信息与视频

《科学》评出2008年十大科学进展及2009年科研热点
www.casted.org.cn  日期:2008-12-24 文章来源:science 点击数:11645 
 

      美国《科学》杂志18日公布了该刊评选出的2008年十大科学进展,其中在对细胞重新编程“定制”细胞系方面的进展名列第一位。

    《科学》杂志说,这些细胞系以及“定制”它们的有关方法,为科研人员理解甚至未来治愈一些医学上的顽疾提供了工具,比如帕金森氏症、Ⅰ型糖尿病等。

    《科学》杂志负责评选的编辑罗伯特·孔茨说:“当《科学》杂志的作者和编辑们着手挑选今年最大的科学进展时,我们关注的是那些能够解答一些重大问题的科学研究,比如宇宙如何运作,以及那些为未来新发现奠定基础的科学研究。我们的首选——细胞重新编程技术,几乎是在一夜之间开启了一个生物学研究新领域,而且有希望促成一些能够挽救生命的新的医学进展。”
     视频:关于细胞再编程的一些介绍和科学评论

1. 2008年十大科学进展
2. 2008年度现象:欧洲大科学
3. 评分卡——2007年预测的科研热点
4. 2008年度倒退:金融崩溃
5. 2009年科研热点

1. 细胞再编程

通过插入回拨细胞发育时钟的基因,研究人员正在深入了解疾病和研究细胞如何决定其命运的生物学。

今年,科学家们实现了一个长期寻求的细胞炼金术壮举。他们从不同疾病的患者身上提取皮肤细胞,将其再编程为干细胞。改造后的干细胞在实验室里生长并分裂,为研究人员研究构成疾病基础的细胞过程提供了新工具。这项成就也可能是用患者自身细胞治疗疾病的漫长征途中的重要一步。这项成就依据的一项基因技术是两年前发表的、最初被用于小鼠试验,科学家们用该技术彻底消除细胞的发育“记忆”,使其回到原始胚胎状态、然后重新生长成不同的细胞。2008年,研究人员在细胞再编程方面取得了又一个里程碑式的进展。在用活鼠做的一项漂亮的研究中,他们让细胞直接从一种成熟细胞变成另一种,打破了细胞单向发育的规则。调整细胞使其具有新身份的上述进展和其它一些进展,把细胞再编程这个现在蓬勃发展的领域推到了《科学》2008年十大科学进展之首。

本年度的科学进展在很大程度上起到了消除人们对三年前爆发的一个重大丑闻记忆的作用。三年前,韩国科学家虚假地宣称,他们用体细胞核转移技术、从各种疾病(如I型糖尿病、脊髓损伤和先天性免疫缺陷症)患者身上造出了新的干细胞。体细胞核转移技术曾被用来克隆多利羊。这个造假事件使该领域遭到了严重挫折;那时候看来,为患者量身定做干细胞似乎遥不可及。

今年在该领域取得的新进展建立在以前两项突破的基础之上。199811月,威斯康辛州的科学家们宣布他们培育出了人体胚胎干(hES)细胞,这种细胞有潜力在体内发育成任何细胞类型。胚胎干细胞的这种多能性(pluripotency)为发育生物学和医学研究提供了很多可能的应用,但也带来一些问题。因为提取干细胞通常会毁坏胚胎,因此这项研究引发了生物伦理的激烈讨论。包括美国在内的很多国家都颁布了政治决策限制科学家对人体胚胎干细胞的研究。

2006年,日本研究人员报告说他们发现了一个能避开人体胚胎干细胞实际与伦理问题的可能方法。他们将4个基因导入在培养皿中生长的小鼠尾部细胞,得到了外表和作用与胚胎干细胞极其相似的新细胞。他们把这些新细胞称作诱导多能干(iPS)细胞。去年,这个日本研究小组和两个美国研究小组将把细胞再编程技术应用到了人体细胞上,被选为《科学》2007年十大科学进展第二名。这一成果为新研究打开了大门。

细胞:量身定做

近十年来,研究干细胞的生物学家一直在寻找一种方法,用罹患难以研究的疾病的患者身上的细胞制造长期生存的细胞系。(大多数成熟细胞在培养皿中不能成活,所以直接从患者身上提取用于研究的细胞无法成行。)今年,有两个研究小组实现了这个目标。其中一组从一位82岁的肌萎缩性脊髓侧索硬化症(又称路格里克氏病,是一种退化性疾病,袭击运动神经元,造成逐渐瘫痪)女患者身上提取了皮肤细胞,然后制造出了细胞系。然后科学家们引导iPS细胞形成了两种最受这种病影响的细胞:神经元和神经胶质。

Figure 1 
 

       一周后,另一组报告说他们为10种疾病(见表格)的患者量身培养了iPS细胞系,包括肌肉萎缩症、I型糖尿病、唐氏综合症。这10种病中很多都很难、甚至不可能用动物模型进行研究;而再编程的细胞为科学家们研究疾病的分子基础提供了新工具。这些细胞也许还将对候选药物的筛选有所帮助。最终,这些技术也许可以让科学家们在培养皿中修正基因缺陷,然后用修复了的患者细胞为他们治疗。

       今年发表的另一篇文章提出,再编程的出路并不一定要回到胚胎状态,而可以让细胞直接变成另一种新的成熟细胞。美国研究人员用小鼠做实验,把成熟的胰腺细胞(又称外分泌细胞)再编程为胰岛β细胞,这种被I型糖尿病破坏的细胞在胰腺中产生胰岛素。该研究小组把三种病毒的混合剂注入成年鼠的胰腺内。这三种病毒主要感染外分泌细胞,每个病毒携带有一种已知在β细胞发育过程中起作用的基因。几天内,小鼠体内形成了能制造胰岛素的细胞,这种细胞的外表和作用可与真的β细胞媲美。

       这个研究结果出人意料,因为在生物体内,分化了的细胞几乎从来不改变发展方向,比如从肌细胞变成肺细胞。然而,治疗某些疾病时,这种细胞的直接再编程也许比采用多能干细胞更简单、更安全。这项技术也许还能使科学家们加快在实验室培养所需细胞类型,用确定的因子把培养的一种细胞变成另一种。

Figure 1 
 

Diseases With Patient-Specific iPS Cell Lines

已有为患者量身培养的iPS细胞系的疾病

Amyotrophic Lateral Sclerosis (Lou Gehrig’s disease)

肌萎缩性脊髓侧索硬化症(路格里克氏病)

ADA-SCID

腺苷脱氨酶严重复合型免疫缺乏症

Gaucher disease type III

III型戈谢病

Duchenne muscular dystrophy

杜兴氏肌肉萎缩症

Becker muscular dystrophy

贝克肌肉萎缩症

Down syndrome

唐氏综合症

Parkinson’s disease

帕金森病

Juvenile diabetes mellitus

青少年糖尿病

Swachman-Bodian-Diamond syndrome

-戴二氏综合症

         

亨廷顿舞蹈病

Lesch-Nyhan syndrome (carrier)

莱施-奈恩二氏综合症(携带者

需要:更多突破

尽管2008年研究人员取得了令人印象深刻的进展,要把细胞再编程用于治疗疾病还需要更多一些突破。为了使细胞再编程足够安全、能用于细胞疗法,研究人员必须找到一种高效、可靠的方法来引发细胞再编程。他们还要确切地搞清楚这个过程是如何进行的。尽管几十个实验室已经采用了这一技术,再编程过的细胞内部到底发生了什么仍然是个谜,似乎一些偶然事件的组合决定了哪些少数细胞最终会被再编程。目前一个主要理论认为:某些再编程因子首先帮助松动细胞核内的DNA,使重新激活关闭的基因变得更容易。随后,其它因子帮助引发一个给细胞新身份的蛋白信号级联发生(见本期GurdonMelton撰写的综述)。

       最初的再编程方法靠病毒把再编程基因插入受感染细胞的基因组,从而永久地改变其DNA。科学家们对这种方法比较担心,原因有几个。第一,插入的基因可能会打断现有的基因,例如防癌基因,导致细胞容易形成肿瘤。而且,尽管插入的基因似乎在再编程结束后会自动关闭、让细胞自身的基因接管,科学家们仍然担心插入的基因会再激活或者对细胞产生其它微妙的影响。

       由于这个原因,世界各地的实验室都在寻找其它方法来引发细胞再编程。今年科学家们取得了迅速进展。有几个研究小组发现可以用化学品代替某些插入基因。另一个小组发现至少在小鼠细胞里也可以用腺病毒做载体。腺病毒是导致常见感冒的一种病毒,并不将自己插入基因组。腺病毒足够长时间地表达插入的基因、将细胞再编程,但是随着细胞分裂,病毒被稀释到检测不到的水平,使再编程后的细胞内原来的基因组保持不变。日本的研究人员揭示名为质粒的DNA环状体也可以将所需基因载入细胞。但是,以上这些可选方案都远远没有最初的方法效率高,而且大多数都还没有用人体细胞试验成功过,因为人体细胞比小鼠细胞更难再编程。     要使细胞再编程有用,还须提高其效率。在大多数实验中,1万个细胞中能被成功再编程的细胞不到1个。不过,今年美国两个研究小组发现一种叫做角质细胞的皮肤细胞特别容易再编程,这对该研究领域似乎是个福音。研究人员能把大约1%的角质细胞再编程,整个过程只要10天,而其它细胞则需要好几个星期。毛囊是角质细胞的一个丰富来源,加里福利亚州和西班牙的研究人员宣布说他们从人头皮上拔下的一根头发的细胞中获得了个性化的细胞系。从头发获得细胞比比切下一块皮肤要容易得多。

Figure 1 
 

       最后,细胞再编程需要更好的质量控制。今年,一个美国研究小组设法找到了一种极妙的方法,让科学家们可以在控制更严格的条件下研究细胞再编程的过程。他们制造了细胞,其中的再编程基因可以通过加入抗生素强力霉素来启动。然后,他们用再编程过的细胞制造出了基因完全一致的“第二代”iPS细胞,每个都含有相同的病毒插入体。这些细胞将允许科学家们第一次在标准化条件下研究再编程的过程,也应该会有助于揭示能让成熟细胞在单向发育道路上找到出口的生物化学过程。

       但是,仅仅对再编程有全面了解还不够。发现人体胚胎干细胞10年后,科学家们仍然在将那些引导多能细胞成为成熟组织的步骤标准化。这个问题很关键,因为用于治疗的多能细胞如果出错,可能会引发危险的肿瘤。尽管科学家们可以在培养皿中轻易地促使多能细胞变成跳动的心脏细胞,但是还没有人能找到完美的方法使这些细胞融入人体组织并替代或修复患病细胞。但是研究人员在发现的高速路上进展迅速,比很多人预料的或是敢于希望的还要快。

——格雷琴·沃格尔(Gretchen Vogel

     

2. 系外行星:眼见为实

       眼见也许为实,但是对科学家来说,信以为实很少靠亲眼看见。仪器测到的适当的不起眼波形,不管多么微小、脆弱、奇特,通常就足以证实他们已经找到了目标。不过,寻找围绕其它恒星的行星的天文学家也许对他们这种研究的进展有些不耐烦了,他们的最终目的是:在我们自己的太阳系之外发现一个可居住、甚至有生物居住的行星。这需要他们看到目标。但是此前所有探测到的系外行星都是不起眼波形。

       如今,天文学家首次看到了系外行星,过去几个月里大概宣布了6个。对有些人来说,新的观测结果也许不过是用光点取代了波形而已。但是来自遥远世界的模糊针孔大小的光已经吸引了公众的想象力,也将给天文学家提供新的线索回答他们的疑问:这些遥远的行星是什么材料构成的、又是如何形成的。这些直接观测的关键在于大型望远镜和最新技术,用它们来从主恒星强烈的光芒中捕捉到行星微弱的几乎消失的踪影。

       此前,对300多颗系外行星的间接观测都分别取得了突破。13年来,天文学家一直在寻找系外行星,他们的方法是用地面望远镜观测行星对主恒星的重力吸引所导致的主恒星的微弱摆动。这个可靠的径向速度技术对发现靠近主恒星的巨大而炽热的“热木星”(hot Jupiters)尤其有效。但是天文学家看不到行星发出光。还有一种被称为微透镜的方法:行星用引力使经过的恒星光线弯曲从而使背景恒星短暂变亮。微透镜法对发现距离主星更远的行星尤其有效,原则上可以发现地球大小的轻量级行星。但是微透镜法是一次性事件;一旦行星与恒星这种短暂成直线的现象结束,就再也看不到这颗行星的任何踪迹。

Figure 1 
 

       但是,如果从地球上看到某颗行星正好在其主恒星表面绕轨道运行,那么恒星光反复微弱变暗加上行星就能揭示行星的出现。同时,穿过行星外大气层的恒星光也能提供行星构成的线索。天文学家已经在凌恒行星上发现有水和甲烷;就在上个月,又发现系外行星上有二氧化碳。这些化合物加上分子氧是行星有生物居住的关键标志。但是只有热木星会在绕轨道运行时从恒星前方经过,从而被现有技术观测到,而这种行星不太可能是生命居住之处。

       所以就只能靠直接观测了。需要做的其实很简单:将行星的光与附近恒星的光分开。难点在于恒星的亮度是任何行星的数百万倍,而地球的湍流大气把恒星和行星的光扰到了一起。要解决第二个问题,天文学家可以把望远镜放到大气层上面的地球轨道上去,或者采用所谓的自适应光学调整传入的望远镜影像,在自适应光学精确控制下的弹性镜面可以在一秒钟内可以多次修正扭曲的光线。处理行星与恒星亮度的巨大差别要求在望远镜里装上日冕观测仪以把恒星遮住,或是用“虚拟日冕仪”软件把星光从影像上除掉。这种方法能更好地用于在红外波段寻找年轻而炽热的行星,因为红外波段内恒星与行星的亮度对比要小很多。

       用最新技术进行了五年多的观察后,天文学家们最近突然纷纷争先恐后地宣布了一些直接检测到的系外行星候选者。上个月公布的最可靠、当然也是最漂亮的是绕编号为HR8799距离地球128光年恒星旋转的三个物体。据判断,这三个物体的质量是木星的510倍,离主星的距离至少比地球离太阳的距离远2468倍。这使它们成为迄今发现的最大、距离主星最远的系外行星。新的观测技术一般都是从发现这种古怪物体开始。这让理论家大为吃惊,他们以为行星不可能距离主星那么远。

       在其它直接观测中,天文学家每颗恒星只发现了一颗行星。上个月,另一个研究小组也报告说发现了一颗行星,质量大概是木星的3倍,绕天空中最亮的恒星之一“北落师门”(Fomalhaut。第三组今年9月份宣布发现了一颗单独的候选行星,但还需要证实它是绕恒星运行而不仅仅是路过。第四组上个月底宣布拍摄到离主恒星最近的一颗行星影像,该行星离主星的距离是地球离太阳距离的8倍。

       天文学家已经开始分析新发现的一些行星的光谱,期望找到线索弄清它们的物理和化学性质。那应该会让行星形成理论家们忙个不停。但是直接研究可能有人居住的行星的可能性还很小。成像类似地球的绕轨道运行的系外行星很可能还要几十年,当然还要花费数十亿美金。

     

3. 癌症基因

今年研究人员把注意力放到了导致肿瘤细胞失控的错误DNA上。这些研究正在揭示某些人类癌症的整个基因图谱,为癌症诊断和治疗提供新的途径。

       肿瘤细胞一般到处都是基因错误,打乱主要的细胞通路,从而导致细胞肆意分裂。多亏人类基因组的完成和更廉价的测序技术,研究人员现在可以系统地调查癌细胞里的很多基因,找出以前的方法漏掉的基因变化。这些名为癌症基因组的项目两年前出了第一批结果,2008年研究这方面的成果大增。

       排在成果首位的是胰腺癌和胶质母细胞瘤这两种最致命的癌症。研究人员通过对数百甚至数千基因测序,找出了几十种突变,有已知的,也有未知的。例如,一种叫IDH1的新的癌症基因被发现在12%胶质瘤样本中出现,这个比例相当大。另一项胶质瘤研究发现了一些线索,有助于找出某些病人的肿瘤发展出抗药性的原因。其它研究把肺腺癌肿瘤和急性骨髓性白血病中的异常DNA了出来。

Figure 1 
 

    不断扩充的癌症基因名单展现了一个既令人激动又令人清醒的复杂情况,表明针对生物路径的治疗方法与只针对某个基因的“灵丹妙药”相比是更好的选择。至少10个其它癌症的基因组项目正在进行中。

     

4. 新型高温超导体

       物理学家发现了高温超导体的第二个家族,高温超导体指的是某些在大大高于绝对零度的温度时电阻为零的导电材料,目前还无法解释高温超导的原因。这一进展加深了凝聚态物理学中最大的谜团。

       今年2月,日本一个研究小组报告说发现了第一个这种新型高温超导材料——掺杂氟的镧氧铁砷化合物LaFeAsO(1-x)Fx),临界温度26K具有超导特性。三个月内,4个中国研究小组分别用其它元素(如镨和钐)替换镧,将电阻为零的临界温度提高到了55K。之后,又有研究人员发现了具有不同晶体结构的化合物,将临界温度提高到了56K

Figure 1 
 

       对于临界温度来说,56K并不算高。最高纪录是138K,创下记录的是另一个高温超导家族的成员、1986年发现的铜氧化物。但是,铁基材料还是引起了轰动,部分原因是它们或许有助于解决长期以来的奥秘:铜氧化物是如何超导的。关键问题是这两类超导体的工作原理是否相同。迄今为止还没有能明确回答这个问题的证据。

     

5. 观察蛋白质工作

    在研究蛋白质100多年后,生物化学家扩展了研究手段得以观察运作中的分子,而且每每有出乎意料的收获。

    科学家一直在争论蛋白质如何与靶标结合。大多数科学家认为靶标分子的形状迫使蛋白质扭动形成与靶标结合的互补。但是溶液中的蛋白质也可能在几种稍有不同的构像中间不断扭动,直至找到靶标。德国和美国的计算生物学家为这个新想法提供了大胆的新支持,他们处理了大量的实验数据,证实了一个长期研究的蛋白质是如何在几十个不同构像之间跳舞的。在另一项令人惊奇的实验中,一个美国研究小组跟踪个体蛋白质,发现单个随机分子事件可以转换细菌细胞的代谢状态。

Figure 1 
 

    在一个更大范围的研究中,德国的蛋白质组学研究人员同时观测酵母细胞中多达6000个蛋白质的丰富程度,并量化了个体蛋白质的表达在两个不同细胞类型中如何不同。他们的技术可以带来对细胞发育和疾病的新了解。最后,瑞典的蛋白质组学研究人员揭示了人体的不同组织各有特征,很可能不是通过控制表达哪些蛋白质、而是通过控制各种蛋白质制造多少来实现的。

     

6. 燃烧水

    可再生能源,如风能、太阳能,有很大的发展空间。它们来源丰富,不含碳,价格也在降低。但是它们不全时工作。即使太阳高照、风儿徐徐的时候,也没有什么好方法能大规模储存多余的电。今年,美国研究人员报告说他们开发了一种新的催化剂,或许可以开始改变这种状况。

    这种催化剂是钴和磷的混合物。它用电把水分解成氢和氧,然后氢可以用于燃烧,或是添加到燃料电池中重新与氧结合从而产生电。几十年来,研究人员知道贵重金属如白金可以分解水。但是白金太稀有,成本又高,所以大规模使用并不现实。新的钴催化剂离应用也还有距离;对于工业用途来说,其作用还太慢。但是找到一种低廉、资源丰富的金属来代替白金,这就迈出了关键一步。现在,如果研究人员能够让钴的作用加快,那么不稳定的可再生能源将来很有希望作燃料,用于任何时候、任何地方。

     

7. 胚胎发育视频

    受精卵变成生物体的过程中细胞如何“跳舞”是发育生物学研究的中心。但是大多数显微镜只能看到这个过程的一部分。今年,科学家前所未有地观测到了细胞 “跳芭蕾”的细节,他们录下了斑马鱼发育第一天、构成其胚胎的约16000个细胞的运动,并进行了分析。

    德国研究人员用他们设计的一种新型显微镜制作了这些视频。这种新型显微镜利用激光束对活标本进行扫描,抓拍了实时图像,并避免了光漂白和光损伤,这两者通常把这种视频限制在几小时内。然后,研究人员利用大规模的计算能力来分析录下来的细胞运动,并将其制成视频。他们还将视频倒过来放,以追踪形成视网膜等特定组织的细胞的起源。一个有关鱼的知名突变株的视频首次精确地揭示了在胚胎发育过程中究竟是哪里出了问题。

Figure 1 
 

       这些记录斑马鱼胚胎发育的视频可以在互联网上免费看到。开发者说他们希望这个网站能发展成一个成熟的虚拟胚胎、一个有点像YouTube的发育生物学的视频共享网站,世界各地的实验室都可以上传自己的视频。

     

8. 另一种颜色的脂肪

    今年,研究人员终于揭开了所谓的棕色脂肪的神秘根源。棕色脂肪与脂肪有很大差别,它是一种消耗能量的组织,距离肌肉仅一步之遥。

    400多年前解剖学家就首次发现了人体内两种脂肪的区别。厚厚的白色脂肪储存能量,医生和减肥的人都为之烦恼。如果说白色脂肪是被子,那么棕色脂肪就是电热毯。棕色脂肪靠大量的线粒体燃烧脂肪分子,产生热量,从而保持人体温暖。

Figure 1 
 

    很长时间以来,科学家一直设想这两种脂肪是从同一种祖细胞发展而来的。然而,美国科学家领导的一个研究小组发现,他们可以把棕色脂肪转化成肌肉,也可以把肌肉转化成棕色脂肪。研究人员知道,基因PRDM16刺激着棕色脂肪的分化。所以当他们调低棕色脂肪前体细胞里的PRDM16含量时,他们预期会产生白色脂肪细胞。

    与他们的预期相反,细胞伸展成管状的肌肉细胞,甚至能抽动。这些细胞关闭了大量棕色脂肪特有的基因、打开了肌肉特有的基因,说明它们的身份已改变。强制已经开始分化成肌肉的细胞制造PRDM16,引发了相反的转换、产生了棕色脂肪。研究人员采用了一种名为世系追踪(lineage tracing)的技术,识别出了小鼠体内的肌肉细胞家族的后代。它们含有肌肉细胞和棕色脂肪细胞,但是并不含有白色脂肪细胞。

    这些发现也许标志着向肥胖治疗法迈进了一步,这种治疗就是通过激发体内存在的能燃烧脂肪的棕色细胞、或是把新细胞移植到燃烧脂肪的细胞中,从而将有害的白色脂肪溶解掉。

     

9. 质子质量的“预测”

    物理学家从对质子内部结构的一个理论描述出发,精确计算出了质子和其它一些由夸克和胶子构成的粒子的质量。质子质量不是新数据;差不多100年前,实验者们就已经能称出来。但是这些新结果显示,物理学家终于能够准确计算出把夸克紧密结合在一起的极为复杂的强力。

    最简单地说,质子含有三个夸克和胶子,胶子快速穿梭于夸克间来输送强力。但是,由于量子力学的不确定性,无数胶子和夸克-反夸克组合在质子内部不停地出现又消失,这种狂乱状态几乎不可能分析,但是这种状态生成了粒子95%的质量。

Figure 1 
 

    为了简单起见,法国、德国和匈牙利的理论家们采用了一种叫做晶格量子色动力学(lattice quantum chromodynamics)的方法。他们用一个四维阵列点——也就是晶格——来模拟连续的空间和时间,把夸克限制在点上、把胶子限制在点之间的连接上。他们用巨型计算机计算出质子和其它粒子的质量,精确度约为2%,是10年前的不确定性的十分之一。11月份他们报告了这一结果。

       2003年,其他研究人员宣布过对鲜为人知的粒子质子的同样精确的计算。通过计算熟悉的质子的质量,新的研究显示了更广泛的意义,那就是:物理学家终于掌握了强力。

     

10. 测序大丰收

       比用来解密第一个人类基因组的方法更快更便宜的新基因组测序技术,正使测序得以快速发展。

Figure 1 
 

       今年,研究人员用名为454测序法的“合成测序”(sequencing by synthesis)系统,制造出了已经灭绝的穴熊和尼安德特人的线粒体基因组及猛犸80%的基因组。该系统在微观珠子上“生长”用荧光标记的DNA尼安德特人全部基因组的初步草案正在完成中。另一种由Solexa(现在是Illumina公司的一部分)开发的新技术在科学文献中首次亮相,该技术被用来测序一个亚洲人、一个非洲人和一个癌症患者的首个基因组,为科学家进一步了解早期人类迁徙和可能导致恶性肿瘤的候选基因提供了线索。Illumina公司技术用玻璃板上的大规模并行反应测序DNA。美国太平洋生物科学公司(Pacific Biosciences)是一家测序单个DNA分子的公司,该公司发表了一篇概念证明的论文,让人们看到了一种更快的基因组测序法。现在的目标就是使这个方法更精确。

       成本在继续下降;至少有一个公司号称花5000美金测一个基因组正在成为可能。

 

 

 

 

2008年度现象:欧洲大科学



 

9月,当位于瑞士日内瓦附近的巨大的欧洲粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)发出第一道光束时,媒体迅速地指出了赢家。MSNBC.com刊登了名为《欧洲领先物理学前沿》的报道,还有篇博客大力宣扬说“LHC显然标志着欧洲是物理学的中心。”尽管LHC启动几天后就出现电力故障而停止运行,但是这并没有改变总体情况。

       欧洲LHC的成功对美国粒子物理学家来说苦乐参半,他们自己的机器——超高能超导对撞机——1993年被取消了。由于大多数措施客观得力,美国科研仍然领先世界;但是欧洲各国集中资源追求“大科学”的能力很强,体现了更高的目标,也取得了越来越多的成功。

       欧洲核子研究中心(CERN)是一个泛欧洲实验室的典型。该中心于1953年成立,旨在帮助重建战后欧洲科学、鼓励国际合作,成为了欧洲粒子物理学的指路明灯并推动了其它领域如法炮制。接下来的几十年里,劳厄-郎之万研究所(Institut Laue-Langevin)的中子源、欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory)、欧洲空间局(European Space Agency)、欧洲南方天文台(European Southern Observatory)、欧洲联合环流器(Joint European Torus)、欧洲同步辐射中心(European Synchrotron Radiation Facility)相继建立。但是1984年签订建立ESRF的协议之后,对欧洲联合项目的热情就逐渐消退了。

       但是这10年来情况又变了。首先,欧盟决定主持国际热核聚变实验堆计划ITER),该世界性反应堆项目的目的是证明核聚变是可实行的能量来源。2004年和2005年大部分时间里,欧盟陷入了与日本的胶着,比赛看谁能获得主持这一项目的荣耀。欧盟官员采取的坚决的穿梭外交和保全颜面的方法最终得到了回报,目前ITER正在法国南部的卡达拉什建设。当美国国取消了2008年ITER项目的预算时,卡达拉什的管理者们也几乎没有乱了步伐,显示了欧洲对这个项目的自信。

       欧盟并没有止步于此。2002年,欧盟发起了欧洲研究基础设施策略论坛ESFRI),开始拟定值得欧盟支持的项目名单。200610月发布的ESFRI发展图(Roadmap)列35项目,包括人口老龄化数据库和地中海海底的微子天文台。欧盟并没有资金建设这些项目。但是它有资金支持设计研究,并要求所有蓝图提名项目提出申请,结果几乎所有项目都提出了申请。伦敦帝国学院的材料科学家约翰·伍德(John Wood)说,注入资金的目的是“推动项目直至决定是否建设这些项目的政治决策出台。”

Figure 1 
 

ESFRI图和欧盟基础设施经费已经成为实现一些项目的主要推动力。今年,位于德国的欧洲X射线自由电子激光(XFEL装置和反质子与离子研究装置(Facility for Antiproton and Icon Research)都已经争取到了国际合作伙伴来共同建设,预计明年初将签订这两个项目的合作协议。20世纪90年代初提出的欧洲散裂中子源(European Spallation Source)现在已经有三个地方竞争主主办权,预计这个月将发布决定结果,ESFRI也出了一部分力。本月,还发布了名为Aurora Borealis的极地破冰科考船的最终设计案。今年秋天,欧洲天文学家和天文粒子物理学家发布了他们自己的蓝图,囊括了很可能将引领世界的仪器,如欧洲超大望远镜(European Extremely Large Telescope)和切伦科夫望远镜阵列Cherenkov Telescope Array)。伍德说:“我完全被[Roadmap]造成的巨大影响力震住了。”

就在本期《科学》付印之时,ESFRI准备发布一个修改后的发展蓝图,更新了最初的项目并增加了以前遗漏的一些领域。欧洲科学家都渴盼看到这个蓝图指出的欧洲科学发展的方向。

——丹尼尔·克莱里(Daniel Clery

 

评分卡——2007年预测的科研热点

Figure 1 
 

了不起的开始——欧洲大型强子对撞机

欧洲大型强子对撞机启动后几小时内运行顺利,这与《科学》评论的一致:欧洲粒子物理实验室和欧洲核子研究中心有本事让新机器迅速运转。9天后,这个大型粒子对撞机发生严重故障,要到明年夏天才能修复,这又应验了《科学》提出的警告:一场意外事故就可能让这台机器几个月都运转不了。

 

RNA

2008年,随着利用分子了解和改变疾病的研究一点点前进,对微RNA的研究大大增加。第一例成功的微RNA运用是用灵长类动物做试验的,降低了非洲绿猴体内的胆固醇含量;在另一项小鼠实验中,分子减缓了患病小鼠体内的病毒复制。各个公司争先恐后地开发以微RNA为基础的治疗方法。但是诱导微RNA与疾病做斗争进展缓慢,科学家们仍然对安全存有隐忧。

人造微生物

尽管希望很大,但是人造微生物还远没有实现。研究人员确实做到了在活细胞中自定义细胞信号回路,并正在探索从头开始构建基因组的新方法。有一个研究小组合成了整个细菌基因组,但是还没能将其并入细胞中。设计微生物来制造生物燃料仍是幻想。

古基因组学

       完成足够的测序很是艰难,但是非常粗略的尼安德特人基因组图谱几乎快完成了。在这过程中,测序小组获得了尼安德特人线粒体DNA的完整序列,发现了他们和我们现代人类的一些关键区别。有两个研究小组揭示了已灭绝的穴熊的线粒体基因组。而成功破译猛犸象的80%的基因组序列激发了科学家克隆穴熊、使其复活的想法。

多铁性材料

       电子、磁性和结构的多重特性让多铁性材料能够把目前由半导体材料实现的逻辑运算功能和由金属材料实现的存储功能结合起来。研究人员报告说取得了稳定进展。新的多铁性材料能够在室温下和低磁场中改变它们的条纹,对实际应用而言两者都是重要结果。但是将多铁性材料转化为复杂电路的研究还没有任何进展。

宏微生物

       元基因组学正如火如荼地发展,今年在生物毯、地下生物环境和哺乳动物的肠道等不同环境下完成了对微生物多样性和病毒多样性的关键调查。此外还绘成了与人类有关的细菌的近200个基因组的DNA序列,而对另外几百个基因组的测序正在进行中。10月,世界各地的研究小组组成了人类微生物组国际研究联盟(International Human Microbiome Consortium),旨在研究人类微生物组在健康和疾病中所起的作用。

大脑神经回路

       今年的诺贝尔化学奖颁给了把从水母中提取的荧光蛋白转变为绘制细胞图像的强有效的工具的科学家们。在此基础上,神经系统科学家们现在可以用多种颜色标记神经细胞来研究它们之间的连接。从水藻中提取的感光蛋白使得用激光脉冲控制神经细胞的活动成为可能。这些方法极有可能揭开神经回路的作用。今年已经取得了稳定的进展,更大的突破并不远了。

 

2008年度倒退:金融崩溃

今年秋天,销售额的暴跌导致信用紧缩,接着是全球性的金融危机,这将在2008年的经济学记录上留下一个巨大的污点。10月,恐慌席卷了股票市场、吞没了投资公司,甚至对通用汽车公司都造成了威胁、要把这个巨头拉下马。这次金融崩溃的影响范围尚不明确。

       幸运的是,科学研究没有直接受到重创,但是科学家们也和其他每一个人一样感受到了金融危机造成的后果,而明年的研究预算很可能会陷入这次危机的余波。美国股票价值大跌,导致私人储蓄保险大大缩水,几个月内缩水了15%25%。退休账户也萎缩了。与此同时,由捐赠资助的项目开始削减(见117《科学》第841页)。在11月第一次的公开委员会上,史密森尼学会(Smithsonian Institution)承认其得到的资助4个月内下降了24%、需要紧缩10亿美金的预算。该学会跟其它很多机构一样推迟了宣布削减开支。

Figure 1 
 

       而需要资金推进新技术的公司将陷入困境,有些甚至会破产。看起来新的能源项目有可能要延期。就生物医学领域来看,位于美国华盛顿市的生物技术产业组织Biotechnology Industry Organization)近期发布的一篇报告指出其下属38%的较小的上市公司正在动用各自的现金储备、且一年内将耗尽。

       因为国家财政收入减少,由国家资助的医院和大学都在裁员和推迟新建设施。加利福尼亚州立大学系统对州长提出的预算做出回应,威胁说明年将减少招生名额10000个,即减少2.1%。私立学校也受到影响。哈佛大学校长德鲁·福斯特(Drew Faust)宣布说哈佛大学得到的捐赠降低了22%、可能会延期兴建奥斯顿(Allston)校区和研究区。麻省理工学院院长苏珊·霍克菲尔德(Susan Hockfield)说麻省理工计划削减10%15%的开支。联邦支出的研究经费尚未变化,但是新当选的美国总统巴拉克·奥巴马和国会还没有解决美国2009年的预算问题。

       形势尚不明朗,但是至少有一点是可以肯定的:这次金融危机真正开始的时间。联邦储备委员会主席本·伯南克(Ben Bernanke)称,这次连锁反应的危机开始于20078月,当时美国房地产价格普遍大幅下跌。房子卖不出去;房主不顾抵押贷款而去;持有贷款的公司开始违约(中断偿还贷款);美国国际集团(AIG)这个承担违约保险的大公司用尽了资金,最后只能靠政府挽救。5个雄心勃勃的美国投资银行因投资贷款业务而退出了投资领域:4个成了普通的商业银行,还有1个雷曼兄弟公司(Lehman Brothers)消失了。北美、欧洲、亚洲各国政府现在都在向私人公司注入资金,高达数千百亿美金,试图恢复经济脉搏。

       是什么导致了这场金融崩溃?伯南克和其他美联储经济学家将其描述为资产泡沫的自然结果,所谓资产泡沫就是短期内资产价值不合理地大幅上涨。对(经济)增长的欲望——不管称之为乐观还是贪婪——失控了,作为一些投资策略基础的金融模式也瓦解了。有些人说补救的方法就是加强对金融的控制、更多地关注私人基金。有一派经济学家则辩论说:要解决危机,就要创造新模式,通过较少依赖理性的经济原则多依赖观察到的人类行为、引导投资者远离高风险(见1212《科学》第1624页)。(辩论正在升温,未来几年内分析家们都将忙于2008金融危机这个论题。)

 

2009年科研热点

植物基因组学

       破译植物DNA的玉米研究项目背后得到了美国政府的支持。预计2009年将有分析玉米基因组的论文发表。除此之外,还将获得大丰收、成功完成对其它植物的DNA测序,包括大豆和粟(谷子)等农作物、可用作生物燃料的植物、多用于生态研究的沟酸浆属植物、一种原始的石松属植物。对苹果、橘子、桃和瓜类的基因组测序正在进行中;对一种针叶树、番茄等植物的基因组测序正在加速。为了了解基因变异,科学家们正在对模型植物拟南芥(Arabidopsis)的数百个细类进行测序。

 

海洋酸性化

       由于大气中的二氧化碳含量增加,海洋酸性化仍在加剧。Ph值降低对大到珊瑚礁、小到浮游生物等各种海洋生物来说是个坏消息。但是这个迫在眉睫的威胁要引起公众关注,还要找到一个像全球变暖形势下的北极熊这样的典型样板。期待2009年有更多科学研究能证实海洋酸性化带来的普遍危害,尽管更多的科学研究是否能抓住公众的注意力还是个问题。

 

神经科学出庭

       今年,印度法庭引用脑电图宣判一名妇女谋杀未婚夫罪名成立,据脑电图显示该妇女的神经活动表明她对自己的罪行有过“经验性知识”,于是科学家和法学家畏缩了。尽管以前并没有采用人脑中解剖异常的图像作为判刑的减刑证据,是否采用测量人脑活动的方法目前较具争议。尽管如此,现在有3家公司提供基于功能性核磁共振成像仪的测谎服务。不管是否有准备,看上去神经科学随时准备着有一天走上法庭。

 

通往哥本哈根的路

       鉴于《京都议定书》将于2012年到期,200911月为期12天的全球气候高峰会将是各国制定代替《京都议定书》的新协议的最后期限。美国、中国、印度三方是否能就强硬有约束力的目标达成一致、以缓解全球变暖?新的协定是否会包括资助发展中国家采用西方能源技术以适应这个变暖的世界?新当选的美国总统巴拉克·奥巴马已经保证说美国将在谈判中发挥领导作用,并将努力争取建立一个强制性的体系。但是随着世界经济倒退、石油价格降低,奥巴马将要面对的是强硬的美国国会议员,他们当中来自煤炭和汽车制造业的立法者会阻止任何不能提供最大经济余地的协议。

Figure 1 
 

看得见的黑暗

太空中奇特的暗物质粒子是否互相湮灭从而产生高能宇宙射线?今年,沿轨道运行的PAMELA粒子探测器和美国南极长周期气球项目ATIC气球试验发现了很可能是暗物质粒子湮灭的证据。明年,PAMELA将检验其结果与ATIC是否一致,而美国国家航空航天局(NASA)今年6月发射的费米伽玛射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope)将从暗物质湮灭中寻找光子。但是预计要到明年12月才能看到这种物质。

 

确定物种

2009年是达尔文诞辰200周年和他撰写的《物种起源》150周年。预计将有更多有关分解物种的基因的线索出现。2008年,研究人员发现了一些基因不相容的源头,基因不相容妨碍了小到线虫类、大到小鼠等各种动物成功繁殖。由于遗传学、基因测序和蛋白质测量取得了进步,预计未来几个月内,将发现更多的“物种形成基因”。

 

Tevatron的胜利

瑞士的研究人员将竭力让庞大的大型强子对撞机恢复运转、对撞粒子。但是真正的好戏将在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室上演;那里的1万亿电子伏加速器对撞机Tevatron明年将获得足够的数据来证明希格斯玻色子(Higgs boson)是否存在,并且其质量是否如间接证据所示那么小。不是明年就是2010年,所有明年获得数据就会分析完毕,届时听到“我发现了!”这样的欢呼声不要感到奇怪。


 


上一条: 华裔科学家朱棣文或领衔奥巴马能源团队[2008-12-12]
下一条: 30年中国对外科技合作发展历程[2009-01-08]
【字体: 【打印本稿】


如果您认为本网站提供的资料侵犯您的版权,请及时通知我们,我们将会及时加上版权信息或立即删除相关内容,并向您致以诚挚的歉意。



相关链接