2021年，新冠疫情起伏反复，病毒频繁变异，这一切都给人们的生活蒙上了一层阴影。尽管如此，科学家却从未停止探索的步伐，每一次重大的科研发现都为生活染上希望的色彩。

临近年末，前瞻结合世界顶尖学术期刊《自然》（Nature）与《科学》（Science）2021年度十大科学突破榜单，整合《细胞》（Cell）、《柳叶刀》（The Lancet）、《美国国家科学院院刊》（PNAS）、《先进材料》（Advanced Materials）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）等国际知名期刊发布的学术研究，对生物、医药、物理和考古等多领域的重大突破进行回顾性总结与分析，整理出了2021年度15大前沿学术研究。

研究代表：Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold

通讯作者：John Jumper 和Demis Hassabis

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03819-2

蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分，蛋白质也是生命的物质基础。在人体内有着数十万种蛋白质，它们天赋各异，有着不同的结构与功能。长期以来，科学家一直想快速、准确地确定蛋白质的3D空间结构，随着人工智能技术的发展，这项工程逐渐成为可能。在今年7月，人工智能明星公司DeepMind开发出名为AlphaFold的人工智能软件，可以用于预测人体和其它有机体的35万种蛋白质结构。这项研究成果将人类蛋白质组预测范围覆盖到了98.5%，AlphaFold软件能够对人类蛋白质58%的氨基酸结构做出可信预测，而对36%的氨基酸结构预测可以达到更高的可信度。这一技术突破在未来的应用将非常广泛，有望开发能够用于各种疾病的新药物和治疗方法；设计或改造未来能够抵抗气候变化的农作物；创造能够消化塑料的酵素等。

对这项技术的突破，天壤蛋白质折叠项目负责人苗洪江认为，研究蛋白质结构，有助于了解蛋白质的作用，理解蛋白质如何行使其生物功能，认识蛋白质与非蛋白质之间的相互作用，对于生物学、医学和药学等领域都意义非凡。目前单个蛋白质结构预测只是一个起点，接下来的工作重点将是利用目前的全蛋白质组协同进化分析，建立起蛋白质与蛋白质之间相互作用的精准链路。

研究代表：Kinematic self-replication in reconfigurable organisms

通讯作者：Sam Kriegman、Douglas Blackiston和Michael Levin

论文链接：https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118

如果你对机器人的印象还只是“坚硬的外壳”和“插着线路的设备”，那是时候该改变这种刻板印象了。世界上已经出现可以生娃的机器人了！今年10月，来自美国佛蒙特大学、塔夫茨大学以及哈佛大学 Wyss研究所的科学家创造了有史以来第一个可以“繁殖”的活体机器人。早在去年，研究团队利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮肤和心脏细胞，创造了首个活体机器人“Xenobots”；而今年，团队实现跨越性突破，创造出可以自我复制的Xenobots 3.0。首先，研究人员采集非洲爪蟾胚胎中的干细胞，并将它们分离成单个细胞进行孵化。随后研究人员使用微型镊子和更小的电极，将细胞切割并在显微镜下连接到计算机所指定的设计中。细胞会组装成自然界中从未见过的形态，然后开始协同工作。当成群的Xenobots聚集到一起，可以实现周而复始的不断复制行为。这一发现让团队看到了活体机器人朝着再生医学发展的前景，未来在医学领域有望提供更多疾病解决方案。

一直以来，活体机器人在科学界备受争议。这次的技术突破让机器人“生孩子”，更是引来舆论一片哗然。对此，北京航空航天大学教授叶盛认为，这种“活体”机器人介于生物和机器之间，在行为模式上与已有的机器人“非常类似”。但目前它们还没有离开实验室后在自然界里独立生存的能力，因此短时间内，不会对人类社会产生威胁。未来，“活体”机器人或许还可为外伤、先天缺陷、癌症、衰老等提供更直接、更个性化的药物治疗。人类还可以通过编程让它们清除水体中的微塑料，将靶向药物运送到患者体内，以及助力疫苗研发等。

图源：https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118

研究代表：Efficient treatment and pre-exposure prophylaxis in rhesus macaques by an HIV fusion-inhibitory lipopeptide

通讯作者：何玉先

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867421013829

自1981年首次发现艾滋病病例以来，人们就意识到，艾滋病疫苗是终结该病的最有效手段之一。但遗憾的是，目前尚无艾滋病疫苗投入临床应用。此前在发表于《细胞》期刊上的研究论文中，中国科学家通过团队合作，发现了艾滋病的强效治疗和预防药物。他们对具有高度潜力的HIV脂肽病毒融合抑制剂LP-98进行了深入钻研。结果表明，LP-98能够有效治疗、预防SHIV（一种HIV和猴免疫缺陷病毒的嵌合病毒），部分受试的恒河猴甚至在停药后实现了病毒稳定控制。此外，他们还发现CD8+T细胞对停药后的病毒控制起到了关键作用。科研团队表示，后续将致力于推动LP-98的临床试验，验证其临床预防和治疗效果，同时深入研究病毒潜伏与停药控制的机制，为治疗药物提供新的靶点选择。

据世界卫生组织统计，2020年全球约有3770万艾滋病毒感染者，68万人死于艾滋病毒相关原因。而中国疾控中心发布的《中国疾控中心周报》显示，截至2020年底，我国共有105.3万人感染艾滋病病毒，累计报告死亡35.1万人。对艾滋病患者来说，长期服药是一种有效方式。但所谓“是药三分毒”，长此以往，患者体内也会积累大量毒素。该项新研究，或将真正帮助患者摆脱终身服药的魔咒。

研究代表：Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo

通讯作者：Tao Tan和Jun Wu

论文链接：https://lasers.llnl.gov/news/laser-improvements-contributed-record-fusion-experiment

2019年，西班牙科学家Juan Carlos Izpisua领导的研究团队通过使用先进的技术，将人类干细胞注入猴胚胎中，成功培育了世界首例“人猴杂交胚胎”。如今，“人猴杂交胚胎”又迎来最新突破。研究人员在4月15日发表在《细胞》杂志上的一份新论文中指出，在之前的研究基础上，将人类干细胞注射到灵长类动物食蟹猴的胚胎中，所获得的嵌合胚胎存活了将近20天。

从长远来看，人类 - 动物胚胎嵌合体不仅可以用于研究人类早期发育并为疾病建模，而且可以开发新的药物筛选方法，并潜在地产生可移植的细胞、组织或器官。也就是说，它们将为人体器官移植铺平道路。

图源：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00305-6#%20

研究代表：Unearthing Neanderthal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments

通讯作者：Benjamin Vernot和Matthias Meyer

论文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abf1667

脱氧核糖核酸，简称DNA，它可以揭示生命体独一无二的信息。一直以来，考古学家尝试在洞穴中寻找古人类的牙齿或骨头，希望能推测出我们祖先的生活方式。如今，有了一种新技术，可以通过提取洞穴沉积物中的DNA，检测古人类的存在。科学家不再需要找到骨头，只需要搜集洞穴中的泥土即可。今年4月，这项发表在《科学》期刊的研究，研究人员首次从欧洲3个不同洞穴的泥土里，进行DNA提取，并获得尼安德特人（Neanderthal）的遗传物质。团队采集了大约75个样本，样本中约有四分之三含有古代人类DNA。对此，研究团队进行一系列测序与分析工作，发现洞穴中曾有2种不同的尼安德特人血统，其中一种进化出了更大的大脑。这一突破意味着即使没有骨骼遗骸，科学家也有可能获得古人类的DNA序列，以构建更完整的古代人类图景。

这项研究通过分析土壤中的DNA来研究古人类，这其中也是一种对“环境 DNA”的探索。奥塔哥大学的分子生态学家迈克尔克纳普表示，如今仅仅用一点泥土，便可以对整个基因组中的遗传物质进行测序（核DNA），它提供了更多关于一个物种的信息。对于这项研究，北京古脊椎动物与古人类研究所古遗传学家付乔梅表示，研究中所进行的DNA分析，通过使用核DNA清楚地观察到证据，这一突破更令人兴奋。

图源：DOI: 10.1126/science.abf1667

研究代表：Many-body–localized discrete time crystal with a programmable spin-based quantum simulator

通讯作者：T. H. Taminiau

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0603

2012年，诺贝尔奖获得者物理学家Franck Wilczek首次提出“时间晶体”的概念。它是一种4维以上的空间晶体晶格，在时空中拥有一种超短程的周期性结构运动。时间晶体的主特质是超对称粒子的超对称破缺，并粒子组合在空间轴线做非平移运动，揭示了“超额外维度”粒子的客观存在。微软和马里兰大学的科学家们在发表在《科学》的论文中表示，他们使用了一种特殊的量子计算机，成功地建立了一个多体局部离散的时间晶体。时长持续了大约8秒，对应800个振荡周期。

有了这种4维晶体，科学家们将拥有一种全新的，更加有效的手段对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用行为进行研究，同时也能够研究物理学中所谓的“多体问题”。因为时间晶体的性质，永动机将成为现实。因此时间晶体的发现和证实是具有突破性的，对于人类科技的发展有着重要的意义。

图源：DOI：10.1126/science.abk0603

研究代表：Therapeutic alphavirus cross-reactive E1 human antibodies inhibit viral egress

通讯作者：James E. Crowe Jr.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.07.033

时至今日，新冠疫情依旧威胁着人类生命。从新冠病毒肆虐以来，医学界一直着手研究抑制病毒的方法，而单克隆抗体治疗（mAbs）在这方面展示出了巨大的潜力。从去年开始，科学家针对单克隆抗体疗法对新冠病毒的疗效展开了一系列研究。今年，单克隆抗体在对抗新冠病毒和其它威胁生命的病原体方面取得了进展，包括呼吸道合胞病毒（RSV）、艾滋病毒和疟疾寄生虫。今年8月发表在《细胞》上的研究显示，美国研究团队分离出可阻止甲病毒感染（可导致脑炎和关节炎疾病）的人类单克隆抗体，为这项疾病的治疗带来了新希望。随着克隆、动物模型和X射线晶体学的进步，研究人员现在可以制造和筛选比以往更多的单克隆抗体，而针对流感以及其它病毒的单克隆药物也正在开发中，未来这项治疗技术有望进一步提升其疗效。

单克隆抗体作为靶向治疗药物，具有特异性强、疗效显著及毒性低等特点，被誉为“生物导弹”，在多种疾病治疗上显示出极好的疗效和广阔的应用前景。在应对病毒性传染病上，具有中和作用的单克隆抗体可以特异性地中和病毒，阻止病毒进入细胞内增殖，既可作为高危人群的短期预防，也能用于病毒感染后疾病的治疗，因此也是全球新冠疫情防控研究的热点。在今年的研究中，单克隆抗体进一步有效打击传染病病毒，这也证实了其在未来的医疗上具有更大的应用价值。

图源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.07.033

研究代表：First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics

研究机构：费米科学实验室（Fermilab）

参考资料：https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/

可以说，标准模型是物理最伟大的成就之一。但是，建立这么多年之后，人们开始慢慢发现所谓的标准模型并不那么“标准”，宇宙中还有新的现象没法解释，还有新的粒子没有被发现。根据标准模型的描述，基本粒子都具有自旋，那么具有电荷的粒子则存在磁距。所以像电子和缪子这样的粒子，它们就存在着内禀磁距。而存在磁距，则就意味着，当它们在磁场中运动时，会存在进动，就像陀螺那样的摆动！进动频率的大小则是由磁距的大小决定，所以通过测量这个进动频率的大小便可确定其磁距。2021年4月7日，美国的费米科学实验室公布了他们有关缪子反常磁距测量的第一批实验数据，根据数据显示，缪子反常磁距的实验数据与理论预测的偏差，达到了前所未有的4.2σ。

这一精度，标志着有50年历史的粒子物理标准模型预言失败，也暗示着有可能会出现新物理。所以对于基础科学来说，这是一个无比震惊的消息。在这个已有几十年没有重大发现的基础物理中，它就像一缕甘泉，让我们即将干枯的科学看到了曙光！

图源：https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/

研究代表：Psychedelics and Other Psychoplastogens for Treating Mental Illness

通讯作者：T. H. Taminiau

论文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpsyt.2021.727117/full

迷幻药拥有能够改变人类精神状态的力量，因此人们认为它们有可能缓解精神疾病，但很少有大型、严格的试验表明它们的有效性。今年，科学家们在该领域取得了重大胜利。一项多中心的随机对照试验发现，3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺（MDMA），也就是我们常说的“摇头丸”的主要成分，显著减轻了创伤后应激障碍(PTSD)患者的症状。76名受试者，部分接受了3次MDMA治疗，部分接受了安慰剂指导治疗课程。2个月后，67%接受MDMA治疗的患者不再有PTSD症状，而安慰剂组则仅有32%。以上数据说明，MDMA作为辅助治疗手段，对PTSD疗效显著。

根据中国疾病控制中心精神卫生中心2009年公布的数据，中国的重性精神障碍患者约 1600 万人。而MDMA辅助疗法是一种潜在的突破性治疗方法，它能通过纠正抑郁症等疾病的潜在病理生理学，使我们离真正治愈精神疾病更近一步。

图源：https://doi.org/10.3389/fpsyt.2021.727117

研究代表：Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator

通讯作者：G. Semeghini、H. Levine和A. Keesling

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8794

1973年，诺贝尔物理学奖得主菲利普·沃伦·安德森（Philip Warren Anderson）首次提出了一种新物质状态—量子自旋液体。然而，近50年来，从未有人见过这种物质状态。在一篇发表于《科学》期刊上的研究论文中，哈佛大学一个物理学家团队通过实验模拟并分析了这种奇异的物质状态。量子自旋液体与磁铁和其中电子旋转的方式有关。在普通磁铁中，当温度降到一定温度以下时，电子就会稳定下来，形成一块具有磁性的固体物质。在量子自旋液体中，电子在冷却时不稳定，不会形成固体，并且在不断变化和波动，如同液体一般。研究人员表示，从这项研究中学到的知识有朝一日可能会为设计更好的量子材料和技术提供帮助。

量子自旋液体这种物质状态，一直是量子计算技术中的主要焦点。量子计算通过量子态的受控演化实现数据的计算处理，理论上具有经典计算无法比拟的超强信息携带和并行处理能力。科学家预测，它未来将是科技加速演进的“催化剂”，对物理化学等基础科学研究、新型材料与医药研发、信息安全与国防建设、资源勘探与人工智能等众多领域产生重大影响。

研究代表：Origins and evolution of extreme life span in Pacific Ocean rockfishes

通讯作者：Sree Rohit Raj Kolora、Gregory L. Owens和Juan Manuel Vazquez

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg5332

随着现代医疗水平的提高，人类的寿命也有所延长。但是同为脊椎动物，有的太平洋岩鱼可以活200多岁，有的却只能活10岁左右。这种差异，使得岩鱼成为了一种独特的属目，科学家可以通过分析从而确定与长寿相关的基因。在发表于《科学》期刊上的一篇研究论文中，美国科学家收集了88种岩鱼的组织样本，并使用最先进的技术做了全基因组测序。他们发现，长寿的岩鱼（活到105年以上），体内有着丰富的DNA修复通路。这就表明，如果能及时修复这些受损DNA，生物体衰老的速度会减慢。此外，他们还确定了137个和长寿相关的基因。这些基因具有免疫抑制效果，使长寿的岩鱼不大可能出现炎症反应，这一点也符合机体衰老会出现炎症反应的理论。

该研究论文是《科学》期刊第46期的封面论文，重点强调了该项研究对理解人类寿命有着重要意义。据复旦医学博士搭建的科普账号“时光派”透露，长寿动物是目前的科学重点研究对象，因为人类渴望从它们身上借鉴长寿秘诀。

图源：https://www.science.org/toc/science/374/6569

研究代表：CRISPR-Cas9 In Vivo Gene Editing for Transthyretin Amyloidosis

研究作者：Julian D. Gillmore、Ed Gane、Jorg Taubel 等

论文链接：https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2107454

CRISPR技术是一种简单而强大的基因组编辑工具。它使研究人员能够很容易地改变DNA序列和修改基因功能。它的许多潜在应用包括纠正遗传缺陷、治疗和防止疾病传播以及改良作物。美国Intellia Therapeutics公司和再生元公司的科学家称，治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性多发性神经病（ATTR）的CRISPR基因编辑疗法NTLA-2001在Ⅰ期临床试验中取得积极结果：单剂NTLA-2001导致血清中的转甲状腺素蛋白（TTR）水平平均下降87%，最大可达96%。

这是首批支持体内CRISPR疗法安全性和效果的临床数据，如果该疗法能够被证实有效，那CRISPR将能解决更多疾病，有望开启医学新时代。

图源：https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2107454

研究代表：Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis

通讯作者：Alejandro Aguilera-Castrejon、Itay Maza和Jacob H. Hanna

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03416-3

今年，科学家在“体外培养动物胚胎”方面实现了新突破。3月份时，发表在《自然》上的一项研究描述了科学家第一次成功在子宫外培育出哺乳动物的胚胎。通常情况下，小鼠胚胎在母鼠体外生长的时间为3到4天。但是，这次研究团队从受精后的雌性小鼠身上提取胚胎并进行培养，这个胚胎持续生长了11天！而且这个实验室培养的胚胎与自然生长的胚胎非常一致。实现这一突破离不开研究团队所设计的机器，这个机器由两部分系统组成，包括一个孵化器以及一个通风系统。其中，胚胎被放在一个小瓶位置，里面含有特殊营养液。系统有一个轮子，保持胚胎旋转，以防止它们粘在小瓶的壁上，同时也防止了胚胎变形而导致的死亡。研究人员称，这是一项了不起的成就，为胚胎发育探索过程提供了新线索，对生命的孕育和培养有了新的认识。

体外培养系统是生物学家研究与预测活体发育状态的有效方式之一。在动物与人类胚胎发育方面，建立完善的胚胎体外培养系统，可以缩短研究时程、节省时间与人力成本的支出。中国医药大学生物医学研究所教授朱志成认为，此项技术性的重大突破，有助于研究胚胎发育与减少动物生命的无谓牺牲，未来有望应用于研究人类胚胎发育与不孕症（包括在母体外培育出完整的后代），还可能可以利用类似的体外培养系统培养出人类器官。

代表研究：IL-27 signalling promotes adipocyte thermogenesis and energy expenditure

通讯作者：Zhinan Yin、Dehai Li和Guangchao Cao

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04127-5

此前的研究表明，胰岛素耐受不仅是肥胖的原因，而且还会引起一系列代谢性疾病，包括2型糖尿病、脂肪肝等。因此，如果能改善胰岛素耐受的问题，就有可能找到更佳的肥胖治疗途径。11月24日，暨南大学尹芝南教授团队在《自然》期刊上发表论文，首次发现白细胞介素（IL-27）可以直接靶向作用于脂肪细胞，并促进脂肪细胞产热，通过燃烧脂质，消耗卡路里，轻松减肥。更为关键的是，IL-27可改善2型糖尿病，为肥胖及其相关代谢性疾病的治疗提供了新的靶点和潜力药物。尹芝南教授介绍，这一工作历时七年，是团队成员共同努力的结果，所以非常期待将这一治疗靶点产业化。

随着全球超重与肥胖人群比例逐年攀升，寻找新的治疗靶点，尤其是直接靶向脂肪细胞的分子尤为迫切。而这项研究揭示了IL-27在其中的重要作用，可以在不用限制饮食，不用节食的情况下改善2型糖尿病。IL-27是体内正常表达的分子，不是人工合成的外源性化合物，因此安全性高，并具有巨大的临床应用潜力和市场价值。

研究代表：Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons

通讯作者：Lior Appelbaum

论文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00933-3#%20

世界上的绝大部分生物都需要睡觉，包括人类、蛔虫、水母等等，但是你有想过，我们为什么要睡觉吗？问题虽然简单，却困扰了无数人很多年。终于，以色列巴伊兰大学的科学家在《细胞》上发表的论文中做出了解答。当我们清醒时，体内的稳态睡眠压力会增加，保持清醒的时间越长，这种压力就越大。此外，紫外线、神经元活动、辐射、氧化应激等因素会造成神经元中的DNA持续损伤。DNA损伤是让人发困的驱动因素。当DNA损伤的积累达到最大值时，稳态睡眠压力便会触发人睡觉的冲动。过度的DNA损伤会给人体带来危险，而进入了睡眠状态则可以“召唤”DNA修复系统。研究还发现，至少需要睡6小时才能减少稳态睡眠压力并修复DNA损伤。

这一新发现首次从细胞层面导出了睡眠的“故事链”，可以帮助科学家解释睡眠障碍、衰老和神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默症）之间的联系。研究人员相信，未来的相关研究将能拓展到更多其他的动物，包括从低级无脊椎动物到人类。

图源：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00933-3#%20

生命不息，科研不止。科学的伟大进步，得益于创新与大胆的想象力。每一次学术突破，都是通往理想未来的基石，帮助人类构建更完美的世界。

撰文：黎紫嫣、徐玲玲、肖苏雅