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《自然》公布2019年十大论文成果:机器狗算法、近室温超导、精确基因编辑等上榜

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 Evelyn Zhang • 2019-12-16 18:36:35 来源:前瞻网 E3535G0

 今年,科研领域又诞生了诸多令人惊奇的发现。透过科研机构个平台发布的海量研究成果,学界学者们越来越感受到——这些振奋人心的进展,每一条都与我们息息相关。它们涵盖了天文、环境、物理、化学、医学等各个领域,包括我们比较熟悉的机器狗学习算法、接近室温超导体的发现、精确编辑基因、人类近亲等进展。

以下是《自然》最新评选出的今年的十项最重要研究相关论文,我们可以借此一瞥今年最具代表性的突破:

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全球鱼类捕获物中微量元素的丰富度——Daniel Pauly

鱼类体内拥有人体需要的微量元素,有助于预防营养缺乏症。但有些地区已经没有足够鱼吃,或者吃的并不是新鲜鱼肉,从而导致人体营养缺乏。

科学家们针对全球43个国家/地区,绘制了从渔获物中获取的鱼源营养与这种疾病的流行之间的关系图。他们的数据表明,某些发展中国家的渔获量应足以满足其人口的关键微量营养素需求。但是,在许多发展中的热带国家中,很大一部分当地渔获物被出口,又或者在当地用来加工生产鱼粉,然后将其出口并用于饲养养殖鱼。

当地渔业中,有许多原本为区域市场提供产品的,现在改成生产鱼饲料,为养殖鱼供货了。这不会减轻野生鱼类的压力。此外,它剥夺了低收入人群以前可以负担得起的,食用营养丰富的当地鱼类的机会。最初研究发表在:《自然》 574,95–98(2019)。

突变亨廷顿蛋白的选择性清除——Huda Y. Zoghbi

亨廷顿氏病是由亨廷顿蛋白(HTT)中的谷氨酰胺氨基酸残基异常长时间异常拉伸引起的。细胞通过自噬降解突变的亨廷顿蛋白(mHTT),这是一种清除机制,它依靠一种叫做自噬小体的囊泡,来吞噬蛋白质。

因此研究人员提出推测:同时能够与突变型聚谷氨酰胺束、驻留在自噬体中的蛋白质LC3B结合的化合物,会不会导致吞噬并增强mHTT的清除率?作者进行了小分子筛选,以鉴定候选化合物,并在反筛选中使用了野生型HTT,以排除与蛋白质的正常形式结合的化合物。

最后,团队找到了4种化合物,可以在3种物种的亨廷顿氏病模型中产生功能改善,缓解他们的病情。这种治疗策略也可能对涉及多聚谷氨酰胺扩展的疾病有用。最初研究发表在:《自然》 575,203–209(2019)。

海王星的新卫星——Anne J. Verbiscer

1989年,美国宇航局(NASA)太空船旅行者2号(Voyager 2)发现了海王星的六颗卫星,这些卫星位于该行星最大的卫星特里顿(Triton)的轨道内部。报告发现了第七颗内在的卫星,它被命名为Hippocamp。该卫星最初被指定为S / 2004 N 1和海王星XIV,在2004-05和2009年由美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的图像中被发现,然后在2016年进一步拍摄的图像中得到证实。它只有34公里宽,与较大的卫星同类比较,它的体积很小,绕着海王星的Proteus轨道运行,Proteus是海王星的第二大卫星。由于新卫星与Proteus的关系以及两个天体在海王星内部系统历史中可能扮演的角色,这一发现无疑令人着迷。最初研究发表在:《自然》 566,350–353(2019)。

接近室温条件下实现的超导性——James J. Hamlin

被称为超导体的材料,通常以100%的效率传输电能。它们具有广泛的应用,例如医院的核磁共振成像。但是,这些应用受到阻碍,主要是因为仅在远低于室温(295开尔文)的温度下才存在超导状态。

报告的几个关键结果证实,当压缩到大于大气压的一百万倍的压力时,富含氢的氢化镧化合物会在250 K时变成超导。在接下来的几年中,实验可能会集中在寻找在其他加压的富氢材料中具有超导性。考虑到只有一小部分可能的富氢系统已经在如此巨大的压力下进行了实验,因此在不久的将来实现室温超导梦想的可能性,似乎比以往任何时候都要大。

最初研究发表在:《自然》 569,528–531(2019)。

CRISPR工具可实现精确的基因组编辑——Randall J. Platt

科学家们在开发基因编辑工具方面取得了巨大进展。但是由于工具依赖于复杂而竞争的细胞过程,因此似乎已经对基因编辑的效率和精确度造成了根本的限制。CRISPR这个“搜索和替换”工具,已经可以精确地编辑基因。在整个的过程中,RNA向导的“搜索”部分将Cas9蛋白引导至DNA靶标中的特定序列,在其中剪切两条DNA链之一。然后,逆转录酶会产生与指南“替换”部分中的序列互补的DNA,并将其安装在切口的一端,以取代原始DNA序列。DNA修复然后产生完全编辑的双链体,几乎完全避免了之前不完美的编辑。最初研究发表在:《自然》 576,149–157(2019)。

格陵兰岛的冰下甲烷释放——Lauren C. Andrews

冰川和冰盖下的沉积物蕴藏着碳储量,在某些条件下可将其转化为甲烷(一种有效的温室气体)。 Lamarche-Gagnon等。目前,直接测量了夏季从格陵兰冰原的陆地终止冰川排出的水中溶解的甲烷。水中的甲烷过饱和,释放到大气中的甲烷数量可与其他陆地河流相媲美。因此,冰下沉积物可以作为甲烷的局部来源,从而证实了其他研究的结果。

通过论证格陵兰冰川下环境的甲烷持续通量随冰川下融水排放效率的变化而进一步发展。这项研究提供了一个示例,说明我们的行星冰冷域如何以意想不到且可能重要的方式与周围的地球系统相互作用。最初研究发表在:《自然》 565,73-77(2019)。

父系线粒体的命运——Thomas G. McWilliams和Anu Suomalainen

真核生物(例如动物、植物和真菌)的DNA存储在两个细胞区室:细胞核和线粒体细胞器中。健康人的线粒体DNA(mtDNA)分子基本相同。但是,在患有由mtDNA突变引起的疾病的人中,正常和突变的mtDNA分子通常共存于单个细胞中,这种情况称为异质性。

线粒体DNA被认为仅来源于母体卵细胞,没有父系贡献,但研究人员们对这一结论发起了质疑和挑战,并确定了由双亲线粒体遗传引起的mtDNA异质性的三个家族。先前的研究表明,线粒体吞噬是细胞“吃掉”自身线粒体的过程,在选择性消除父体线粒体中起一定作用。因此,父系mtDNA传播的这些罕见情况,可能归因于线粒体更新不足。

最初研究发表在:《科学美国》115,13039–13044(2018)。

奔跑的机器狗——Hod Lipson

人类可以运用相对的拇指和精细的运动技能来完成任务,例如毫不费力地剥掉柑桔的皮或在黑暗的走廊中寻找正确的钥匙。

尽管步行和抓握对于许多生物来说都很容易,但是众所周知——机器人这种仿人的“非生物”的步态运动和手动灵活性,都比较差。即使是在模拟中表现出色的机器人,越过几次看似很小的实体障碍,也会被绊倒。

Hwangbo等人在《科学机器人》(Science Robotics)上发表的报告指出,数据驱动的设计机器人软件的方法可以提高机器人的运动技能。他们使用ANYmal机器人(如图所示)演示了他们的方法,该机器人是中型狗大小的四足动物系统,最初研究发表在:Sci. Robot 4,eaau9354(2019)。

“双击”产生的“化学库”——Joseph J. Topczewski和En-Chih Liu

铜催化的反应,称为CuAAC反应,是点击化学的典型代表。如果反应(尤其是)操作简单,又高产,并适用于多种化合物,但选择性极高,则将其定义为点击化学。这时候发生反应的化学基团只能相互反应。CuAAC反应已在许多学科中使用,但如果更广泛地使用结构复杂的叠氮化物(包含N3基团)作为反应物,其应用范围将会更大。

如今,中科院Meng教授团队发现,FSO2N几乎可以与任何一级胺 (带有NH2基团) 反应,并且产率接近100%。报告指出,氟磺酰叠氮化物(FSO2N3)与几乎所有伯胺(含有NH2基团的化合物)反应,可得到接近100%的相应叠氮化物收率,并使用它们的试剂制备了1,224个叠氮化物库。他们的反应符合点击化学的速度、广度和效率标准。而且,所制备的叠氮化物溶液可以直接用于CuAAC反应中。最初研究发表在:《自然》 574,86-89(2019)。

在亚洲发现的未知人类近亲物种——Matthew W. Tocheri

近年来的发现,使学界重新审视“亚洲人是从非洲迁移到亚洲大陆”的旧观念。Détroit团队,在菲律宾发现了人类的近亲物种,并命名为Homo luzonensis (吕宋人) 。

报告说,人类亲属的非凡发现无疑将引发大量科学辩论。 这个新发现的物种在菲律宾被发现,并命名为lumoensis。

研究人员提供了更多的证据,表明直立人可能不是唯一踏遍地球的早期人类。H. luzonensis中观察到的有趣的特征组合提出了有关该物种的起源及其与其他人类亲属的关系的疑问。可以肯定地说一件事——我们在亚洲的人均氨基酸进化图变得更加混乱、更加复杂,并且更加有趣。最初研究发表在:《自然》 568,181–186(2019)。

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