《Science》雜誌2021年度十大科學突破

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2021年12月27日

圖、Science雜誌2021年十大科學突破

《Science》科學雜誌評選2021年年度十大科學突破技術，以人工智慧（AI）預測蛋白質結構成為舉世公認的年度十大科學突破之首。十大科學突破技術，還有：首個口服抗新冠病毒藥物問世、繆子實驗出現可能突破標準模型的新結果、CRISPR應用於人體治療遺傳疾病等科學突破等等，分別概述如下：

一、AI預測及顯示蛋白質結構和形狀

2018年，由谷歌旗下DeepMind開發的AI驅動軟體程序“阿爾法折疊”（AlphaFold）問世，使這一領域驟然進入爆發通道。2020年，“阿爾法折疊2”展現出了更加耀眼的光彩。它由182個處理器組成的網絡提供動力，這一基於神經網絡的新模型預測的蛋白質三維結構，能夠達到原子水平的準確度。AI軟體可以快速計算出成千上萬的精確蛋白質結構，而且這種方式適用於數以萬計的蛋白質及其複合物。隨著該領域的發展，計算和分子生物學也將被改變。

今年(2021)，人工智慧預測已經超速運轉。其中，AI程式RoseTTAFold已經解決了數百種常見藥物靶點的蛋白質結構。DeepMind的科學家報告說，他們對人體中發現的350,000種蛋白質做了同樣的結構預測，這已經佔所有已知人類蛋白質的44%。接下來，他們的數據庫將增長到所有物種的1億蛋白質，幾乎是已知存在總數的一半。

今年(2021)，AI預測蛋白質結構取得超速發展。7月，DeepMind團隊與位於英國的歐洲分子生物學實驗室—歐洲生物信息學研究所一起，將基礎代碼公開，並公開了人類和其他20種模式生物中約25萬個蛋白質預測結構。他們計劃在明年(2022)發布所有物種已知蛋白質中近一半的結構，總計約1.3億個。

然而，科學家並不滿足於單純預測結構。下一步，他們想要預測這些蛋白質的工作關係，以及它們如何相互作用。在今年10月出版的一篇預印本論文中，DeepMind團隊公佈了4433個蛋白質複合物，揭示了哪些蛋白質會相互結合以及如何結合。11月，RoseTTAFold又增加了912個複合物。RoseTTAFold是一種使用較少算力的算法，可預測蛋白質複合體的結構。

最近，科學家們正利用“阿爾法折疊2”來模擬新冠病毒Omicron變種的穗狀蛋白突變效果，從而探尋它使中和抗體失效的原因。事實上，蛋白質結構並非靜止的，它們會在工作中彎折、扭曲。為這些變化建模仍是科學家面臨的一項巨大挑戰。

二、解鎖古老泥土DNA寶庫

今年，科學家們從洞穴地面的土壤中解鎖了一個更大的古代DNA寶庫。在西班牙的Estatuas洞穴，核DNA揭示出了8萬至11.3萬年前生活在那裡的人類遺傳特徵和性別，並提示尼安德特人的一個譜系在10萬年前結束的冰川期之後取代了其他幾個譜系。在美國的Satsurblia洞穴有2.5萬年曆史的土壤中，科學家們發現了來自以前未知的尼安德特人譜系的女性人類基因組。通過將墨西哥奇基維特洞穴中1.2萬年前的黑熊DNA與現代熊DNA比較，科學家發現，在最後一個冰期結束後，洞中黑熊的後代向北遷徙至阿拉斯加。

三、歷史性核聚變突破

今年8月，美國國家點火裝置(NIF)產生了一種聚變反應，這種反應產生的能量大於點燃它所需的雷射光能量。NIF使用來自世界上最高能量激光的脈衝，來壓縮胡椒粒大小的氫同位素氘和氚顆粒。這種方法每次發射產生170千焦的聚變能量——遠低於1.9兆焦的激光輸入。但8月8日的記錄顯示，該能量飆升至1.35兆焦。研究人員認為，這是燃燒等離子體的結果，這意味著聚變反應產生了足夠的熱量，可以像火焰一樣通過壓縮燃料傳播。

四、抗新冠口服藥物問世

數據顯示，美國默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風險降低30%。而如果在出現症狀的3天內開始服用輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332，則可使住院率降低89%。科學家們強調，抗病毒藥物不能取代疫苗接種，但它們仍然至關重要。如果新的Omicron變體導致突破性感染激增，它們的重要性將更加突出。

五、搖頭丸可治療PTSD

發現3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA），即我們常說的“搖頭丸”的主要成分，顯著減輕了創傷後壓力症候群（PTSD）患者的症狀。在76名受試者中，有67%不再有PTSD症狀，而安慰劑組僅為32%。

六、單克隆抗體治療傳染病

今年，單克隆抗體（mAb）開始在對抗新冠病毒和其他威脅生命的病原體，包括呼吸道合胞病毒（RSV）、HIV病毒和瘧疾寄生蟲等方面顯現出效果。到今年年底，已有3種用於治療新冠病毒的單克隆抗體獲得FDA緊急使用授權。科學家還在開發針對流感、Zika病毒和cytomegalovirus的單克隆抗體。單克隆抗體或將成為傳染病武器庫中的標配。

七、以地震數據首次揭露火星內部結構

美國國家航空航天局（NASA）“洞察”號火星探測器在其著陸點測量了大約733次地震。科學家基於其中35次地震的數據揭示了火星的內部結構，並估算出火星地核的大小、地幔的結構和地殼的厚度。這也是科學家第一次使用地震數據來探測地球以外行星的內部，邁出了了解火星形成和熱演化的重要一步。

八、繆子g-2可能突破標準模型

美國伊利諾伊州的費米國家加速器實驗室，以獲得更純淨的繆子g-2。今年，他們證明了他們之前的結果不是僥倖。但適當的比較取決於標準模型預測的精度。在實驗者公佈他們的結果的同一天，一個理論家團隊發表了一項計算，他們認為，增加了標準模型預測並縮小了觀察到的差距。其他物理學家表示，理論上的共識仍然表明繆子g-2具有額外的磁性。現在，問題是為什麼對與標準模型預測的微小差異的其他搜索可能會為所希望的新物理學提供更多線索。

九、首證CRISPR療法對人類療效

基因編輯工具CRISPR於2020年首次顯現出或可治愈鐮狀細胞病和β-地中海貧血症的可能。今年，科學家則在人體內直接部署CRISPR-Cas9。6月26日，美國Intellia醫藥公司和再生元公司在6名患有名為“轉甲狀腺素澱粉樣變性病”的罕見疾病患者身上測試了他們的治療方法。結果顯示，所有參與者的畸形蛋白質水平均有所下降，其中兩名接受高劑量注射的患者畸形蛋白質水平平均下降了87%。

十、人造胚泡有望減少倫理爭議

今年，科學家設計了“胚泡”的關鍵胚胎階段的替代品。他們從人類胚胎幹細胞中複製了胚泡，並誘導出了多能幹細胞（IPS）。另一項研究發現，轉化為誘導多能細胞的皮膚細胞會產生囊胚狀結構。這些人造胚泡並不是真正的胚胎，但其中一些可作為某些研究的替代方案以減少倫理爭議。5月，國際幹細胞學會宣布放寬人類胚胎培養“14天規則”，以進一步提高該領域的研究。(2115字；圖1)

參考資料：
Science’s 2021 Breakthrough of the Year: AI brings protein structures to all. Science, 2021/12/16.

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