“2019年度中国科学十大进展”发布
2020-04-08 阅读量:91 来源:机智网
        据科技部网站327日消息,2020227日,科学技术部高技术研究发展中心(基础研究管理中心)发布了2019年度中国科学十大进展。
         中国科学十大进展遴选程序分为推荐、初选和终选3个环节。2019年度,《中国基础科学》《中国科学院院刊》等5家编辑部共推荐了320项科学研究进展,所推荐的科学进展皆是在2018121日至20191130日期间正式发表的研究成果。
        201912月,科学技术部高技术研究发展中心组织召开了2019年度中国科学十大进展初选会议,邀请专家从推荐的科学进展中遴选出了30项进展进入终选。终选采取网上投票方式,邀请中国科学院院士、中国工程院院士、国家重点实验室主任等2600余名专家学者对30项候选科学进展进行网上投票,得票数排名前10 位的科学进展入选“2019年度中国科学十大进展
1.构架出面向人工通用智能的异构芯片
 
        发展人工通用智能(AGI)的方法一般有两种:以计算机科学为导向或以神经科学为导向,将两者结合是目前公认的最佳发展AGI的路径。由于它们的构想和编码方案有着根本的不同,这两种方法依赖于截然不同且互不兼容的计算平台,非常困难构建一个二者集成的计算平台,从而阻碍了AGI的发展。因此,发展一个能够同时支持流行的基于计算机科学的人工神经网络和受神经科学启发的模型和算法的通用平台非常重要。清华大学施路平研究组与合作者提出了一种天机芯片架构,它高效集成了上面的两种方法,提供了一个异构集成的协同计算平台。
        该芯片采用多核结构、可重构构件和流线型数据流的混合编码方案,既能同时独立支持基于计算机科学的机器学习算法和神经科学主导的算法以及神经科学中的多种编码方案,还支持两者的异构混合建模,提供新的解决方案。研究人员仅使用一个芯片,演示了无人驾驶自行车系统中通用算法和模型的同步处理,实现了实时目标检测、跟踪、语音控制、避障、过障和平衡控制。该项研究有望为更通用的硬件平台发展铺平道路并推动AGI的发展。
图.项目研制的天机异构芯片
2.青藏高原发现丹尼索瓦人
        丹尼索瓦人是一支已经消失的神秘古人类,过去对他们的了解主要基于仅出土于西伯利亚丹尼索瓦洞的少量化石碎片以及保存在其中的高质量的古基因信息。遗传学研究显示,丹尼索瓦人对一些现代低海拔东亚人群和高海拔现代藏族人群有基因贡献,对现代藏族人群的高海拔环境适应有重要意义。由于缺乏化石形态学信息,科学家很难评估丹尼索瓦人与分散在亚洲和其他地区的丰富的古人类化石之间的联系,也很难准确理解丹尼索瓦人与现代亚洲人群的关系。
        此外,现代藏族等青藏高原人群特有的高海拔环境适应基因来源,特别是其是否继承自丹尼索瓦人等,是非常重要而亟待解决的科学问题。中国科学院青藏高原研究所陈发虎研究组、兰州大学张东菊研究组联合德国马普学会进化人类学研究所JeanJacques Hublin研究组等合作者,报道了一个利用古蛋白质分析方法鉴定为丹尼索瓦人的下颌骨,该下颌骨来自于中国甘肃省夏河县的白石崖溶洞。研究人员通过对化石上附着的碳酸盐结核进行铀系法测年,确定下颌骨至少有16万年的历史。该化石标本是丹尼索瓦洞以外发现的首件丹尼索瓦人化石证据,对标本的全面分析也为丹尼索瓦人研究提供了丰富的体质形态学信息,包括下颌和牙齿形态等信息。该项研究表明,早在现代智人到来之前,丹尼索瓦人在中更新世晚期就已经生活在青藏高原高海拔地区,并成功地适应了高寒缺氧环境。
图.夏河下颌骨化石
3.揭示非洲猪瘟病毒结构及其组装机制
        非洲猪瘟病毒(ASFV)是一个巨大而复杂的DNA病毒,能够引发家猪、野猪患急性、热性、高度传染性疾病,发病率和死亡率可高达100%,对生猪养殖产业链造成巨大经济损失,目前尚未有可用的疫苗。中国科学院生物物理研究所饶子和/王祥喜团队和中国农业科学院哈尔滨兽医研究所步志高团队联合上海科技大学等单位,在上海科技大学冷冻电镜中心连续收集了高质量数据,采用一种优化的图像重构策略,解析了非洲猪瘟病毒衣壳的三维结构,其分辨率达到41埃。该衣壳颗粒体型巨大且结构复杂,由17280个蛋白亚基组成,其中包括1种主要(p72)和4种次级衣壳蛋白(M1249Lp17p49H240R),它们组装成五重对称体和三重对称体的复合结构。
        主要衣壳蛋白p72原子分辨率结构展示出非洲猪瘟病毒潜在的构象型抗原表位,与其他的核胞质大DNA病毒((NCLDV)显著不同。次级衣壳蛋白在衣壳内表面形成了一个复杂的蛋白相互作用网络,通过调控相邻的病毒壳微体之间的作用力介导衣壳的组装并稳定了衣壳的结构。作为核心的组织者,100纳米长的M1249L蛋白沿着三重对称体的每个边缘桥接了两个相邻的五重对称体,与其他衣壳蛋白形成了延伸的分子间网络,驱动了衣壳框架的形成。这些结构细节揭示了衣壳稳定性和组装的分子基础,对非洲猪瘟疫苗的研发具有十分重要的理论指导意义。
 
图.非洲猪瘟病毒衣壳蛋白结构及其组装
4.提出基于DNA检测酶调控的自身免疫疾病治疗方案
 
        病毒的种类成千上万,其感染特点和致病方式也是千变万化,但是万变不离其宗的是,当病毒入侵时,其自身的遗传物质会不可避免地被带入到宿主细胞中。机体针对这些外源遗传物质(如DNA等)迅速做出反应,甚至不惜以伤及自身为代价,这是病毒感染导致致死性炎症的主要原因。关于外源DNA诱发免疫反应的认识可以追溯到上百年之前,然而其背后的机理并不清楚。2013年,这一领域国际上取得了重要突破,科学家鉴定发现蛋白质cGAS(环鸟苷酸-腺苷酸合成酶)是胞内DNA病毒感受器。随着cGAS被揭示,科学家发现在检测病毒入侵以外,cGAS的异常激活也直接导致一类自身免疫疾病。因此,寻找有效控制cGAS活性的手段并探究其调控机理,对抵抗病毒感染及自身免疫疾病的治疗都至关重要。
        军事医学研究院(国家生物医学分析中心)张学敏和李涛研究组与合作者发现,乙酰化修饰是控制cGAS活性的关键分子事件,并揭示了其背后的调控规律。研究人员鉴定了cGAS3个关键乙酰化位点(K384K394K414),发现其中任何一个位点发生乙酰化修饰,都可以致使cGAS失去活性。进而,研究者发现乙酰水杨酸(阿司匹林)可以强制cGAS在上述关键位点上发生乙酰化从而抑制其活性。此外,对cGAS调控机制的进一步探究发现,cGAS在胞内是以复合物形式存在并发挥功能的。研究人员利用蛋白质质谱技术鉴定到了cGAS的关键调控因子——G3BP1。机制研究揭示G3BP1cGAS结合,通过帮助cGAS形成多聚物确保其能更高效地识别DNA。在缺失G3BP1的情况下,细胞中cGAS的活性明显降低。重要的是,绿茶茶多酚的主要成分、天然小分子化合物EGCGG3BP1的抑制剂。研究人员发现EGCG能够通过干扰G3BP1cGAS的相互作用,抑制cGAS激活。上述研究不但揭示了机体抗病毒感染的关键调控机制,还发现了有效的cGAS抑制剂,为AGS(艾卡迪综合征)等自身免疫疾病提供了潜在治疗策略。
 
图.cGAS结构及其3个关键乙酰化位点
5.探测到月幔物质出露的初步证据
        月壳和月幔都是在月球演化的最初阶段形成的,撞击增生过程产生的能量造就了熔融的岩浆洋,较轻的富钙的斜长石组分上浮形成月壳,而诸如橄榄石、低钙辉石等较重的铁镁质矿物结晶下沉形成月幔。然而,从阿波罗(Apollo)和月神(Luna)探测任务返回的月球样品中没有发现与月幔准确物质组成有关的直接证据,关于月幔物质组成的推论至今没有被很好地证实。直径非常大的撞击坑有可能穿透月壳,使月幔物质被挖掘出来并可能被探测及取样。位于月球背面的南极-艾特肯盆地(SPA)直径约为2500公里,是月球表面最古老、最大的撞击构造,最有可能撞穿月壳。然而,从现有月球轨道器获得的遥感数据表明,虽然SPA区域的铁镁质矿物含量偏高,但并没有橄榄石广泛出露的证据。这些物质是否可能来源于月幔还存在争议。
        中国的嫦娥四号探测器最近成功着陆在月球背面SPA区域的冯·卡门撞击坑内,并利用搭载的月球车——玉兔2号开展了巡视探测。中国科学院国家天文台李春来研究组与合作者,报告了玉兔2号上配置的可见光和近红外光谱仪(VNIS)的初步光谱探测结果,分析发现了低钙(斜方)辉石和橄榄石的存在,这种矿物组合很可能代表了源于月幔的深部物质。进一步的地质背景分析表明,这些物质是由附近直径72公里的芬森撞击坑挖掘出来、并抛射到了嫦娥四号着陆地点的月幔物质。这一工作的意义在于揭示了月幔的物质组成, 为月球早期岩浆洋研究提供了新的约束条件,加深了对月球内部形成及演化的认识。玉兔2将继续探索冯·卡门撞击坑底部的这些物质,以了解它们的地质背景、起源和组成,为未来开展月球样品采样返回任务提供依据。
图:嫦娥四号着陆地点和抛射月幔物质的芬森坑
6.破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能
 
        光合作用利用太阳光把二氧化碳和水转换成有机物和氧气,为地球上几乎所有生物的生存提供了能源和氧气。为了适应不同的光环境,光合生物进化出了各种不同的色素分子和色素结合蛋白,由此来最大程度地利用不同环境下的光能。硅藻是一种丰富和重要的水生光合真核生物,占水生生物原初有机物生产力的40%,或地球总原初生产力的20%,在全球的碳循环中发挥了重要作用。硅藻在水生环境下成功繁殖的重要因素之一是因为它含有岩藻黄素/叶绿素结合膜蛋白(FCPs),该色素蛋白使硅藻具有独特的光捕获和光保护及快速适应光强度变化的能力。
        中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云研究组报道了海洋硅藻——三角褐指藻FCP的高分辨率晶体结构,揭示了蛋白支架内的7个叶绿素a2个叶绿素c7个岩藻黄素以及可能的1个硅甲藻黄素的详细结合位点,从而揭示了叶绿素ac之间的高效能量传递途径。该结构还显示了岩藻黄素与叶绿素之间的紧密相互作用,使能量通过岩藻黄素高效地传递和淬灭。该研究团队进一步与清华大学生命科学学院隋森芳研究组合作,解析了硅藻的光系统II PSII)与FCPII超级复合体的分辨率为30埃的冷冻电镜结构。该超级复合体由两个PSIIFCPII单体组成,每个单体包含了1个具有24个亚基的PSII核心复合体和11个外周FCPII天线亚基,其中的FCPII天线以2FCPII四聚体和3FCPII单体存在。整个PSIIFCPII二聚体包含230个叶绿素a分子、58个叶绿素c分子、146个类胡萝卜素分子以及锰簇复合物、电子传递体和大量脂分子等。该结构揭示了硅藻PSII核心中特有亚基的特点及其与高等植物PSIILHCII复合体明显不同的天线亚基排列方式,以及硅藻巨大的色素分布网络,为阐明硅藻高效的蓝绿光捕获、能量转移和耗散机制提供了坚实的结构基础。
        了更进一步理解水下光合作用,研究人员还基于冷冻电镜技术解析了广泛存在的与高等植物具有相似光合作用的水生生物——绿藻(假根羽藻)光系统IPSI)-捕光复合体ILHCI)超级复合体的结构,分辨率达到349埃。该结构揭示了包含有原核生物和真核生物亚基特性的13PSI核心亚基,以及10
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