2017年2月20日，科技部公布了“2016年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”入選結果。
1、研制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
鈷/氧化鈷雜化二維超薄結構電催化還原CO2為液體燃料
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，并有助于降低二氧化碳排放對氣候造成的不利影響。實(shí)現二氧化碳電催化還原的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)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(guò)電位。最近報道顯示基于金屬氧化物還原得到的金屬比通過(guò)其它方法制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(diǎn)的作用，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)謝毅和孫永福研究組制備了四原子厚的鈷金屬層和鈷金屬/氧化鈷雜化層。他們發(fā)現在低過(guò)電位下，相對于塊材表面的鈷原子，原子級薄層表面的鈷原子具有更高的生成甲酸鹽的本征活性和選擇性。而部分氧化的原子層進(jìn)一步提高了它們的本征催化活性，在過(guò)電位僅為0.24伏下實(shí)現了10毫安每平方厘米的電流輸出超過(guò)40小時(shí)，且其甲酸鹽選擇性接近90%，這超過(guò)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。
該研究工作有助于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。加州理工大學(xué)Karthish Manthiram教授評論認為“這是一次重大的科學(xué)突破。雖然它在進(jìn)入商業(yè)化使用之前還需要一段非常長(cháng)的時(shí)間，但是目前這個(gè)階段的發(fā)展不管從哪個(gè)角度看都是積極樂(lè )觀(guān)的。”
2、開(kāi)創(chuàng )煤制烯烴新捷徑
開(kāi)創(chuàng )煤制烯烴新捷徑
烯烴是與人們日常生活息息相關(guān)的重要化學(xué)品。我國是烯烴消費大國，其傳統的生產(chǎn)原料主要依賴(lài)石油，這不僅使烯烴的生產(chǎn)成本居高不下，同時(shí)也嚴重地危及到了我國的能源安全。20世紀初，德國科學(xué)家費舍爾和拓普希提出了一條由煤經(jīng)水煤氣變換生產(chǎn)烯烴的費-托（F-T）路線(xiàn)，但是，該過(guò)程原理上會(huì )產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，同時(shí)還需要消耗大量的水，嚴重阻礙了該技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應用。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和和潘秀蓮研究團隊從納米催化的基本原理入手，開(kāi)發(fā)出了一種過(guò)渡金屬氧化物和有序孔道分子篩復合催化劑，成功實(shí)現了煤基合成氣一步法高效生產(chǎn)烯烴，C2到C4低碳烯烴單程選擇性突破了費托過(guò)程的極限，一躍超過(guò)80%。同時(shí)，反應過(guò)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(jìn)行煤化工”的詰問(wèn)。該成果在納米尺度上實(shí)現了對分別控制反應活性和產(chǎn)物選擇性的兩類(lèi)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(fā)生受限偶聯(lián)反應，成功實(shí)現了目標產(chǎn)物隨分子篩結構的可控調變。
《科學(xué)》同期以 “令人驚奇的選擇性”為題刊發(fā)了專(zhuān)家評論和展望，稱(chēng)贊該研究在原理上的突破將帶來(lái)在工業(yè)上的巨大競爭力。該研究并被產(chǎn)業(yè)界同行譽(yù)為“煤轉化領(lǐng)域里程碑式的重大突破”。
3、揭示水稻產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢的分子遺傳機制
雜交水稻
不斷提高谷物產(chǎn)量以保障全球糧食安全是作物遺傳育種的長(cháng)期目標。雜種優(yōu)勢是指通過(guò)雜交后代展現出比父本和母本具有更優(yōu)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(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢的遺傳基礎，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所韓斌和黃學(xué)輝研究組與中國水稻所楊仕華合作，對17套代表性雜交水稻品系的10074份F2代材料進(jìn)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(chǎn)量雜種優(yōu)勢相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，并將現代雜交水稻品系鑒定為3個(gè)群系，代表了不同的雜交育種體系。他們發(fā)現，雖然在所有雜交稻中并沒(méi)有完全相同的與雜種優(yōu)勢相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，但在同一群系內，都有少量來(lái)自母本的基因位點(diǎn)通過(guò)不完全顯性的機制對大部分雜種的產(chǎn)量?jì)?yōu)勢有重要貢獻。這一發(fā)現將有利于進(jìn)行高效的雜交優(yōu)化配組，以快速獲得具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗逆的雜交品種。
4、提出基于膽固醇代謝調控的腫瘤免疫治療新方法
基于膽固醇代謝調控的腫瘤免疫治療
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。但現有的基于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(fā)展新的方法讓更多的病人受益。
中國科學(xué)院上海生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所所許琛琦、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(guò)調控T細胞的“代謝檢查點(diǎn)”可改變其代謝狀態(tài)，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(diǎn)，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(zhì)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的高效形成。他們還發(fā)現ACAT1抑制劑Avasimibe（作為用于治療動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)疾病的藥物，已進(jìn)行了III期臨床試驗）具有很好的抗腫瘤效應，并且能與現有的臨床藥物PD-1抗體聯(lián)合治療來(lái)獲得更好的腫瘤免疫治療效果。他們的研究開(kāi)辟了腫瘤免疫治療的一個(gè)全新領(lǐng)域，證明了代謝調控的關(guān)鍵作用；同時(shí)發(fā)現ACAT1這一新的治療靶點(diǎn)，拓展了ACAT1小分子抑制劑的應用前景，為腫瘤免疫治療提供了新思路與新方法。
《自然》發(fā)表的同行評論指出：“這項研究成果可能開(kāi)發(fā)成抗腫瘤和抗病毒的新藥物”?！都毎钒l(fā)表的同行評論指出：“這項研究為對anti-PD-1沒(méi)有治療效應或產(chǎn)生抵抗的病人提供了新的希望”。
5、揭示RNA剪接的關(guān)鍵分子機制
施一公研究組已解析的剪接體結構
RNA剪接是地球上所有真核生物從DNA到蛋白質(zhì)信息傳遞這一“中心法則”的關(guān)鍵一環(huán)。通過(guò)剪接反應，前體信使RNA中的內含子被剔除、外顯子連接起來(lái)形成成熟的信使RNA，進(jìn)一步才能被翻譯成蛋白質(zhì)。人類(lèi)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(xué)本質(zhì)是前體信使RNA經(jīng)歷兩步轉酯反應完成剪和接兩個(gè)關(guān)鍵步驟，每一步都需要由一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)分子機器——剪接體來(lái)催化完成。因此，獲取分子量達兩百萬(wàn)道爾頓以上的剪接體在組裝、激活、催化反應過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)的高分辨率空間三維結構是理解RNA剪接分子機制的必經(jīng)之路，也是結構生物學(xué)界最富挑戰性的課題。過(guò)去30年，這一生命科學(xué)基礎研究的核心領(lǐng)域進(jìn)展緩慢。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公實(shí)驗室針對這一重大科學(xué)難題，創(chuàng )新性地利用酵母內源性蛋白提取獲得了性質(zhì)良好的樣品，并利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術(shù)，繼2015年率先報道裂殖酵母剪接體的結構之后，在2016年取得重大突破，相繼解析了3個(gè)關(guān)鍵工作狀態(tài)下剪接體的近原子分辨率結構（即3.5埃的激活狀態(tài)剪接體Bact complex、3.4埃的第一步催化反應后復合物C complex以及4.0埃的第二步催化激活狀態(tài)下的C* complex）以及一個(gè)剪接體組裝過(guò)程中重要復合物的高分辨率結構（即3.8埃的預組裝復合物U4/U6.U5 tri-snRNP）。
這4個(gè)高分辨率結構所代表的剪接體狀態(tài)，基本覆蓋了RNA剪接的關(guān)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(dòng)了RNA剪接這一基礎研究領(lǐng)域的發(fā)展。
6、發(fā)現精子RNA可作為記憶載體將獲得性性狀跨代遺傳
獲得性代謝疾病的代間傳遞
越來(lái)越多的證據顯示，隨著(zhù)生活環(huán)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”在精子中并遺傳給下一代，導致后代肥胖。這種獲得性遺傳形式對人類(lèi)繁衍及后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(guān)遺傳信息在精子中的存儲及傳遞，破解這類(lèi)表觀(guān)遺傳信息是本領(lǐng)域的一個(gè)主要挑戰。
中國科學(xué)院動(dòng)物研究所周琪、段恩奎與中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院營(yíng)養科學(xué)研究所翟琦巍研究員合作，基于高脂肪飲食小鼠模型，發(fā)現精子中一類(lèi)來(lái)源于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(fā)生了表達譜和RNA修飾譜的顯著(zhù)改變。分離高脂小鼠精子中的tsRNAs片段并注射到正常受精卵內，可誘導F1子代產(chǎn)生代謝性疾病。高脂小鼠精子的tsRNAs進(jìn)入受精卵后導致早期胚胎及后代小鼠胰島中代謝通路基因發(fā)生顯著(zhù)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(kāi)拓了全新的視角，提出精子tsRNAs是一類(lèi)新的父本表觀(guān)遺傳因子，可介導獲得性代謝疾病的跨代遺傳。
7、研制出首個(gè)穩定可控的單分子電子開(kāi)關(guān)器件
國際首例穩定可控的單分子電子開(kāi)關(guān)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(fā)展的瓶頸意義重大。實(shí)現可控的單分子電子開(kāi)關(guān)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(guān)鍵。自20世紀70年代以來(lái)，設計構筑穩定可控的單分子器件，探索其與微電子工藝的兼容性，并獲得真正意義上的分子電子開(kāi)關(guān)，在當代納米電子學(xué)研究中具有重大的科學(xué)意義。
北京大學(xué)北京分子科學(xué)國家實(shí)驗室郭雪峰研究組原創(chuàng )性地發(fā)展了以石墨烯為電極、通過(guò)共價(jià)鍵連接的穩定單分子器件的關(guān)鍵制備方法，解決了單分子器件制備難、穩定性差的難題。在此基礎上，他們與電子學(xué)系徐洪起研究組以及美國賓夕法尼亞大學(xué)Abraham Nitzan等合作，通過(guò)功能導向的分子工程學(xué)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(wèn)題，從而突破性地構建了一類(lèi)全可逆的光誘導和電場(chǎng)誘導的雙模式單分子光電子器件。這項研究工作使得在中國誕生了世界首例真實(shí)穩定可控的單分子電子開(kāi)關(guān)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(jià)鍵鏈接方式使這些單分子開(kāi)關(guān)器件具有空前的開(kāi)關(guān)精度、穩定性和可重現性，在未來(lái)高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術(shù)等方面具有巨大的應用前景。
8、構建出世界上首個(gè)非人靈長(cháng)類(lèi)自閉癥模型
世界上首個(gè)自閉癥轉基因猴模型
自閉癥（也稱(chēng)孤獨癥）是一類(lèi)多發(fā)于青少年的發(fā)育性神經(jīng)系統疾病，患者表現出社交障礙、重復性刻板動(dòng)作等行為異常，目前尚無(wú)有效的藥物治療及干預方法。近年來(lái)世界各國均發(fā)現自閉癥的患病率逐年升高，引起社會(huì )各界廣泛關(guān)注。中國作為人口大國，預計全國自閉癥患者近千萬(wàn)。
中國科學(xué)院上海神經(jīng)科學(xué)研究所仇子龍研究組與非人靈長(cháng)類(lèi)平臺孫強團隊合作，通過(guò)構建攜帶人類(lèi)自閉癥基因MECP2的轉基因猴模型并對轉基因猴進(jìn)行分子遺傳學(xué)與行為學(xué)分析，發(fā)現MECP2轉基因猴表現出類(lèi)似于人類(lèi)自閉癥的刻板動(dòng)作與社交障礙等行為。他們并首次在靈長(cháng)類(lèi)中成功通過(guò)精巢異體移植的方法加快猴類(lèi)繁殖周期，歷時(shí)三年半得到了攜帶人類(lèi)MECP2基因的第二代轉基因猴，且發(fā)現其在社交行為方面表現出了與親代相同的自閉癥樣表型。這是世界上首個(gè)自閉癥的非人靈長(cháng)類(lèi)模型，為深入研究自閉癥的病理與探索可能的治療干預方法做出了重要貢獻。
9、揭示胚胎發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵信號通路的表觀(guān)遺傳調控機理
TET和DNMT3調控Lefty-Nodal信號通路示意圖
動(dòng)植物從單細胞受精卵發(fā)育成為高度復雜的生物體是一個(gè)奇妙的過(guò)程。哺乳動(dòng)物基因組DNA中的5-甲基胞嘧啶作為一種穩定存在的表觀(guān)遺傳修飾，由DNA甲基轉移酶（DNMTs）催化產(chǎn)生。近年研究發(fā)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(fā)DNA去甲基化。雖然DNA甲基化在哺乳動(dòng)物基因印記和X染色體失活等生命活動(dòng)過(guò)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發(fā)育過(guò)程中究竟起什么作用還不清楚。
中國科學(xué)院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所徐國良研究組與美國威斯康星大學(xué)孫欣、北京大學(xué)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(guò)一系列形態(tài)發(fā)育特征的檢測，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(fā)現了TET三個(gè)成員之間功能上相互協(xié)作，介導的DNA去甲基化與DNMT介導的DNA甲基化相互拮抗，通過(guò)調控Lefty-Nodal信號通路控制胚胎原腸運動(dòng)。該工作從長(cháng)期困擾發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的基本重大問(wèn)題出發(fā)，著(zhù)眼于人類(lèi)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(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵信號通路的表觀(guān)遺傳調控機理，為發(fā)育生物學(xué)的基本原理提供了嶄新的認識。
10、探測到水的核量子效應
探測到水的核量子效應
對于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(jīng)典粒子來(lái)處理。然而，水中三分之二的原子是氫原子，由于氫原子核的質(zhì)量很小，其量子效應會(huì )異常顯著(zhù)。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(shuō)氫鍵的量子成分有多大？被認為是揭開(kāi)水的奧秘所需要回答的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于氫核的量子化研究無(wú)論對于實(shí)驗還是理論都非常具有挑戰性，這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解答。
北京大學(xué)物理學(xué)院王恩哥和江穎研究組與合作者，在相關(guān)實(shí)驗技術(shù)和理論方法上分別取得突破：發(fā)展了一套“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術(shù)，獲得了單個(gè)水分子的高分辨振動(dòng)譜，并由此測得了單個(gè)氫鍵的強度；開(kāi)發(fā)了基于第一性原理的路徑積分分子動(dòng)力學(xué)方法，實(shí)現了對電子量子態(tài)和原子核量子態(tài)的精確描述?；诖?，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于室溫的熱能，氫核的“非簡(jiǎn)諧零點(diǎn)運動(dòng)”會(huì )弱化弱氫鍵，強化強氫鍵，這個(gè)物理圖像對于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(zhì)科學(xué)基本問(wèn)題的首次定量解答，澄清了學(xué)術(shù)界長(cháng)期爭論的氫鍵的量子本質(zhì)，將有助于理解水和其他氫鍵體系的很多反常特性。
資料來(lái)源：新華視點(diǎn)
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