Science发布2019十大科学突破

转自CSDN网2019-12-25

来源:中国生物技术网 

北京时间12月20日,《Science》公布了今年的十大突破。

“直视”黑洞

图片来源:UNIVERSITY OF ARIZONA/INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY

图片来源:EHT COLLABORATION/CC 4.0

巨大的、无处不在的黑洞,在某些情况下甚至像我们的太阳系一样大,隐藏在我们的视线中。它们的引力对周围物体的影响,及其最近碰撞时发出的引力波都揭示了它们的存在。但在4月份之前,还没有人直接看到过。就在那时,一个国际射电天文学家团队发布了一张令人震惊的黑洞特写图像,显示了一个黑暗的中心被围绕它旋转的光子产生的光环所包围。荷兰奈梅亨大学的Heino Falcke是制作这张照片的团队成员之一。他说:“第一眼的感觉就像是看见了地狱的大门。”这张令人回味的图片是《Science》评选的2019年年度突破冠军。

与丹尼索瓦人“面对面”

一位艺术家基于从DNA推断身体特征的新方法复原丹尼索瓦女孩的样貌。图片来源:MAAYAN HAREL

大约40年前,一位佛教僧人在青藏高原边的白石崖岩溶洞穴中发现了一个奇怪的人类颚骨。他意识到这个长着巨大臼齿的下颚很特别,就把它交给了另一个和尚,后者把它捐赠给了学者。但没人知道这到底是什么。

今年五月,中国科学院青藏高原研究所、兰州大学和德国马普进化人类学研究所学者领衔、多家境内外科研院所参与的青藏高原丹尼索瓦人研究发表于《Nature》上。研究揭示,一件发现于中国甘肃省甘南州夏河县白石崖溶洞的古人类下颌骨化石距今已有16万年,是除西伯利亚阿尔泰山地区丹尼索瓦洞以外发现的首例丹尼索瓦人化石,也是目前青藏高原的最早人类活动证据。

在古DNA高度降解的情况下,研究团队运用古蛋白质分析方法,通过分子学信息来判断古老化石的归属。蛋白质中的氨基酸序列蕴含了个体演化一些信息,尽管这种遗传信息相较DNA信息是非常小的,但在夏河人化石中发现了丹尼索瓦人特有的蛋白质,这为确定其为丹尼索瓦人提供了最主要的证据。

兰州大学资源环境学院张东菊副教授说:“这块下颌骨表明,丹尼索瓦人的地理分布区域比我们以前认为的要广泛得多,海拔也更高。”化石仅保存了古人类下颌骨的右侧,下颌骨附着第一臼齿和第二臼齿,其他的牙齿仅保留牙根部分,颌骨形态粗壮原始,臼齿较大,可以很清楚看到它没有下巴,这说明它不是现代人化石。

早期研究表明,丹尼索瓦人的遗传物质已经发生了一种突变,该突变有助于在青藏高原这种高海拔-低氧环境中的生存。今天的西藏人群基因中也有同样的突变,这可能证实了丹尼索瓦人对青藏高原上的藏族人群和夏尔巴人群有基因贡献——高寒缺氧环境基因(EPAS1)。

参考文献:

F. Chen et al., A late Middle Pleistocene Denisovan mandible from the Tibetan Plateau, Nature, Vol. 569, p. 409, 1 May 2019

D. Gokhman et al., Reconstructing Denisovan Anatomy Using DNA Methylation Maps, Cell, Vol. 179, p. 180, 19 September 2019

A. Gibbons, First fossil jaw of Denisovans finally puts a face on elusive human relatives, Science, 1 May 2019

M. Price, Ancient DNA puts a face on the mysterious Denisovans, extinct cousins of Neanderthals, Science, 19 September 2019

“量子霸权”

Google的量子处理器芯片 图片来源:Google

这或许是计算机领域的一个里程碑事件:谷歌宣称「量子霸权」已经实现,他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性:在世界第一超算 Summit 需要计算 1 万年的实验中,谷歌的量子计算机只用了 3 分 20 秒。

在最近提交的一份论文中,研究人员提出了这一主张,它也是迄今为止表明量子计算机超越传统架构计算机,并走向实用化最为强烈的迹象。在未来,我们或许可以使用这种全新工具解决此前无法解决的数学问题。

量子霸权是指量子计算拥有的超越所有传统计算机的计算能力。谷歌的研究人员声称已经实现量子霸权,这意味着最新的量子计算机能力已经达到了目前最为强大的超算也无法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒内完成特定任务的运算,而目前世界排名第一的超级计算机、美国能源部橡树岭国家实验室的「Summit」执行同样任务需要大约一万年时间。

肠道微生物对抗营养不良

每年都有数百万严重营养不良的儿童无法完全康复,即使他们吃饱了,仍然会发育不良和体弱多病。十年的研究已经找到了一个根本原因:他们的肠道微生物尚未成熟。今年,一个国际团队在这项研究的基础上,提出了一种低成本且易于获得的补充剂,可以优先刺激有益肠道细菌的生长。这些补充剂在小规模试验中表现良好,目前正在进行更大规模的临床试验,以观察其在预防发育迟缓方面的效果。

早期的研究发现,营养不良无法康复儿童的肠道微生物组具有婴儿微生物组的特征,而更成熟的微生物组是对营养做出良好反应的关键。研究小组首先确定了代表成熟肠道菌群的15种细菌。他们还确定了包括蛋白质在内的血液标志物,这些标志物标志着营养不良的影响得以恢复。然后,他们测试了发展中国家容易找到的各种食物组合,以观察微生物组的反应,首先是对小鼠的反应,然后是对猪的反应,最后是对一小群营养不良儿童的反应。

作为食品补充剂的标准成分,奶粉和大米对关键细菌的扩散几乎没有什么帮助,但含有鹰嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的补充剂有助于肠道菌群的成熟。经过短暂的临床试验后,服用补充剂的儿童血液中含有更多的蛋白质和代谢物,这些都是正常生长的标志。

更多的儿童正在接受更长时间的随访,以观察这些变化是否会从发育迟缓中恢复过来,这是改善微生物组可以帮助解决这一全球性问题的最终证据。美国芝加哥大学的医学家Eric Pamer表示,如果可以,尤其是如果可以在医院以外的家中提供治疗,这是解决该问题的最新趋势,那么影响可能是巨大的。

参考文献:

A. Raman et al., A sparse covarying unit that describes healthy and impaired human gut microbiota development, Science, Vol. 365, 12 July 2019

J. Gehrig et al., J Effects of microbiota-directed foods in gnotobiotic animals and undernourished children, Science, Vol. 365, 12 July 2019

E. Pennisi, Gut microbes may help malnourished children, Science, Vol. 365, p. 109, 12 July 2019

陨石的冲击

墨西哥尤卡坦半岛上的希克苏鲁伯陨石撞击的遗迹。 图片来源:SCIENCE

希克苏鲁伯陨石坑的形成,据推测是在6500万年前。与白垩纪-第三纪灭绝事件的年代相吻合。在20世纪70年代晚期,地质学家Glen Penfield在尤卡坦半岛从事石油探勘工作时,发现此陨石坑。目前已在该地区发现冲击石英、重力异常、玻璃陨石等地质证据,可证明希克苏鲁伯陨石坑是由撞击事件造成。从岩石的同位素研究得知,希克苏鲁伯陨石坑的年代约为6,500万年前,时当白垩纪与古近纪交接时期。

由于该陨石坑的规模与年代,希克苏鲁伯陨石坑常被认为是造成白垩纪-第三纪灭绝事件的成因,并造成恐龙等生物的灭绝;但也有科学家提出当时另有其他的灭绝因素。近年来,另有多重撞击理论,认为当时有许多颗陨石在短时间内撞击地球,而希克苏鲁伯陨石坑仅是其中一颗。另有天文研究指出,这些陨石是在1亿6,000万年前分裂而成。一个国际研究小组在《Science》杂志上发表研究报告,确认在6500万年前,一颗小行星撞击今天墨西哥境内的希克苏鲁伯地区是造成白垩纪-第三纪恐龙大灭绝的原因。

最遥远天体的特写

Arrokoth 图片来源:NASA

11月13日,NASA宣布今年年初首次拍摄并回传了人类所探测到的最遥远天体的官方名字为“Arrokoth”。在印第安部落波瓦坦/阿拉贡琴语中,Arrokoth意为“天空”

“缺失环节”的微生物?

科学家培养这种深海微生物(浅色)花了12年的时间。 图片来源:IMACHI AND NOBU ET AL.

今年,微生物学家朝着解决有关真核生物起源的争议问题迈出了重要一步,真核生物的起源涵盖了包括人类在内的所有动植物。经过12年的尝试,日本的一个研究团队成功地从深海沉积物中培育出一种神秘微生物,并对其基因组进行了测序。它似乎可以揭示我们所有人的最终祖先。

这种生物名为Prometheoarocum syntroicum菌株MK-D1,是最近发现的Asgard微生物群的成员。这些微生物不是细菌,而是一种完全独立的生命分支,称为古细菌。只有从深海沉积物和其他极端环境中分离出的DNA片段才知道Asgards。令人惊讶的是,这些片段包含的基因以前被认为仅在真核生物中发现,而真核生物是具有细胞核和细胞器的细胞。比较的DNA分析表明,Asgards或远古亲戚甚至可能产生了真核生物。这个激进的想法会将微生物从三种(古细菌,真核生物和细菌)缩小到两种:细菌和古细菌,而真核生物被简化为古细菌的一个子集。但是鉴于证据不足,许多研究人员对此表示怀疑。

日本研究小组通过在培养基中培养这种微生物,对其全基因组进行测序,并确认其携带真核基因。他们还发现,它似乎与某些细菌结合生长最好,并且形成了可能会吞噬细菌伴侣的短触角。如果是这样,那可以解释一个Asgard如何获得成为线粒体的微生物客体的。(一份详细描述发现的论文发表在bioRxiv)

今年的其他研究已从Asgard研究组其他成员的DNA片段中鉴定出更多的真核基因。来自DNA有关Asgard代谢的信息也支持双域而非三域假说。然而,将近30亿年前发生的事件难以重构,并且随着对Asgards的研究的深入,可能会出现新的概念。但现有的研究,可以更清晰地了解遥远的过去。

参考文献:

H. Imachi et al., Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface, bioRxiv, 6 August 2019

E. Pennisi, Tentacled microbe hints at how simple cells became complex, Science, Vol. 365, p. 631, 16 August 2019

第一次,有药物可以治疗大多数囊性纤维化病例

CFTR蛋白(绿色)的模型,在细胞表面存在囊性纤维化缺陷。 图片来源:ROCKEFELLER UNIVERSITY

10月,科学家庆祝了基因药物的里程碑成果:FDA批准了对大多数囊性纤维化(CF)病例有效的治疗方法。

这种被称为Trikafta的三药组合治疗可以纠正肺部疾病中最常见的突变。Trikafta可以帮助CF患者从进行性疾病转变为更易于控制的慢性疾病。自从CF基因CFTR被发现以来,Trikafta是30年研究的产物。

囊性纤维化是一种罕见的、进行性的、危及生命的疾病,其结果是在肺部、消化道和身体其他部位形成厚粘液。它会导致严重的呼吸和消化问题以及其他并发症,如感染和糖尿病。囊性纤维化是由CFTR基因突变带来的缺陷蛋白引起的,已知的CFTR基因突变约有2000个,但其中最常见是F508del突变。

Trikafta以Vertex Pharmaceuticals公司生产的其他CF药物为基础,这些药物针对CFTR蛋白中的不同缺陷,例如第一个药物Kalydeco,它靶向的是一种名为G551D的罕见突变,还有一种药物:Vertex(也组合了Kalydeco),它修复另一种突变:F508del,该突变错误折叠了CFTR,并阻止了其到达细胞表面。但是事实证明,这两种药物不如预期。

Trikafta在混合物中添加了第三种药物,增强了该策略的有效性。三重组合针对携带至少一份F508del的CF患者,可帮助CFTR到达细胞膜。在临床试验中,该药物使肺活量增加了10%至15%,并使CF并发症减缓出现。

然而,在兴奋之中笼罩着阴影:Trikafta的标价每年超过30万美元,大概必须终身使用。

参考文献:

U.S. Food and Drug Administration, FDA approves new breakthrough therapy for cystic fibrosis, 21 October 2019

P. Middleton et al., Elexacaftor–Tezacaftor–Ivacaftor for Cystic Fibrosis with a Single Phe508del Allele, The New England Journal of Medicine, Vol. 381, p. 1809, 7 November 2019

H. Heijerman et al., Efficacy and safety of the elexacaftor plus tezacaftor plus ivacaftor combination regimen in people with cystic fibrosis homozygous for the F508del mutation: a double-blind, randomised, phase 3 trial, The Lancet, Vol. 394, p. 1940, 23 November 2019

埃博拉患者终于有了希望

1976年,从刚果民主共和国(DRC,当时称为扎伊尔)的雨林中出现了一种新病毒。它在Yambuku村杀害了280人,然后就消失了。后来,只是偶而出现,但却造成了毁灭性的影响。从那以后,这种取自附近一条河流的病毒的名字就成了致命的、无法治愈感染的代名词——埃博拉。今年,情况开始发生变化。

在DRC历史上最致命的一次疫情爆发中,科学家们最终确定了两种可显著降低该病死亡率的药物。两者都是抗体,一种是从1996年埃博拉疫情的幸存者中分离出来的,另一种是在具有人源化免疫系统的小鼠中产生的三种单克隆抗体的混合物。在一项将四种不同药物相互对抗的随机试验中,接受这两种药物之一的患者中约有70%幸存,而使用其他两种药物中的任何一种的患者中约有50%存活了下来。结果如此令人信服,以至于该试验被提早终止。简单地进行这项试验本身就是一项值得注意的成就:它是在一场毁灭性的疾病暴发期间,和一个暴力冲突地区的临时治疗单位中进行的。

研究结果不仅可以通过提高患者的生存机会,而且可以通过鼓励人们尽早寻求治疗来帮助抗击该疾病。在没有有效药物的情况下,有症状的人经常试图逃避检测,并寻找传统的治疗师,这加剧了疾病的爆发。

埃博拉病毒威胁出现40多年后,世界终于为应对这种病毒做好了更好的准备。埃博拉病毒的共同发现者:刚果国家生物医学研究所所长Jean-Jacques Muyemub Tamfum今年8月在新闻发布会上说:“今天,我们翻开了新的篇章。从现在开始,我们将不再说埃博拉是无法治愈的。这一进步将在未来帮助拯救成千上万人的生命。”

参考文献:

National Institute of Allergy and Infectious diseases, Independent Monitoring Board Recommends Early Termination of Ebola Therapeutics Trial in DRC Because of Favorable Results with Two of Four Candidates, 12 August 2019

K. Kupferschmidt, Successful Ebola treatments promise to tame outbreaks, Science, Vol. 365, p. 628, 16 August 2019

AI战胜多人扑克

今年,美国宾夕法尼亚匹兹堡的Rivers赌场,卡耐基梅隆大学开发的人工智能系统Libratus战胜了四位德州扑克的顶级选手,取得了胜利。

此次比赛赛程为20天,一共进行了12万手牌的比赛,人工智能程序Libratus需要对战4名人类职业玩家Jason Les、Dong Kim、Daniel McAulay 和Jimmy Chou,尽管听起来不可思议,但是AI最终“打败”了他们。

参加比赛的人类选手表示,Libratus的胜利“名副其实”,因为它灵活掌握了各种对战策略,有时候明明牌很好,却偏偏下最低的赌注。

相较于AI在围棋领域的胜利,此次AI在扑克牌领域的胜利其实是一个更大的进步。

围棋对弈双方的信息是完整、对称的,但是在扑克牌的对战中,由于对方的底牌是隐藏信息,因此对计算机来说,其实是在处理一种“非完整信息博弈”。

从这个角度来看,Libratus此次战胜顶级人类德州扑克选手,其实表明AI已经越来越“聪明”了。