两院院士心目中的2021年十大科技进展 三项和干细胞密切相关

一个活体机器人将单个细胞组装成一个新的细胞团  图片来源：Douglas Blackiston

美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学威斯生物启发工程研究所的科学家发现了一种全新的生物繁殖方式，并利用其创造了有史以来第一个可进行自我复制多代的活体机器人——Xenobots 3.0。

它仅有毫米大小，既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种，而是一种从未在地球上出现过的、活的、可编程的全新有机体。据悉，该活体机器人或许可以有助于医学的全新突破——除了有望用于精准的药物递送之外，它的自我复制能力也使得再生医学有了新的帮手，或可为出生缺陷、对抗创伤、癌症与衰老提供开创性的解决思路。11月29日，相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。

NIF的192束激光束进入一个橡皮擦大小的金圆柱体，从内部加热产生X射线，使燃料舱内爆，产生核聚变  图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室

我们在地球上之所以能看到阳光、感受到温暖，都是源自于发生在太阳核心的核聚变。核聚变指的是当原子合并在一起时，释放出巨大能量的过程，这个过程可以在碳排放几乎为零的情况下，源源不断地提供绿色能源。但是，想在实验室里实现核聚变并非易事，一个重大的挑战就是“点火”（即聚变反应所产生的能量等于或超过输入能量的时刻）。

8月8日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）进行了一项新的实验。NIF的科学家团队重现了存在于太阳核心的极端温度和压力，NIF的强大的激光脉冲引发了燃料丸的核聚变爆炸，产生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大约相当于一辆时速160公里的汽车的动能。

这一能量达到触发该过程的激光脉冲能量的70%，意味着接近核聚变“点火”，即反应产生的能量足以使反应持续下去，在无限聚变能源的道路上迈出了一大步。

AI现在可以快速可靠地预测大多数蛋白质的三维形状   图片来源：DEEPMIND

科学家们一直希望通过基因序列简单地预测蛋白质形状——如果能够成功，这将开启一个洞察生命运作机理的新世界。美国华盛顿大学和英国DeepMind公司分别公布了多年工作的成果：先进的建模程序，可以预测蛋白质和一些分子复合物的精确三维原子结构，并将这些结构放入公开的数据库免费供全球科研人员使用。

据DeepMind公司报告显示，其人工智能程序AlphaFold预测出98.5%的人类蛋白质结构，有助于深入理解一些关键生物学信息，从而更好开展药物研发。而美国华盛顿大学创建的高精确的蛋白质结构预测程序名叫RoseTTAFold，基于深度学习，它不仅能预测蛋白质的结构，还能预测蛋白质之间的结合形式。仅需十分钟，RoseTTAFold就能用一台游戏电脑准确计算出蛋白质结构。相关论文于7月15日分别刊登于《自然》和《科学》。

研究人员首次利用CRISPR治疗罕见致命肝病，该方法依赖一种包含编码DNA剪切酶的mRNA和另一种将其引导到特定基因序列的RNA   图片来源：ELLA MARU STUDIO

一直以来，人们若要使用被称为“基因剪刀”的CRISPR基因编辑技术治疗遗传疾病，需要清除一个巨大的障碍：将分子剪刀工具直接注射到受影响的细胞中，从而实现DNA切割。

英国伦敦大学研究人员发现CRISPR技术能使一种突变基因失活。研究首次将CRISPR药物注射到一种罕见遗传病（转甲状腺素蛋白淀粉样变性病）患者的血液中，并发现其中3人的肝脏几乎停止产生有毒的蛋白质。

虽然目前还不能确定CRISPR治疗是否能缓解该疾病的症状，但初步数据让人们对这种一次性治疗的效果感到兴奋。相关研究结果5月28日发表于《新英格兰医学杂志》。据悉，这项新工作在能够灭活、修复或替换身体任何部位的致病基因方面，迈出了关键的第一步。

反物质被激光操纵的艺术图   图片来源：Chukman So TRIUMF

加拿大国家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara团队与合作者在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织粒子物理实验室进行了一项名为ALPHA-2的反氢捕获实验，演示了反氢原子的激光冷却，将样品冷却到了接近绝对零度。

激光冷却经常被用来测量常规原子的能量跃迁——电子运动到不同能级。该团队开发了一种激光，它能以适当的波长发射被称为光子的光粒子，从而降低正在直接朝向激光移动的反原子的速度。研究人员将反原子的速度降低到1/10以下。对于冷却的反氢原子，该团队获得的测量精度几乎是未冷却的反原子的3倍。

该研究产生了比以往任何时候都更冷的反物质，并使一种全新的实验成为可能，有助于科学家在未来更多地了解反物质。相关研究成果3月31日刊登于《自然》。

心脏模型发育的再现性  图片来源：Sasha Mendjan等

奥地利科学院生物学家Sasha Mendjan和团队使用人类多能干细胞培养出芝麻大小的心脏模型，又称心脏线。它可以自发地进行组织，在不需要实验支架的情况下发展出一个中空的心房。Mendjan团队以特定的顺序激活所有参与胚胎心脏发育的6个已知信号通路，诱导干细胞自我组织。

随着细胞分化，它们开始形成不同的层——类似心脏壁的结构。经过一周的发育，这些类器官自组织成一个有封闭腔的3D结构，几乎重现了人类心脏的自发生长轨迹。此外，研究小组还发现心脏壁状组织能有节奏地收缩，挤压腔内的液体。

该团队还测试了心脏类器官对组织损伤的反应。他们用一根冷钢棒冷冻部分心脏类器官，并杀死该部位的许多细胞，研究发现，心脏成纤维细胞（一种负责伤口愈合的细胞）开始向损伤部位迁移，并产生修复损伤的蛋白质。相关研究5月20日发表于《细胞》，这项进展使得科学家能创造出一些迄今为止最真实的心脏类器官，为制药公司将更多药物引入临床试验提供了可能。

一个简单的结  图片来源：DeepMind

纯数学研究工作的关键目标之一是发现数学对象间的规律，并利用这些联系形成猜想。从20世纪60年代开始，数学家开始使用计算机帮助发现规律和提出猜想，但人工智能系统尚未普遍应用于理论数学研究领域。12月1日，一篇发表在《自然》上的论文显示，DeepMind公司研发出一个机器学习框架，能帮助数学家发现新的猜想和定理。

此前，该框架已经帮助发现了不同纯数学领域的两个新猜想。研究人员将这一方法应用于两个纯数学领域，发现了拓扑学（对几何形状性质的研究）的一个新定理，和一个表示论（代数系统研究）的新猜想。研究人员表示，这是计算机科学家和数学家首次使用人工智能来帮助证明或提出复杂数学领域的新定理。

人造囊胚  图片来源：UT Southwestern

美国得克萨斯大学达拉斯西南医学中心研究人员领衔的团队成功用人多能干细胞分化诱导出人类早期胚胎样结构。该结构与人囊胚期胚胎具有类似的结构，能正确表达相应的基因与蛋白，并且可在体外发育2至4天，形成类羊膜囊等结构。相关研究成果3月17日刊登于《自然》。

据介绍，借助人类早期胚胎样结构，研究人员能深入研究胚胎的早期发育，更加了解人类早期重大疾病造成的流产、畸形儿、女性受孕障碍等现象，并为其寻找可行的解决方案。此外，研究人员还可以通过这项技术建立药物筛选模型，为进入临床应用的孕妇药品提供安全性模拟检测。

建筑间点对点相位稳定光频传输  图片来源：《自然》

澳大利亚国际射电天文学研究中心（ICRAR）和西澳大利亚大学（UWA）等机构的研究人员创造了在大气层中最稳定传输激光信号的世界纪录。该团队将相位稳定技术与先进的自导向光学终端相结合，实现了此次最稳定的激光传输。

新技术有效地消除了大气湍流，允许激光信号从一个点发送到另一个点，而不会受到大气的干扰。这一结果是用一个通过大气传输的激光系统比较两个不同地点间时间流动的全球最精确的方法。相关论文1月22日发表于《自然—通讯》。

据悉，这项研究有广阔的应用前景，可以用来精确地检验爱因斯坦的广义相对论，或者发现基本物理常数是否随着时间而变化。同时，这项技术的精确测量能力在地球科学和地球物理学中也有实际用途，可以改进有关地下水位如何随时间变化的卫星研究或寻找地下矿藏。

此外，该技术在光通信领域的应用可以将卫星到地面的数据传输速率提高几个数量级，下一代大型数据收集卫星能更快地将关键信息传送到地面。

打破世界纪录的晶体原子“特写”  图片来源：康奈尔大学

美国康奈尔大学的 Muller团队捕捉到了迄今为止最高分辨率的原子图像，打破了其2018年所创下的纪录。据悉，Muller团队使用叠层成像技术，用X射线照射钪酸镨晶体，然后利用散射电子的角度来计算散射它们的原子的形状。这些进步使得研究小组能够观察更稠密的原子样本，并获得更好的分辨率。

据了解，这种最新形式的电子叠层成像分析技术使科学家可以在所有三个维度上定位单个原子。研究人员还将能够一次发现异常结构中的杂质原子，并对它们及其振动进行成像。相关论文5月21日刊登于《科学》。

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