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  科技部20日發(fā)布2016年度中國科學十大進展。

  近日，科技部高技術研究發(fā)展中心組織召開了中國科學十大進展初選會議，按照推薦科學進展的學科分布，分成物理和天文科學、化學和材料科學、地球科學、生命科學等4個組，邀請專家從推薦的科學進展中遴選出30項進入終選。終選采取網上投票，邀請中國科學院院士、中國工程院院士、973計劃顧問組和咨詢組專家、973計劃項目首席科學家、國家重點實驗室主任等2000余名專家學者對30項候選科學進展進行網上投票，得票數(shù)排名前10位的科學進展入選“2016年度中國科學十大進展”。

1. 研制出將二氧化碳高效清潔轉化為液體燃料的新型鈷基電催化劑

  將二氧化碳在常溫常壓下電還原為碳氫燃料，是一種潛在的替代化石原料的清潔能源策略，并有助于降低二氧化碳排放對氣候造成的不利影響。實現(xiàn)二氧化碳電催化還原的關鍵瓶頸問題是將二氧化碳活化為CO2·-自由基負離子或其它中間體，這需要異常高的過電位。最近報道顯示基于金屬氧化物還原得到的金屬比通過其它方法制備的金屬催化活性要高，但是不清楚金屬氧化物如何改變了金屬的電催化活性，這主要是因為界面和缺陷等微結構的存在影響了二氧化碳還原的活性。為了評估金屬和金屬氧化物兩種不同催化位點的作用，中國科學技術大學謝毅和孫永福研究組制備了四原子厚的鈷金屬層和鈷金屬/氧化鈷雜化層。他們發(fā)現(xiàn)在低過電位下，相對于塊材表面的鈷原子，原子級薄層表面的鈷原子具有更高的生成甲酸鹽的本征活性和選擇性。而部分氧化的原子層進一步提高了它們的本征催化活性，在過電位僅為0.24伏下實現(xiàn)了10毫安每平方厘米的電流輸出超過40小時，且其甲酸鹽選擇性接近90%，這超過此前報道的金屬或金屬氧化物電極在同等條件下得到的結果。該研究工作有助于讓研究者重新思考如何獲得高效和穩(wěn)定的CO2電還原催化劑。相關研究論文發(fā)表在2016年1月7日《自然》(Nature[529(7584):68—71])上。加州理工大學Karthish Manthiram教授評論認為“這是一次重大的科學突破。雖然它在進入商業(yè)化使用之前還需要一段非常長的時間，但是目前這個階段的發(fā)展不管從哪個角度看都是積極樂觀的。”

2. 開創(chuàng)煤制烯烴新捷徑

  烯烴是與人們日常生活息息相關的重要化學品。我國是烯烴消費大國，其傳統(tǒng)的生產原料主要依賴石油，這不僅使烯烴的生產成本居高不下，同時也嚴重地危及到了我國的能源安全。20世紀初，德國科學家費舍爾和拓普希提出了一條由煤經水煤氣變換生產烯烴的費-托(F-T)路線，但是，該過程原理上會產生大量的副產物，同時還需要消耗大量的水，嚴重阻礙了該技術發(fā)展和實際應用。中國科學院大連化學物理研究所包信和及潘秀蓮研究團隊從納米催化的基本原理入手，開發(fā)出了一種過渡金屬氧化物和有序孔道分子篩復合催化劑，成功實現(xiàn)了煤基合成氣一步法高效生產烯烴，C2到C4低碳烯烴單程選擇性突破了費托過程的極限，一躍超過80%。同時，反應過程完全避免了水分子的參與，從源頭回答了李克強總理提出的“能不能不用水或者少用水進行煤化工”的詰問。該成果在納米尺度上實現(xiàn)了對分別控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性中心的有效分離，使在氧化物催化劑表面生成的碳氫中間體在分子篩的納米孔道中發(fā)生受限偶聯(lián)反應，成功實現(xiàn)了目標產物隨分子篩結構的可控調變。相關研究論文發(fā)表在2016年3月4日《科學》(Science [351(6277):1065—1068])上�！犊茖W》同期以 “令人驚奇的選擇性”為題刊發(fā)了專家評論和展望，稱贊該研究在原理上的突破將帶來在工業(yè)上的巨大競爭力。該研究并被產業(yè)界同行譽為“煤轉化領域里程碑式的重大突破”。

3. 揭示水稻產量性狀雜種優(yōu)勢的分子遺傳機制

  不斷提高谷物產量以保障全球糧食安全是作物遺傳育種的長期目標。雜種優(yōu)勢是指通過雜交使后代展現(xiàn)出比父本和母本具有更優(yōu)勢性狀的現(xiàn)象，是一種重要的作物育種策略。為了揭示水稻產量性狀雜種優(yōu)勢的遺傳基礎，中國科學院上海植物生理生態(tài)研究所韓斌和黃學輝研究組與中國水稻所楊仕華合作，對17套代表性雜交水稻品系的10074份F2代材料進行了基因型和表型性狀分析。他們因此系統(tǒng)鑒定了與水稻產量雜種優(yōu)勢相關的遺傳位點，并將現(xiàn)代雜交水稻品系鑒定為3個群系，代表了不同的雜交育種體系。他們發(fā)現(xiàn)，雖然在所有雜交稻中并沒有完全相同的與雜種優(yōu)勢相關的遺傳位點，但在同一群系內，都有少量來自母本的基因位點通過不完全顯性的機制對大部分雜種的產量優(yōu)勢有重要貢獻。這一發(fā)現(xiàn)將有利于進行高效的雜交優(yōu)化配組，以快速獲得具有高產、優(yōu)質和抗逆的雜交品種。相關研究論文以長文形式發(fā)表在2016年9月29日《自然》(Nature[537(7622): 629—633])上。

4. 提出基于膽固醇代謝調控的腫瘤免疫治療新方法

  T細胞介導的腫瘤免疫治療是治療腫瘤最有效的四種武器之一，在臨床上已取得了巨大的成功。但現(xiàn)有的基于信號轉導調控的腫瘤免疫治療手段只對部分病人有效，因此急需發(fā)展新的方法讓更多的病人受益。中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所許琛琦、李伯良與合作者從全新角度研究了T細胞的腫瘤免疫應答反應。他們認為通過調控T細胞的“代謝檢查點”可改變其代謝狀態(tài)，使其獲得更強的抗腫瘤效應功能。他們鑒定出膽固醇酯化酶ACAT1是調控腫瘤免疫應答的代謝檢查點，抑制其活性可以增強CD8+ T細胞的腫瘤殺傷能力。其主要機理是CD8+ T細胞質膜膽固醇水平明顯增加，幫助T細胞抗原受體簇和免疫突觸高效形成。他們還發(fā)現(xiàn)ACAT1抑制劑Avasimibe(作為用于治療動脈粥樣硬化相關疾病的藥物，已進行了III期臨床試驗)具有很好的抗腫瘤效應，并且能與現(xiàn)有的臨床藥物PD-1抗體聯(lián)合治療來獲得更好的腫瘤免疫治療效果。他們的研究開辟了腫瘤免疫治療的一個全新領域，證明了代謝調控的關鍵作用；同時發(fā)現(xiàn)ACAT1這一新的治療靶點，拓展了ACAT1小分子抑制劑的應用前景，為腫瘤免疫治療提供了新思路與新方法。相關研究論文發(fā)表在2016年3月31日《自然》Nature[531(7596):651—655]上。《自然》發(fā)表的同行評論指出：“這項研究成果可能開發(fā)成抗腫瘤和抗病毒的新藥物”�！都毎钒l(fā)表的同行評論指出：“這項研究為對anti-PD-1沒有治療效應或產生抵抗的病人提供了新的希望”。

5. 揭示RNA剪接的關鍵分子機制

  RNA剪接是地球上所有真核生物從DNA到蛋白質信息傳遞這一“中心法則”的關鍵一環(huán)。通過剪接反應，前體信使RNA中的內含子被剔除、外顯子連接起來形成成熟的信使RNA，進一步才能被翻譯成蛋白質。人類已知的遺傳疾病中大約35%是由RNA剪接的異常導致的。RNA剪接的化學本質是前體信使RNA經歷兩步轉酯反應完成剪和接兩個關鍵步驟，每一步都需要由一個巨大的動態(tài)分子機器——剪接體來催化完成。因此，獲取分子量達兩百萬道爾頓以上的剪接體在組裝、激活、催化反應過程中各個狀態(tài)的高分辨率空間三維結構是理解RNA剪接分子機制的必經之路，也是結構生物學界最富挑戰(zhàn)性的課題。過去30年，這一生命科學基礎研究的核心領域進展緩慢。清華大學生命科學學院施一公實驗室針對這一重大科學難題，創(chuàng)新性地利用酵母內源性蛋白提取獲得了性質良好的樣品，并利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術，繼2015年率先報道裂殖酵母剪接體的結構之后，在2016年取得重大突破，相繼解析了3個關鍵工作狀態(tài)下剪接體的近原子分辨率結構(即3.5埃的激活狀態(tài)剪接體Bact complex、3.4埃的第一步催化反應后復合物C complex以及4.0埃的第二步催化激活狀態(tài)下的C* complex)以及一個剪接體組裝過程中重要復合物的高分辨率結構(即3.8埃的預組裝復合物U4/U6.U5 tri-snRNP)。這4項進展均以長文的形式先后發(fā)表在2016年的《科學》周刊上(Science 351:466-475; 353:895-904；353:904-911; aak9979)。這4個高分辨率結構所代表的剪接體狀態(tài)，基本覆蓋了RNA剪接的關鍵催化步驟，從分子層面解釋了剪接體執(zhí)行RNA剪接的機制，極大地推動了RNA剪接這一基礎研究領域的發(fā)展。


6. 發(fā)現(xiàn)精子RNA可作為記憶載體將獲得性性狀跨代遺傳


7. 研制出首個穩(wěn)定可控的單分子電子開關器件

  利用單分子構建電子器件對突破目前半導體器件微小化發(fā)展的瓶頸意義重大。實現(xiàn)可控的單分子電子開關功能是驗證分子能否作為核心組件應用到電子器件中的關鍵。自20世紀70年代以來，設計構筑穩(wěn)定可控的單分子器件，探索其與微電子工藝的兼容性，并獲得真正意義上的分子電子開關，在當代納米電子學研究中具有重大的科學意義。北京大學北京分子科學國家實驗室郭雪峰研究組原創(chuàng)性地發(fā)展了以石墨烯為電極、通過共價鍵連接的穩(wěn)定單分子器件的關鍵制備方法，解決了單分子器件制備難、穩(wěn)定性差的難題。在此基礎上，他們與電子學系徐洪起研究組以及美國賓夕法尼亞大學Abraham Nitzan等合作，通過功能導向的分子工程學成功地克服了二芳烯分子與石墨烯電極間強耦合作用的核心挑戰(zhàn)性問題，從而突破性地構建了一類全可逆的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件。這項研究工作使得在中國誕生了世界首例真實穩(wěn)定可控的單分子電子開關器件。石墨烯電極和二芳烯分子穩(wěn)定的碳骨架以及牢固的分子/電極間共價鍵鏈接方式使這些單分子開關器件具有空前的開關精度、穩(wěn)定性和可重現(xiàn)性，在未來高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術等方面具有巨大的應用前景。相關研究論文發(fā)表在2016年6月17日《科學》(Science[352(6292):1443—1445])上�！犊茖W》同期配發(fā)評述文章認為：“該研究展示了在納米尺度上對物質的精致控制”。

8. 構建出世界上首個非人靈長類自閉癥模型

  自閉癥(也稱孤獨癥)是一類多發(fā)于青少年的發(fā)育性神經系統(tǒng)疾病，患者表現(xiàn)出社交障礙、重復性刻板動作等行為異常，目前尚無有效的藥物治療及干預方法。近年來世界各國均發(fā)現(xiàn)自閉癥的患病率逐年升高，引起社會各界廣泛關注。中國作為人口大國，預計全國自閉癥患者近千萬。中國科學院上海神經科學研究所仇子龍研究組與非人靈長類平臺孫強團隊合作，通過構建攜帶人類自閉癥基因MECP2的轉基因猴模型并對轉基因猴進行分子遺傳學與行為學分析，發(fā)現(xiàn)MECP2轉基因猴表現(xiàn)出類似于人類自閉癥的刻板動作與社交障礙等行為。他們并首次在靈長類中成功通過精巢異體移植的方法加快猴類繁殖周期，歷時三年半得到了攜帶人類MECP2基因的第二代轉基因猴，且發(fā)現(xiàn)其在社交行為方面表現(xiàn)出了與親代相同的自閉癥樣表型。這是世界上首個自閉癥的非人靈長類模型，為深入研究自閉癥的病理與探索可能的治療干預方法做出了重要貢獻。相關研究論文發(fā)表在2016年2月4日《自然》(Nature[530(7588):98—102])上。

9. 揭示胚胎發(fā)育過程中關鍵信號通路的表觀遺傳調控機理

  動植物從單細胞受精卵發(fā)育成為高度復雜的生物體是一個奇妙的過程。哺乳動物基因組DNA中的5-甲基胞嘧啶作為一種穩(wěn)定存在的表觀遺傳修飾，由DNA甲基轉移酶(DNMTs)催化產生。近年研究發(fā)現(xiàn)，TET雙加氧酶家族蛋白(TET1/2/3)可以氧化5-甲基胞嘧啶，引發(fā)DNA去甲基化。雖然DNA甲基化在哺乳動物基因印記和X染色體失活等生命活動過程中參與基因表達的調控，但是DNA甲基化以及TET雙加氧酶介導的去甲基化在小鼠胚胎發(fā)育過程中究竟起什么作用還不清楚。中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所徐國良研究組與美國威斯康星大學孫欣、北京大學湯富酬等合作，利用生殖系特異性敲除小鼠得到Tet基因三敲除胚胎，通過一系列形態(tài)發(fā)育特征的檢測，結合基因功能互補分析，解析了TET缺失造成胚胎死亡的機制，發(fā)現(xiàn)了TET三個成員之間功能上相互協(xié)作，介導的DNA去甲基化與DNMT介導的DNA甲基化相互拮抗，通過調控Lefty-Nodal信號通路控制胚胎原腸運動。該工作從長期困擾發(fā)育生物學領域的基本重大問題出發(fā)，著眼于人類新生兒出生缺陷的可能機理和防治，第一次系統(tǒng)地揭示了胚胎發(fā)育過程中關鍵信號通路的表觀遺傳調控機理，為發(fā)育生物學的基本原理提供了嶄新的認識。相關研究論文發(fā)表在2016年10月27日《自然》(Nature[538:528—532])上。

10. 揭示水的核量子效應

  對于大多數(shù)材料體系而言，一般只需要考慮電子的量子化，原子核則被當作經典粒子來處理。然而，水中三分之二的原子是氫原子，由于氫原子核的質量很小，其量子效應會異常顯著。氫核的量子效應對水的氫鍵相互作用到底有多大影響？或者說氫鍵的量子成分有多大？被認為是揭開水的奧秘所需要回答的關鍵問題之一。由于氫核的量子化研究無論對于實驗還是理論都非常具有挑戰(zhàn)性，這個問題一直沒有得到很好的解答。北京大學物理學院王恩哥和江穎研究組與合作者，在相關實驗技術和理論方法上分別取得突破：發(fā)展了一套“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術，獲得了單個水分子的高分辨振動譜，并由此測得了單個氫鍵的強度；開發(fā)了基于第一性原理的路徑積分分子動力學方法，實現(xiàn)了對電子量子態(tài)和原子核量子態(tài)的精確描述�；诖�，他們在國際上率先測定了氫鍵的量子成分，首次在原子尺度揭示了水的核量子效應。研究結果表明，氫鍵的量子成分可遠大于室溫的熱能，氫核的“非簡諧零點運動”會弱化弱氫鍵、強化強氫鍵，這個物理圖像對于各種氫鍵體系具有相當?shù)钠者m性。該工作是對“氫鍵的量子成分究竟有多大”這一物質科學基本問題的首次定量解答，澄清了學術界長期爭論的氫鍵的量子本質，將有助于理解水和其他氫鍵體系的很多反常特性。相關研究論文發(fā)表在2016年4月15日《科學》(Science[352(6283):321—325])上。該研究被審稿人評價為“氫核量子效應研究的實驗杰作”；核量子效應研究領域權威專家德國的Dominik Marx教授認為該工作“完成了難以置信的任務”。

  “中國科學十大進展”遴選活動由科技部高技術研究發(fā)展中心舉辦，至今已成功舉辦12屆，旨在宣傳我國重大基礎研究科學進展，激勵廣大科技工作者的科學熱情和奉獻精神，開展基礎研究科普宣傳，促進公眾理解、關心和支持科學基礎研究，在全社會營造良好的科學氛圍。