《科學》：2021年度十大科學突破

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人工智慧預測蛋白質結構

今年7月，世界知名人工智慧團隊深度思維宣佈，已經利用AI智慧軟體程式——阿爾法摺疊預測了人類表達的幾乎所有蛋白質的結構，以及其他20種生物幾乎完整的蛋白質組。AI預測蛋白質結構將實現廣泛應用，提供對基礎生物學的見解並揭示潛在的藥物靶點。

8月，中國研究人員使用阿爾法摺疊2繪製了近200種與DNA結合的蛋白質結構圖。11月，德國和美國的研究人員利用阿爾法摺疊2和冷凍電鏡繪製了核孔複合物的結構圖。現在，科學家正使用阿爾法摺疊2來模擬奧密克戎變體刺突蛋白突變的影響。通過在蛋白質中插入更大的氨基酸，突變改變了它的形狀——也許足以阻止抗體與其結合並中和病毒。

人工智慧預測了兩種蛋白質如何形成參與酵母DNA修復的複合體。

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解鎖古老泥土DNA寶庫

最近，科學家們從洞穴地面的土壤中解鎖了一個更大的古代DNA寶庫。研究人員使用這種“泥土DNA”來重建世界各地穴居人的身份。

在西班牙的Estatuas洞穴，核DNA揭示了8萬至11.3萬年前生活在那裡的人類的遺傳特徵和性別，並表明尼安德特人的一個譜系在10萬年前結束的冰川期之後取代了其他幾個譜系。在美國佐治亞州Satsurblia洞穴有2.5萬年曆史的土壤中，科學家們發現了來自以前未知的尼安德特人系的女性人類基因組，以及野牛和現已滅絕的狼的遺傳痕跡。通過將墨西哥奇基維特洞穴中1.2萬年前的黑熊DNA與現代熊DNA進行比較，科學家們發現，在最後一個冰河時代之後，洞中黑熊的後代向北遷徙至阿拉斯加。

一名研究人員記錄了墨西哥奇基維特洞穴中沉積物樣本的位置。

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實現歷史性核聚變突破

8月，美國國家點火裝置 （NIF） 產生了一種聚變反應，這種反應產生的能量比點燃它所需的鐳射能量更多。NIF使用來自世界上最高能量鐳射的脈衝來壓縮胡椒粒大小的氫同位素氘和氚膠囊。這種方法每次發射產生170千焦的聚變能量——遠低於1.9兆焦的鐳射輸入。但在8月8日記錄顯示，該能量飆升至1.35兆焦耳。研究人員認為這是燃燒等離子體的結果，這意味著聚變反應產生了足夠的熱量，可以像火焰一樣通過壓縮燃料傳播。

為了產生美國國家點火裝置（NIF）的聚變反應，192束鐳射束會聚在一個微小的燃料芯塊周圍。

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抗新冠強效藥出現

資料顯示，美國默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風險降低30%；而輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332，如果在出現症狀的3天內開始服用，則可使住院率降低89%。科學家們強調，抗病毒藥物不能取代疫苗接種，但它們仍然至關重要。如果新的奧密克戎變體導致突破性感染激增，它們的重要性將更加突出。

美國默克製藥公司的莫奈拉韋將未接種新冠疫苗的高危人群因病住院或死亡的風險降低了30%。

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“搖頭丸”可治療創傷後應激障礙

一項多中心、隨機、對照試驗發現，3，4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA） ，也就是我們常說的“搖頭丸”的主要成分，顯著減輕了創傷後應激障礙（PTSD）患者的症狀。76名受試者，部分接受了3次MDMA治療，部分接受了安慰劑指導治療課程。2個月後，67%的接受MDMA治療的患者不再有PTSD症狀，而安慰劑組則僅有32%。

研究人員對創傷後應激障礙（PTSD）使用MDMA治療。

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單克隆抗體治療傳染性疾病

今年單克隆抗體 （mAb）開始在對抗新冠病毒和其他威脅生命的病原體，包括呼吸道合胞病毒 （RSV）、HIV 和瘧疾寄生蟲等方面顯現出效果。到今年年底，已有3種用於治療新冠病毒的單克隆抗體獲得FDA緊急使用授權。科學家還正在開發針對流感、寨卡病毒和鉅細胞病毒的單克隆抗體。兩個旨在預防所有嬰兒呼吸道合體病毒（RSV）的候選藥物被寄予厚望。單克隆抗體或將成為傳染病武器庫中的“標配”。

藝術家描繪的單克隆抗體（紅色和藍色）攻擊新冠病毒（紫色）的概念圖。

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“洞察”號首次揭示火星內部結構

自“紮根”火星以來，美國國家航空航天局（NASA）的“洞察”號火星探測器在其著陸點測量了大約733次地震。科學家基於其中35次地震的資料，揭示了火星的內部結構，估計了火星地核的大小、地幔的結構和地殼的厚度。這也是科學家第一次使用地震資料來探測地球以外行星的內部，這是瞭解火星形成和熱演化的重要一步。

地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、淺層的地幔和一個異常大的液體核心。

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粒子物理學的標準模型出現“裂縫”

4月7日，美國費米國家加速器實驗室進行的繆子反常磁矩實驗顯示，繆子的行為與標準模型理論預測不相符。研究報告稱，巨大的、不穩定的類電子粒子——繆子，比最初預測的更具磁性。此外，費米實驗室裡的質子加速器也可以大量製造繆子。研究人員現在正在仔細檢查今年的計算結果，如果成立，並且理論和實驗結果之間的差異持續存在，可能將標誌著有50年曆史的粒子物理標準模型的預言失敗，或開啟物理學變革之門。

在美國費米國家加速器實驗室的這個環內，繆子像指南針一樣在磁場中旋轉，精確度為十億分之三十。

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CRISPR基因編輯療法對人類療效

首次證明

基因編輯工具CRISPR於2020年首次顯現出或可治癒鐮狀細胞病和β—地中海貧血患者的功能。今年，科學家們更進一步，直接在人體內部署CRISPR-Cas9。在小型研究中，該策略減少了一種有毒的肝臟蛋白質，並適度改善了遺傳性失明患者的視力。6月26日，美國Intellia醫藥公司和再生元公司科學家在6名患有一種名為轉甲狀腺素澱粉樣變性病的罕見疾病的患者身上測試了他們的治療方法。結果顯示，所有參與者的畸形蛋白質水平均下降，其中兩名接受高劑量注射的人的蛋白質水平平均下降了87%。

來自CRISPR注射的引導。RNA（藍色）將DNA切割酶（白色）引導至其目標（橙色）。

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體外胚胎培養為早期發育研究

開啟新窗戶

通常，老鼠胚胎在母鼠體外生長的時間為3到4天。但在3月，一個團隊報告了一個將這一期限延長到11天的方案。該研究進展有望為子宮外孕育人類鋪平道路。此外，還有科學家設計了被稱為“胚泡”的關鍵胚胎階段的替代品。一個研究小組從人類胚胎幹細胞中複製了胚泡，並誘導了多能幹細胞（IPS）。另一項研究發現，轉化為誘導性多能性細胞的皮膚細胞會產生囊胚狀結構。這些人造胚泡並不是真正的胚胎，但其中一些可作為某些研究的替代方案以減少倫理爭議。5月，國際幹細胞學會宣佈放寬人類胚胎培養“14天規則”，進一步提振了該領域的研究。

一隻老鼠胚胎在一個旋轉的罐子裡生長。這樣的胚胎可以幫助研究人員更好地瞭解人類發育的早期階段。