问组,咨询小组,973计划项目首席科学家,国家重点实验室主任等2000多名专家学者在线投票表决,在科学方面取得进展。 2016年中国十大科学进展中的十大。

  附:2016年中国科学十大进展简介

  1.开发了一种新型钴基电催化剂,可将二氧化碳有效清洁地转化为液体燃料

  在环境温度和压力下将二氧化碳还原为碳氢化合物燃料是化石原料的潜在清洁能源替代,并有助于减少二氧化碳对气候的不利影响。实现二氧化碳电催化还原的关键瓶颈是二氧化碳作为二氧化碳自由基阴离子或其他中间体的活化,这需要非常高的超电势。最近的报道表明,基于金属氧化物还原的金属比用其他方法制备的金属具有更高的催化活性,但是金属氧化物如何改变金属的电催化活性尚不清楚,主要是因为微观结构有影响二氧化碳还原的活性。为了评价金属和金属氧化物在两个不同催化位点的作用,中国科学院院士,中国科学技术大学教授谢毅,孙永福等人制备了一种四原子厚的钴金属层和钴金属/钴氧化物混合层。他们发现,在低过电位下,原子尺度表面上的钴原子比体相表面上的钴原子具有更高的形成甲酸的内在活性和选择性。虽然部分氧化的原子层进一步增强了其固有的催化活性,但在过电位仅为0.24伏的情况下获得10mA / cm 2的电流输出超过40小时,甲酸盐选择性接近90%。这超过了先前报道的金属或金属氧化物电极在相同的条件下。这项研究有助于研究人员重新思考如何获得高效稳定的二氧化碳还原催化剂。相关研究论文发表于2016年1月7日,自然[529(7584):68 71]。加州理工学院教授Karthish Manthiram评论说,这是一个重大的科学突破。虽然需要很长时间才能投入商业用途,但无论从哪个角度来看,目前这个阶段的发展都是积极乐观的。

  2.创建一个煤炭烯烃的新捷径

  烯烃是与人们日常生活密切相关的重要化学物质,中国是一个大型的烯烃消费国,其传统的生产原料主要依靠石油,不仅造成烯烃生产成本高,而且危害严重中国的能源安全。 20世纪初,德国科学家费舍尔和托普希尔提出了一种费 - 托(FT)路线,通过水煤气转换生产煤制烯烃。但是这个过程理论上会产生大量的副产品,同时会消耗大量的水,严重阻碍了该技术的发展和实际应用。中国科学院,中国科学院大连化学物理研究所研究员包新和和潘秀莲研究小组从纳米催化剂的基本原理出发,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生产烯烃,C2-C4轻质烯烃的单向选择性超过了费 - 托工艺的限制,跃升80%以上。同时,反应过程完全避免了水分子的参与,并从李克强总理的问题回答了煤水是否可以无水或少用水的问题,从而实现了两类水的有效分离催化活性中心,其分别控制纳米尺度上的反应性和产物选择性,使得在氧化物催化剂表面上形成的烃中间体在分子筛反应的纳米孔中经历有限的偶联,成功地实现了目标产物分子筛结构可控变化,相关研究论文于2016年3月4日发表于Science [351(6277):1065 1068),同期科学界对该课题发表了专家意见和展望,这项研究原则上的突破将带来很大的工业竞争力作为煤炭转化领域的一个里程碑式的突破。

  揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机理

  不断提高谷物产量,确保全球粮食安全是作物遗传育种的长期目标。杂种优势指通过杂交而显示出优于父本和母本特征的后代,这是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院的韩斌,黄学辉博士与中国科学院上海生命科学研究院杨世华研究员合作,中国水稻研究所研究了17个代表性杂交水稻品系的遗传多样性。对10074个F2代材料进行了基因型和表型性状的分析。他们系统地鉴定了与水稻杂种优势相关的基因位点,并确定了三条现代杂交水稻品系作为不同杂交系统的代表。他们发现,尽管杂交水稻在杂种优势方面没有相同的遗传倾向,但是在同一群体中母本位点的数量很少,主要是由于不完全的显性机制对杂种优势产生了重要贡献。这一发现将促进育种群体的高效杂交和优化,从而快速获得高产,优质,抗逆的杂交种。相关研究论文将于2016年9月29日刊登在Nature上(Nature [537(7622):629 633]。

  提出了一种基于胆固醇代谢调控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癌症的四种最有效的武器之一,并取得了很大的临床成功。然而,现有的基于信号转导调控的肿瘤免疫治疗只对部分患者有效,因此迫切需要开发新的方法使更多的患者受益。中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所的徐晨奇,李伯良及其合作者从一个新的视角研究了T细胞免疫反应。他们认为通过调节T细胞的代谢检查点可以改变其代谢状态,使其具有较强的抗肿瘤作用。他们将胆固醇酯酶ACAT1鉴定为调节肿瘤免疫应答的代谢关卡,抑制其活性可以增强CD8 + T细胞的杀伤能力,其主要机制是CD8 + T细胞质膜胆固醇水平显着增加,帮助T细胞抗原受体簇和免疫突触形成,还发现ACAT1抑制剂阿伐西米(一种已经用于治疗动脉粥样硬化相关疾病的III期药物)具有良好的抗肿瘤作用,并能结合现有的临床药物PD-1抗体治疗,获得更好的肿瘤免疫治疗效果,开辟了一个全新的肿瘤免疫治疗领域,证明了其代谢调控的关键作用,同时发现ACAT1新的治疗靶点,拓展了ACAT1小分子抑制剂的应用前景,为肿瘤免疫治疗的新思路和新方法提供了新的思路和方法。 h论文发表于2016年3月31日,Nature [531(7596):651 655]。在“自然”杂志上发表的同行评议显示,这项研究很可能会成为抗肿瘤和抗病毒药物的新药。 “细胞”杂志发表的一篇同行评论指出,这项研究为没有治疗或抗PD-1反应的患者提供了新的希望。

  揭示RNA剪接的关键分子机制

  从DNA到蛋白质信息,RNA剪接是世界上所有真核生物核心宗旨的关键部分。通过剪接,前体信使RNA中的内含子被敲除,外显子被连接形成成熟的信使RNA,然后可以被翻译成蛋白质。人类已知的大约35%的遗传疾病是由RNA剪接异常引起的。 RNA剪接的化学本质是前体信使RNA经过酯交换两步完成剪切和后续两步,每一步都需要由一个巨大的动态分子机器剪接来催化。因此,了解RNA剪接分子机制的唯一途径就是在每个反应过程中,分子量超过200万道尔顿的剪接体的高分辨率三维结构组装,激活和催化是最重要的部分结构生物学挑战性话题。 30年来,生命科学基础研究的核心领域进展​​缓慢。中国科学院院士,清华大学生命科学学院的史义功博士应对这一重大科学挑战,创新性地利用酵母内源蛋白提取技术,获得了优质的样品。使用单粒子低温电子显微镜和随后的2015年拼接S的结构的第一次年度报告。 japonicum拼接构建体在2016年取得了重大突破,在三个关键工作状态(即3.5埃激活的Bact复合物,3.4埃C复合物的一级结构)解决了接近原子分辨率结构的剪接体,一步催化的反应复合物和第二步催化活化状态为4.0埃的C *复合物)和拼接体装配期间重要复合物的高分辨率结构(即3.8埃预装配的复合物U4 / U6.U5 tri-snRNP )。这四项发展全部在2016年以科学的形式出版(Science 351:466-475; 353:895-904; 353:904-911; aak9979)。以剪接体为代表的四个高分辨率结构基本涵盖了RNA剪接的关键催化步骤,从分子水平上解释了RNA剪接的机制,极大地推动了RNA剪接基础研究领域的发展。

  发现精子RNA可以作为记忆载体来继承获得性状

  越来越多的证据表明,由于高脂饮食引起的肥胖等代谢性疾病可以储存在精子中,并随着生活环境和饮食结构的巨大变化而传递给下一代,导致子孙肥胖。这种获得的遗传形式对人类生殖和后代的健康具有深远的影响。精子介导获得这种遗传机制涉及在精子的DNA序列之外存储和传递表观遗传信息,并且解决这种表观遗传信息是本领域的主要挑战。中国科学院动物研究所,中国科学院院士周琦,段恩奎研究组和上海生命科学研究院,中国科学院营养科学研究所研究员翟启伟等合作,基于高脂饮食模型小鼠发现精子中有一类衍生自tRNA 5 End序列,在3034nt小RNAs(tsRNAs)中富含大量脂肪的饮食中发生了表达谱和RNA修饰谱的显着变化。高脂小鼠精子中tsRNA片段的分离并注射到正常受精卵中可诱导F1子代产生代谢疾病。高脂小鼠精子的TsRNA进入受精卵,并引起早期胚胎和后代小鼠胰岛中代谢途径基因的显着变化。本研究首次从精子RNA的角度为研究获得性状的世代间遗传开辟了一个全新的视角。提出精子tsRNAs是一种新型的父系表观遗传因子,可以介导获得性代谢疾病的代际遗传代。相关研究论文发表于Science [351(6271):397 400] 2016年1月22日)。文章发表后被广泛引用和评价,引起国际媒体的重大关注。

  7.开发出第一台稳定可控的单分子电子开关器件

  单分子构建电子器件对突破当前半导体器件小型化发展的瓶颈具有重要意义。可控单分子电子开关功能的实现是验证分子是否可以作为电子器件的核心组件应用的关键。 20世纪70年代以来,设计一种稳定可控的单分子器件,探索其与微电子技术的兼容性,获得真正的分子电子开关具有重大的科学意义。北京大学北京分子科学国家实验室教授郭雪峰已经开发出了一种以石墨烯为电极的稳定单分子器件,通过共价键连接的关键制备方法,解决了制备困难,稳定性差的问题单分子装置。在此基础上,与宾夕法尼亚大学电子系徐红旗教授和亚伯拉罕·尼桑教授合作,通过功能导向分子工程,成功克服了二芳烯与石墨烯电极之间强耦合的核心挑战,构建了可逆光诱导和电场诱导的双模单分子光电子器件。这一研究成果诞生了世界上第一台真正稳定可控的单分子电子开关器件,石墨烯电极和二芳基乙烯分子稳定了碳骨架,固体分子/电极共价键使得这些单分子开关器件具有前所未有的开关精度,稳定性和重现性在未来高度集成的信息处理器,分子计算机和分子诊断技术具有巨大的潜在应用,相关的研究论文发表于2016年6月17日在科学[352(6292):1443 1445])。科学评论说:这项研究表明,在纳米级的材料精细控制。

  8.建立世界上第一个非人灵长类自闭症模型

  孤独症(也称自闭症)是一组青少年中常见的发育性神经疾病。有社交障碍,重复刻板行为等异常行为的患者还没有有效的药物治疗和干预方法。近年来,世界各国都发现自闭症的患病率逐年上升,引起社会的广泛关注。作为一个人口众多的国家,中国估计全国有近千万自闭症患者。中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所邱子龙研究组和非人灵长类孙强团队合作,通过构建人类自闭症基因MECP2转基因猴模型和转基因猴子的分子遗传学和行为据我们分析,发现MECP2转基因猴子表现出类似于人类孤独症和社交障碍的刻板行为。在灵长类动物中,它们也首次通过睾丸同种异体移植来加速猴子的繁殖周期。携带人类MECP2基因的第二代转基因猴获得了三年半的时间,并发现与亲代相关的自闭症样表型相同。这是世界上第一个自闭症非人灵长类动物模型,为进一步研究自闭症的病理和探索可能的治疗干预做出了重大贡献。相关的研究论文发表于2016年2月4日,Nature [530(7588):98 102])。

  揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传学调控

  从单细胞受精卵到高度复杂的生物体的植物和动物的发育是一个奇妙的过程。哺乳动物基因组DNA中的5-甲基胞嘧啶由DNA甲基转移酶(DNMT)催化,作为稳定的表观遗传修饰。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,引发DNA去甲基化。尽管DNA甲基化参与哺乳动物基因组印记和X染色体失活等生命事件中的基因表达调控,但是DNA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重要作用。在这个问题上的作用还不清楚。中国科学院上海生命科学研究院,中国科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员许国梁研究小组和美国威斯康辛大学教授孙鑫,北大教授唐馥等合作,利用生殖系统特异性敲除小鼠Tet基因敲除胚胎,通过一系列形态发育特征的检测,结合互补基因功能分析,TET缺失引起的胚胎死亡机制,发现TET三个成员功能协同,介导DNA去甲基化和DNMT介导的DNA甲基化拮抗作用,通过调节Lefty-Nodal信号通路来控制胚胎肠道蠕动。本研究从长期困扰发育生物学领域的基本问题出发,重点研究了新生儿出生缺陷的可能机制和预防,并首次系统地揭示了关键信号通路的表观遗传调控机制胚胎发育过程中发育生物学的基本原理提供了一个新的认识。一篇相关的研究论文发表于2016年10月27日,Nature [538:528 532]。

  10.揭示水的核子量子效应

  对于大多数物质体系来说,一般只需要考虑电子量子化,核子被视为经典粒子。然而,水中三分之二的原子是氢原子,由于氢原子核的质量小,其量子效应可能异常显着。氢核的量子效应对水的氢 - 氢相互作用有多大?或氢键量子组成多少?被认为是解开水的奥秘的关键问题之一。由于氢核量子化的研究在实验和理论上都是非常具有挑战性的,所以这个问题还没有得到很好的解决。中科院院士,北京大学物理学院王恩格教授和江鹰研究小组及合作者分别在实验技术和理论方法上分别有所突破:针尖增强发展了一种非弹性电子隧穿谱,获得了单一测量单个氢键的强度。开发了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法,实现了对电子量子态和核子量子态的精确描述。在此基础上,率先在国际上确定了氢键的量子组成,在原子尺度上首次揭示了水的核子量子效应。结果表明,氢键的量子组成可以远远大于室温热能。氢核的非零谐运动将削弱弱氢键,强化强氢键。这种物理图像对于各种氢键系统来说是非常普遍的。这项工作是对氢键量子性质的材料科学的基本问题的第一个定量的答案,澄清了学术界长期争论的氢键的量子性质,将有助于理解水和其他氢键系统中的许多异常现象特性。相关的研究论文发表在科学[352(6283):321 325],2016年4月15日。这项研究被评论家评为核氢质子研究的实验杰作;德国多米尼克·马克思教授是核量子效应领域的权威专家,他说这项工作完成了令人难以置信的工作。

关键词: 自然科学