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这些成果标志上海走在科学前沿

——2018年上海高校和科研院所重大科研成果盘点
2018年12月30日 11:47    来源:多播网    关注度(128)

2018年,上海各高校和中科院上海分院各家科研机构中,基础研究领域涌现出一大批处于国际前沿的科研成果,尤其是在生命科学等领域展现出从跟跑到并跑,乃至领跑的趋势。

1. 突破体细胞克隆猴世界难题

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心团队攻克生命科学前沿世界性难题,在国际上首次实现非人灵长类动物的体细胞克隆,于2017年11月27日诞生世界首只体细胞克隆猴“中中”,12月5日诞生第二只克隆猴“华华”。该成果于2018年2月8日在国际生物学顶尖学术期刊《细胞》以封面文章发表,标志着我国在非人灵长类研究领域率先实现由“并跑”到“领跑”的转变。世界著名学者和学术期刊对该工作给予高度评价。2012年诺贝尔奖得主约翰·格登在同期《细胞》杂志发表评论:“这是一项里程碑式的工作,通过克隆技术的精准优化,结合表观遗传修饰的运用,攻克了体细胞核移植技术原有的技术瓶颈……一个定制化卵母细胞克隆非人灵长类的时代开启了。”国际权威学术期刊《科学》杂志报道称:“这项技术可用于生产一批基因型均一的非人类灵长类动物,以更好地应用于生物医学研究。”

2. 阿尔茨海默病新药GV-971取得重要突破

中国科学院上海药物研究所研究员耿美玉带领科研团队研发的“甘露寡糖二酸(GV-971)”是具有我国自主知识产权的新型口服抗阿尔茨海默病(AD)创新药物,获得了全球专利保护。2018年7月17日,临床III期揭盲试验结果显示,GV-971在认知功能改善的主要疗效指标上达到预期,具有极显著的统计学意义和临床意义,且不良反应事件发生率与安慰剂组相当,安全性好,适合长期服用。GV-971 由海藻提取的海洋寡糖分子制成,可通过多位点、多片段和多状态的方式捕获 β 淀粉样蛋白(Aβ),抑制 Aβ 纤维形成,及将已形成的 Aβ 解聚。此外,药物可重塑机体免疫稳态,降低脑内神经炎症,控制阿尔茨海默病程进展。

3. 国际首例人造单染色体真核细胞创建成功

染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息,真核生物通常含有线型结构的多条染色体,而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。真核生物是否也能像原核生物一样,用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能呢?中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军团队与合作者经多年不懈探索,成功创建了单条染色体的真核细胞,在“合成生物学”领域取得了具有里程碑意义的重大突破。他们以单细胞真核生物酿酒酵母(天然含有16条线型染色体)为研究材料,通过15轮的染色体融合最终成功创造了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株SY14;发现虽然该染色体三维结构发生了巨大变化,但酵母细胞却具有正常的生长与生理功能及接近正常的交配与减数分裂功能;揭示了染色体结构与实现细胞生命功能的全新关系。这项工作在国际上首次创造了自然界不存在的简约化的生命——仅含单条染色体的真核细胞,表明复杂的生命形式也可以以简约化的全新形式来表现。单染色体真核细胞的“诞生”,在基因组进化上建立了原核生物与真核生物之间的桥梁,让人们对生命本质的理解更进了一步。研究成果于2018年8月1日在《自然》杂志上以学术长文在线发表。

4. 首次揭秘新生造血干细胞在体归巢全过程

中国科学院上海营养与健康研究院研究员潘巍峻带领团队突破现有理论和技术体系,在国际上率先采用可变色荧光蛋白实现了造血干细胞在体标记,首创出一套全新的从宏观到微观完整解析体内造血干细胞归巢全过程的研究体系。通过大规模计算统计分析,发现了体内造血组织中的“归巢热点”,并揭示其内部独特的微血管结构。研究还发现一种定植于造血微环境内的巨噬细胞新亚群,命名为“先导细胞”。该细胞能够识别并引导造血干细胞进入特定血管结构中,从而实现成功归巢及增殖分化。上述原创性科学成果于2018年11月20日在《自然》(Nature)杂志在线发表,并于12月6日作为封面刊印予以重点报道。该工作为提高造血干细胞移植效率的转化研究提出了新理论和新思路。

5. 软件定义航天首秀 “天智一号”

2018年11月20日,软件定义试验卫星“天智一号”在酒泉卫星发射中心搭载发射成功。

这是我国首颗专门用于验证软件定义卫星关键技术的新技术试验卫星。目前,星载App“星箭分离成像”已有效获取多个空间目标图像,后续还将上注在轨超分软件、自主请求式管控软件等多个App,用于验证通过软件定义实现在轨功能、性能更改或提升的可行性,从而大幅度提高卫星的效费比和智能性。

ldquo;天智一号”卫星成功发射,开启了用软件定义方法在航天领域开展理论研究和工程实践的先例,有助于将当前卫星研制从“平台优先”向“载荷优先”转变的进程再向前推进一代,升级为“算法优先”。软件定义卫星的设计理念将有效推动硬件资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件多样化的智能卫星发展。

6. 发现基于外尔轨道的三维量子霍尔效应

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系,从未涉足三维领域。复旦大学物理学系修发贤课题组首先在该领域实现重大突破,在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,并且揭示了其运动轨迹和运动原理,迈出了从二维到三维的关键一步。2018年12月17日,相关研究成果以《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》为题在线发表于《自然》杂志上。

7. 青蒿基础研究及产品开发领域取得重大突破

上海交通大学长江学者特聘教授唐克轩博士领衔的研究团队,历时5年多完成青蒿复杂基因组的测序,以及多个组织部位的转录组遗传信息发掘,为青蒿乃至菊科植物的基础研究、品种选育打下基础。该研究成果在线发表于Cell出版社旗下植物科学领域权威期刊《Molecular Plant》,并作为亮点成果,由Cell出版社于北京时间2018年4月24日,在全球媒体平台宣传报道。

该团队对于多年选育的高产青蒿素青蒿品种——沪蒿1号进行了全基因组测序、组装、注释及相关分析,测序共产生450 GB的庞大数据,测序深度达到260倍左右,共组装出了约1.74 GB基因组总长,预测鉴定出了63,226个编码蛋白基因,属于基因数量较多的物种之一。从目前已完成测序的植物基因组基因数统计结果看,绝大多数植物基因组的基因数在2.5万—5万左右,只有少数植物基因组报道其基因数目超过6万。完成青蒿基因组测序丰富和填补了相对匮乏的菊科类植物的基因组信息,是本草基因组学研究的一项重要突破。

8. 在环境条件下制备反常化学计量比的氯化钠晶体

2018年5月,上海大学教授吴明红研究团队和上海应用物理所教授方海平研究团队在《自然·化学》期刊在线发表了题为《环境条件下稀溶液中石墨烯表面非常规化学计量的二维Na-Cl晶体》的论文,报道了常温常压条件下制备出氯化二钠(Na2Cl, 钠氯原子比2:1)、氯化三钠(Na3Cl,钠氯原子比3:1)等具有反常化学计量比晶体。氯化二钠、氯化三钠晶体的发现,颠覆了我们中学教科书上常温常压条件下食盐晶体中钠氯原子比总是1:1的常识(分子式NaCl)。这一发现是吴明红教授团队和方海平教授团队继2017年“通过离子控制石墨烯氧化膜层间距实现离子筛分”项目研究取得重大突破后的又一创新性研究成果。这种反晶生成方法可以应用于其他元素的反晶生成,从而获得各种新材料,具有巨大的学术价值和应用前景。

9. 发现成年人脑海马区内无新生神经元

复旦大学脑科学研究院、医学神经生物学国家重点实验室、复旦大学附属中山医院神经内科双聘教授杨振纲课题组参与的一项国际合作研究取得重大突破。该研究结果为成年人类脑内是否有新生神经元的长期争论提供了否定性新证据,显示成年人脑海马区没有新生神经元产生。相关论文2018年3月以《海马脑区的新生神经元在儿童脑内显著下降,在成人脑内没有发现》为题,在线发表于国际顶级期刊《自然》杂志。

10. 实现二维半导体准非易失存储原型器件

复旦大学微电子学院教授张卫、周鹏团队实现了具有颠覆性的二维半导体准非易失存储原型器件,开创了第三类存储技术,解决了国际半导体电荷存储技术中“写入速度”与“非易失性”难以兼得的难题。2018年4月10日,相关工作以《用于准非易失应用的范德瓦尔斯结构半浮栅存储》为题在线发表于《自然·纳米技术》。复旦科学家研发的新型电荷存储技术,既满足了10纳秒写入数据速度,又实现了按需定制的可调控数据准非易失特性。这种全新特性不仅在高速内存中可以极大降低存储功耗,在大型计算机中,其存储节能的作用会更加凸显。同时还可以实现数据有效期截止后自然消失,有点像我们今天的自主设定定期清除内存一样的效果,可以在特殊应用场景解决保密性和传输的矛盾。

11. 实现不对称陀螺分子的全光三维空间取向

华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室教授吴健团队与以色列魏兹曼研究所科学家合作,利用交叉偏振的飞秒双色激光场,首次实现了不对称陀螺分子的全光三维空间取向。相关研究成果在线发表于2018年12月的《自然-通讯》。该发现有可能为基于X射线自由电子激光和电子束衍射的超高时空分辨分子动力学成像奠定重要基础。通过操控电子阿秒精度的重散射过程,研究团队发现可以有效地将电子从激光场获得能量传递给原子核,近30年来首次实验观测到分子高阶阈上解离原子核能谱,为分子内原子核存储更多的光子能量提供了新思路。相关研究成果多篇论文在《Nature Communications》《PNAS》等杂志发表。

12. 揭示6000年前人类活动改变华南植被的演替规律

2018年10月29日,国际著名地学刊物在线发表了同济大学海洋与地球科学学院翁成郁教授团队的研究论文。该研究对比了多个与现今温暖环境类似的间冰期中植被演变的过程,发现至少在中国华南地区,早期人类活动对于全球自然生态系统的作用被大大低估,人类其实早在至少五六千年前就实质性地改变了自然植被的演替规律与演化过程。这是在世界上首次以确凿证据揭示了早期人类对自然生态系统的强烈改变,也意味着自然环境早在五六千年前就可能已经被改变而并不是那么“天然”,或者说真正的天然植被早已经离我们而去了。该研究是通过分析采自南海北部的深海沉积物岩芯中保存的由陆生植物产生的孢子与花粉而得到的结论。

13. 揭示卵子独特表观遗传状态建立机制

雌性哺乳动物的一生中只能提供有限数目的卵子,卵子的DNA甲基化水平很低,只有精子和绝大部分终末分化的体细胞的DNA甲基化水平的一半左右。然而,卵子的这种独特的DNA甲基化谱式的独特特征是怎样形成的、受哪些因子调控、又有着怎样的生物学意义却并不清楚。2018年11月28日,同济大学生命科学与技术学院高绍荣教授课题组与中科院生物物理所朱冰研究员课题组合作,在《自然》杂志在线发表研究论文,报道了Stella通过抑制DNMT1介导的起始性DNA甲基化,揭示卵子发生过程中DNA甲基化模式建立的机制。特别值得一提的是,该研究首次在体内证实了DNMT1可以作为起始性DNA甲基化转移酶,打破了教科书里关于DNMT1只是维持性DNA甲基化转移酶的论断。

(作者:耿挺 吴苡婷 王阳 陶婷婷 责任编辑:ydm)

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