2016年度中國科學十大進展發布

2017年2月20日，科技部基礎研究司與科技部高技術研究發展中心聯合召開「2016年度科學十大進展解讀會」，發布了2016年度科學十大進展：研製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；開創煤制烯烴新捷徑；揭示水稻產量性狀雜種優勢的分子遺傳機制；提出基於膽固醇代謝調控的腫瘤免疫治療新方法；揭示RNA剪接的關鍵分子機制；發現精子RNA可作為記憶載體將獲得性性狀跨代遺傳；研製出首個穩定可控的單分子電子開關器件；構建出世界上首個非人靈長類自閉症模型；揭示胚胎發育過程中關鍵信號通路的表觀遺傳調控機理；揭示水的核量子效應等10項重大科學進展。

「科學十大進展」遴選活動由科技部高技術研究發展中心舉辦，至今已成功舉辦12屆，旨在宣傳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。

科學十大進展遴選程序分為推薦、初選和終選3個環節。《基礎科學》、《科技導報》、《科學院院刊》、《科學基金》和《科學通報》5家編輯部推薦了278項科學研究進展，所推薦的科學進展須是在2015年12月1日至2016年11月30日期間正式發表的研究成果。

2016年1月，科技部高技術研究發展中心組織召開了科學十大進展初選會議，按照推薦科學進展的學科分佈，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。終選採取網上投票，邀請科學院院士、工程院院士、973計劃顧問組和諮詢組專家、973計劃項目首席科學家、國家重點實驗室主任等2000餘名專家學者對30項候選科學進展進行網上投票，得票數排名前10 位的科學進展入選「2016年度科學十大進展」。

2016年度科學十大進展進展簡介

1. 研製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，並有助於降低二氧化碳排放對氣候造成的不利影響。實現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。最近報道顯示基於金屬氧化物還原得到的金屬比通過其它方法製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，科學技術大學謝毅和孫永福研究組製備了四原子厚的鈷金屬層和鈷金屬/氧化鈷雜化層。他們發現在低過電位下，相對於塊材表面的鈷原子，原子級薄層表面的鈷原子具有更高的生成甲酸鹽的本徵活性和選擇性。而部分氧化的原子層進一步提高了它們的本徵催化活性，在過電位僅為0.24伏下實現了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。該研究工作有助於讓研究者重新思考如何獲得高效和穩定的CO2電還原催化劑。相關研究論文發表在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展不管從哪個角度看都是積極樂觀的。」

2. 開創煤制烯烴新捷徑

烯烴是與人們日常生活息息相關的重要化學品。是烯烴消費大國，其傳統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展和實際應用。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，開發出了一種過渡金屬氧化物和有序孔道分子篩複合催化劑，成功實現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託過程的極限，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生受限偶聯反應，成功實現了目標產物隨分子篩結構的可控調變。相關研究論文發表在2016年3月4日《科學》(Science [351(6277):1065—1068])上。《科學》同期以 「令人驚奇的選擇性」為題刊發了專家評論和展望，稱讚該研究在原理上的突破將帶來在工業上的巨大競爭力。該研究並被產業界同行譽為「煤轉化領域裡程碑式的重大突破」。

3. 揭示水稻產量性狀雜種優勢的分子遺傳機制

不斷提高穀物產量以保障全球糧食安全是作物遺傳育種的長期目標。雜種優勢是指通過雜交使後代展現出比父本和母本具有更優勢性狀的現象，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勢的遺傳基礎，科學院上海植物生理生態研究所韓斌和黃學輝研究組與水稻所楊仕華合作，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。他們因此系統鑒定了與水稻產量雜種優勢相關的遺傳位點，並將現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。他們發現，雖然在所有雜交稻中並沒有完全相同的與雜種優勢相關的遺傳位點，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勢有重要貢獻。這一發現將有利於進行高效的雜交優化配組，以快速獲得具有高產、優質和抗逆的雜交品種。相關研究論文以長文形式發表在2016年9月29日《自然》(Nature[537(7622): 629—633])上。

4. 提出基於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。但現有的基於信號轉導調控的腫瘤免疫治療手段只對部分病人有效，因此急需發展新的方法讓更多的病人受益。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，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。他們還發現ACAT1抑製劑Avasimibe(作為用於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，並且能與現有的臨床藥物PD-1抗體聯合治療來獲得更好的腫瘤免疫治療效果。他們的研究開闢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；同時發現ACAT1這一新的治療靶點，拓展了ACAT1小分子抑製劑的應用前景，為腫瘤免疫治療提供了新思路與新方法。相關研究論文發表在2016年3月31日《自然》Nature[531(7596):651—655]上。《自然》發表的同行評論指出：「這項研究成果可能開發成抗腫瘤和抗病毒的新藥物」。《細胞》發表的同行評論指出：「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。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的高解析度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，創新性地利用酵母內源性蛋白提取獲得了性質良好的樣品，並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後，在2016年取得重大突破，相繼解析了3個關鍵工作狀態下剪接體的近原子解析度結構(即3.5埃的激活狀態剪接體Bact complex、3.4埃的第一步催化反應后複合物C complex以及4.0埃的第二步催化激活狀態下的C* complex)以及一個剪接體組裝過程中重要複合物的高解析度結構(即3.8埃的預組裝複合物U4/U6.U5 tri-snRNP)。這4項進展均以長文的形式先後發表在2016年的《科學》周刊上(Science 351:466-475; 353:895-904；353:904-911; aak9979)。這4個高解析度結構所代表的剪接體狀態，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展。

6. 發現精子RNA可作為記憶載體將獲得性性狀跨代遺傳

越來越多的證據顯示，隨著生活環境和飲食結構的巨大改變，高脂飲食導致的肥胖等代謝性疾病，可以「記憶」在精子中並遺傳給下一代，導致後代肥胖。這種獲得性遺傳形式對人類繁衍及後代健康具有深遠的影響。精子介導的這種獲得性遺傳機制涉及DNA序列之外的表觀遺傳信息在精子中的存儲及傳遞，破解這類表觀遺傳信息是本領域的一個主要挑戰。科學院動物研究所周琪、段恩奎研究組與科學院上海營養科學研究所翟琦巍研究員合作，基於高脂肪飲食小鼠模型，發現精子中一類來源於tRNA的5』端序列的、大小富集在30—34nt的小RNA (tsRNAs)在高脂飲食下發生了表達譜和RNA修飾譜的顯著改變。分離高脂小鼠精子中的tsRNAs片段並注射到正常受精卵內，可誘導F1子代產生代謝性疾病。高脂小鼠精子的tsRNAs進入受精卵后導致早期胚胎及後代小鼠胰島中代謝通路基因發生顯著改變。該研究第一次從精子RNA角度為研究獲得性性狀的跨代遺傳現象開拓了全新的視角，提出精子tsRNAs是一類新的父本表觀遺傳因子，可介導獲得性代謝疾病的跨代遺傳。相關研究論文發表在2016年1月22日《科學》(Science [351(6271):397—400])上。文章發表以後被廣泛引用和評價，引起國際各大媒體的關注。

7. 研製出首個穩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展的瓶頸意義重大。實現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，設計構築穩定可控的單分子器件，探索其與微電子工藝的兼容性，並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性地發展了以石墨烯為電極、通過共價鍵連接的穩定單分子器件的關鍵製備方法，解決了單分子器件製備難、穩定性差的難題。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誕生了世界首例真實穩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、穩定性和可重現性，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。相關研究論文發表在2016年6月17日《科學》(Science[352(6292):1443—1445])上。《科學》同期配發評述文章認為：「該研究展示了在納米尺度上對物質的精緻控制」。

8. 構建出世界上首個非人靈長類自閉症模型

自閉症(也稱孤獨症)是一類多發於青少年的發育性神經系統疾病，患者表現出社交障礙、重複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現自閉症的患病率逐年升高，引起社會各界廣泛關注。作為人口大國，預計全國自閉症患者近千萬。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台孫強團隊合作，通過構建攜帶人類自閉症基因MECP2的轉基因猴模型並對轉基因猴進行分子遺傳學與行為學分析，發現MECP2轉基因猴表現出類似於人類自閉症的刻板動作與社交障礙等行為。他們並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，且發現其在社交行為方面表現出了與親代相同的自閉症樣表型。這是世界上首個自閉症的非人靈長類模型，為深入研究自閉症的病理與探索可能的治療干預方法做出了重要貢獻。相關研究論文發表在2016年2月4日《自然》(Nature[530(7588):98—102])上。

9. 揭示胚胎髮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育成為高度複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。近年研究發現，TET雙加氧酶家族蛋白(TET1/2/3)可以氧化5-甲基胞嘧啶，引發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髮育過程中究竟起什麼作用還不清楚。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，通過一系列形態發育特徵的檢測，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，發現了TET三個成員之間功能上相互協作，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育生物學領域的基本重大問題出發，著眼於人類新生兒出生缺陷的可能機理和防治，第一次系統地揭示了胚胎發育過程中關鍵信號通路的表觀遺傳調控機理，為發育生物學的基本原理提供了嶄新的認識。相關研究論文發表在2016年10月27日《自然》(Nature[538:528—532])上。

10. 揭示水的核量子效應

對於大多數材料體系而言，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，由於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。由於氫核的量子化研究無論對於實驗還是理論都非常具有挑戰性，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，並由此測得了單個氫鍵的強度；開發了基於第一性原理的路徑積分分子動力學方法，實現了對電子量子態和原子核量子態的精確描述。基於此，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於室溫的熱能，氫核的「非簡諧零點運動」會弱化弱氫鍵、強化強氫鍵，這個物理圖像對於各種氫鍵體系具有相當的普適性。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，將有助於理解水和其他氫鍵體系的很多反常特性。相關研究論文發表在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傑作」；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」。