《科學》2021年度十大科學突破

編譯 劉迪一

AI預測蛋白質三維結構

1972年，被授予諾貝爾獎的美國生物化學家克里斯蒂安?安芬森（Christian An fi nsen）在發表獲獎感言時提出：有一天，我們可以僅僅根據氨基酸的序列來預測任意蛋白質的三維結構。要知道光人體內的蛋白質就有數十萬種——結構預測若成真，將被廣泛應用，并為基礎生物學帶來新見解，更有望揭示新藥物靶點。

經過近50年的努力，現在研究人員已經成功通過人工智能算法預測了數千個精準的蛋白質結構。

科學家曾經只能通過實驗室分析來確定蛋白質三維結構，如今卻可以快速計算出數以萬計的蛋白質以及相互作用的蛋白質復合物。美國倫斯勒理工學院的結構生物學家加埃塔諾?蒙特利奧內（Gaetano Montelione）稱“這是結構生物學的巨大變革”。

蛋白質是生命活動的承擔者。它們收縮人體肌肉，將食物轉化為細胞能量，在血液中運送氧氣，對抗微生物入侵者。盡管技能職責各異，但所有蛋白質的基本形式都相同：一條由20種不同氨基酸組成的線性鏈，以DNA編碼的序列串在一起。在被稱為核糖體的細胞工廠里完成組裝后，每條鏈都會折疊成獨特、精致而復雜的三維形狀。這些形狀決定了它們如何與其他分子相互作用，決定了它們在細胞內發揮的作用。

安芬森和其他人的工作表明氨基酸之間的相互作用決定了蛋白質的空間形態，但這些作用單元的數量如此之巨——即便中等大小的蛋白質所形成的形狀數量可達天文數字。1969年，美國分子生物學家賽勒斯?萊文塔爾（Cyrus Levinthal）計算后表示，若以窮舉法列出某種蛋白質可能存在的構象，所需要的時間比已知宇宙的年齡更長。

20世紀50年代，研究人員開始通過X射線衍射分析來繪制蛋白質的3D結構圖。這一被稱為X射線晶體學的技術很快成為行業領先的方法。今天，全球最大蛋白質結構信息庫之一、主要基于X射線晶體學等技術的蛋白質數據銀行包含大約18.5萬個以實驗方法獲得的三維結構。然而，如此繪制一個蛋白結構可能需要數年時間，成本高達數十萬美元。為了提升效率，科學家于20世紀70年代開始創建計算機模型來預測給定蛋白質的折疊方式。

人工智能預測了兩種參與酵母DNA修復的蛋白質復合體的三維形狀

起初，這僅適用于小尺寸蛋白質或較大蛋白質的短片段。到了1994年，計算機模型升級至相當高的水準，兩年一度的蛋白質結構預測的關鍵評估（CASP）競賽也就此開始。大賽組織者向建模者提供數十種蛋白質的氨基酸序列，建模者計算得到的形狀與通過X射線晶體學和新興技術——如核磁共振波譜和冷凍電鏡——確定的結構進行比較。得分90分以上的預測被認為與實驗結果相當。

早期的預測令人沮喪，得分中位數低于60分。但隨著時間推移，建模者改進了計算技巧。例如，由兩種蛋白質共享的氨基酸片段通常有著相似的折疊。如果一種未知結構蛋白質與一種已知蛋白有50%的氨基酸序列相同，則后者可作為指導計算機模型的“模板”。

到2018年，建模師的CASP得分通常保持在70多分的水平。隨后，谷歌旗下DeepMind開發的AI預測神器AlphaFold登場。經歷過蛋白質數據庫訓練的AlphaFold在CASP首秀中收獲了中位數得分接近80分的佳績，也贏下與其他算法的90輪角逐（即90種蛋白質預測）里的43場。2020年，新版AlphaFold2更加閃耀。由182個經過機器學習優化的處理程序組成的網絡是AlphaFold2大顯神威的基礎，幫助它斬獲92.4分的中位數得分——換言之，機器預測準度與實驗方法相當。

馬里蘭大學的結構生物學家、CASP聯合創始人約翰?莫爾特（John Moult）表示：“我從沒想過自己有生之年會看到這種情況。”

2021年7月中旬，貝克和同事在《科學》雜志上發文稱，他們的AI程序RoseTTAFold已經預測了數百種蛋白質的結構——全部來自一類常見的藥物靶點。貝克團隊的成果發布一周后，DeepMind的新論文又登上《自然》：他們對35萬種人體蛋白質——占所有已知人類蛋白質的44%——進行了高精度預測。當時他們預計，自己的數據庫將在接下來的幾個月里爆炸式增長，擁有來自各種生物體的總計1億種蛋白質——幾乎達到生物界蛋白質總數的一半。

下一步工作是預測這些蛋白質中的哪些是一起工作的，以及它們如何相互作用。DeepMind已經著手這方面的工作了。在2021年10月份發布的預印本中，科學家揭開了4 433種蛋白質復合物的神秘面紗，向世人展示了哪些蛋白質以怎樣的方式彼此結合。11月，RoseTTAfold又增加了912個復合物的計算結果。

AlphaFold2和RoseTTAFold的代碼現已公開發布，可作科學家的研究工具。2021年11月，德國和美國的研究人員使用AlphaFold2和冷凍電鏡繪制了核孔復合物的結構圖。核孔復合物由30種不同的蛋白質組成，控制著細胞質與細胞核內的物質輸送活動。2021年8月，中國科學家使用AlphaFold2繪制了近200種結合DNA的蛋白質結構圖，這些蛋白質可能涉及從DNA修復到基因表達的方方面面。最近，谷歌母公司Alphabet成立了一家新企業，旨在通過預測得到的蛋白質結構來設計新的候選藥物。貝克團隊正使用其軟件設計可折疊成穩定結構的新型蛋白質序列，這可能帶來新的抗病毒藥物和催化劑。

目前，研究SARS-CoV-2的科學家也在使用AlphaFold2來模擬奧密克戎毒株刺突蛋白突變的影響。突變使得刺突蛋白中插入了更大的氨基酸因而它們的形狀發生改變——或許這種改變足以妨礙抗體結合并中和病毒了。

AlphaFold2和RoseTTAFold等的確將蛋白質領域的想象空間完全打開，不過我們現在還要解決不少問題。例如，蛋白質結構并非靜態，它們在工作時彎曲或扭曲，對這些變化進行建模仍是挑戰。此外，對大多數在細胞內執行海量工作的大型多蛋白質復合物進行可視化無疑是一項艱巨任務。

逼近核聚變的平衡點

2021年8月，美國國家點火裝置（NIF）產生了一種聚變反應，非常接近所謂的“產耗平衡點”——如果越過平衡點，聚變產能將比點燃聚變反應所需的激光能量更多。

核聚變為太陽等恒星提供能量，長期以來一直被視為地球能源問題的解決方案。但要達到聚變所需的壓力和溫度——是太陽核心溫度的10倍——極為困難。很多研究者選擇用磁場約束超熱等離子體，NIF則使用來自世界上最高能量激光的脈沖來壓縮胡椒粒大小的氫同位素氘和氚膠囊。早些時候，該方法每次發射產生170千焦的聚變能量——遠低于1.9兆焦的激光輸入能量。

但在2021年8月8日的一次記錄中，聚變產能飆升至1.35兆焦。研究人員認為這是燃燒等離子體的結果，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。

現在，NIF的團隊正嘗試通過用更大或更光滑的燃料膠囊、更均勻的冷凍燃料層或更高質量的激光脈沖來探究如此高產能背后的原理，以及如何調整啟動條件以取得更好效果。

192束激光束會聚于一個微小的燃料芯塊周圍

隨著NIF方面接近平衡點，私人核聚變項目正加快步伐。國際熱核聚變實驗堆（ITER）是目前世界最大的托卡馬克磁約束聚變裝置，坐落于法國，總投資達250億美元，由中國、美國、歐盟、俄羅斯以及日本等國參與建設。一些人預測，在ITER正式產能之前很久，私人的聚變項目就會落地。2021年，私營公司聯邦聚變系統（CFS）和托卡馬克能源（TE）表示在高溫超導磁體方面取得了進展。通用聚變公司（GF）和TAE技術公司正在規劃核聚變發電廠。

粒子物理學或將被顛覆

2021年4月，美國費米國家加速器實驗室（FNAL）發布繆子反常磁矩實驗的結果：繆子的行為與標準模型理論預測不相符——它比模型預測的更具磁性，實測結果與理論值相差4.2倍標準方差。該結果可能預示著未知的新粒子和新的高能物理學理論。

粒子物理學中的標準模型從二十世紀六七十年代發展起來，描述了三種基本力——電磁力、強核力和弱核力——以及組成所有物質的基本粒子。不過標準模型不可能成為關于自然的終極描述，因為它忽略了引力和暗物質。當然，在FNAL公布新發現以前，標準模型成功解釋了每一個高能粒子實驗的結果。

繆子近似電子，不過質量比后者重200倍，其磁性為科學家尋找其他未知粒子提供了間接方法。繆子和電子都有內稟磁矩，在外界磁場的作用下，繆子會發生“搖擺”，不僅繞自身的軸自旋，同時也繞磁場的軸旋轉，這就是所謂的進動，而進動頻率的大小取決于磁矩。繆子內稟磁矩與進動頻率間的比值被稱為“旋磁比”，也叫g-因子，科學家可以精確計算出這一比值。

但當繆子于磁場內旋轉時，其周圍時空存在轉瞬即逝的量子泡沫（又稱“虛粒子”），二者相互作用，g-因子會因此改變，進動頻率自然也發生變化。標準模型可以精確預測這種變化，但如果量子泡沫中包含新的作用力或粒子，g-因子將進一步改變，而標準模型對此無能為力。

在美國費米國家加速器實驗室的這個環內，繆子像指南針一樣在磁場中旋轉，精確度為十億分之三十

紐約布魯克海文實驗室于1989年至1996年間構建了“繆子反常磁矩精確測量”實驗（繆子g-2實驗），并在1997年至2001年間開展實驗收集數據，結果發現測量值與標準模型預測之間存在偏差。2021年，他們證明了20年前的偏差并非差錯。

現在我們的問題是，4.2倍標準方差的差距因何而來？對此疑問的追尋可能引起一輪物理學變革。如果物理學家足夠幸運的話，世界最強粒子加速器——歐洲大型強子對撞機——在經過3年升級，于2022年春天再度上線后，某些新粒子可能炸出驚喜。

新冠特效藥幫助患者降低風險

疫苗在人類對抗新冠病毒的斗爭中扮演重要角色，而抗病毒藥物的作用也同樣不容忽視。人們可于感染早期服用它們，以防病癥發展。

2021年秋天，制藥巨頭輝瑞和默克公布了臨床試驗的捷報。根據提交給監管機構的最終數據，默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋（Molnupiravir）可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風險降低30%（低于中期數據50%）。若在患者出現癥狀的3天內服用輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332，可將住院率降低89%。英國于2021年11月批準了莫奈拉韋。美國食品藥品管理局（FDA）的抗菌藥物咨詢委員會（ADAC）以投票形式通過了對莫奈拉韋的緊急使用授權。監管機構正在研究PF-07321332的授權問題。

另一方面，科學家也強調，抗病毒藥物雖無法替代疫苗，但可以說至關重要，如果新的奧密克戎變體導致突破性感染激增，它們可能變得更加重要。默克和輝瑞都在測試這些藥物能否幫助疫苗接種者。

默克的莫奈拉韋將未接種疫苗的高風險個體因新冠病毒住院或死亡的風險降低了30%

當然，相關問題還有很多。抗病毒藥物可以減少感染者傳播病毒的可能性嗎？低收入國家能否獲得足夠藥物供應？會不會出現某些沒在臨床試驗中觀察到的副作用？不過無論如何，科學家和醫生對已有成果感到滿意——并因療法的多樣而激動，因為這可能有助于防止病毒產生抗藥性。

從泥土解鎖遠古的核DNA

來自化石的DNA揭示未知的親緣關系，追蹤族群的早期遷徙，證明古老的種間交配，改變進化學研究的范式。2021年，科學家從洞穴地面的泥土中解鎖了一個更大的古代DNA寶庫。他們在那里首次發現人類細胞核DNA，并以此重建了世界各地穴居人的身份。

這項新工作借鑒了此前針對活物種留在環境里的DNA的研究。為了確定是哪些生物棲息在湖泊、森林或其他地方，科學家們收集了它們釋放至空氣、水和土壤中的自由漂浮的DNA。2003年，進化遺傳學家發現這種環境DNA可以持續存在數千年。2015年，研究人員在沒有化石材料的情況下，借助環境DNA重建整個古代生態系統。（不過大部分DNA來自線粒體。）

如今借助新技術，科學家可以從古老的土壤中梳理出攜帶完整生命指令的核DNA。

2021年，最新解鎖的泥土DNA來自三個洞穴。西班牙埃斯塔圖斯洞穴土壤內的核DNA揭示了11.3萬年前至8萬年前生活在那里的古人類的遺傳特征和性別，并表明尼安德特人的一個譜系在10萬年前結束的冰川期后取代了其他幾個譜系。格魯吉亞的薩薩布里亞的土壤有2.5萬年歷史，研究人員從中發現了來自以前未知的尼安德特人譜系的女性基因組，以及野牛和現已滅絕的狼的遺傳痕跡。研究人員在墨西哥奇基韋特洞穴里發現了屬于1.2萬年前黑熊的DNA，并將其與現代熊的DNA進行了對比。結果發現，在最后一個冰河時代以后，洞中黑熊的后代向北遷徙至阿拉斯加。

一名研究人員記錄了墨西哥奇基韋特洞穴沉積物樣本的位置

提取并測序古代土壤中核DNA的技術仍處發展中。科學家希望借助古代泥土回答更多有關古代物種興衰的問題。

單克隆抗體治療傳染性疾病

單克隆抗體（mAb）徹底改變了某些癌癥和自身免疫性疾病的治療方式，但其在對抗傳染病方面一直沒能取得重大突破。然而，2021年，mAb的故事發生轉變，單克隆抗體重拳出擊，對抗SARS-CoV-2以及其他威脅生命的病原體（包括呼吸道合胞病毒RSV、HIV和瘧疾寄生蟲），并且收得奇效。

為制備單克隆抗體，科學家從實驗室動物和人類體內分離出最強大的抗體，并進行大量復制。作為藥物，mAb主要用于抑制免疫反應或標記腫瘤細胞繼而殺死腫瘤。在美國，唯一獲批用于治療傳染病的mAb僅限于應對罕見疾病：埃博拉、吸入性炭疽、復發性艱難梭菌、高危嬰兒體內的RSV以及無藥可醫了的艾滋病人體內的HIV。印度已批準將單克隆抗體用于狂犬病治療。

隨著克隆、動物模型和X射線晶體學等技術的進步，研究人員現在能夠制造和篩選比以往更多的 mAb，從而簡化他們的搜尋工作。新冠病毒mAb 在2020年的臨床試驗中取得可喜結果。到2021年底，FDA已批準了3種用于防治COVID-19的單克隆抗體的緊急使用授權。

藝術家概念中的抗體正攻擊新冠病毒

此外，科學家正在開發針對流感、寨卡病毒和巨細胞病毒的單克隆抗體。兩個旨在預防所有嬰兒RSV的候選藥物也被寄予厚望。另有研究顯示，mAb對預防某些HIV毒株效果很好——雖然該研究的整體結果是失敗的。

單克隆抗體有望成為傳染病武器庫中的“標配”。

洞察號首繪火星內部結構

巖質行星的內部藏著歷史：它稠密的地核、黏滯的地幔以及硬化的地殼可以告訴我們它怎樣合并、攪動和沉淀，成為今天的樣子。在2021年之前，科學家們只能從地球和登月者視角下的月球處挖掘歷史，但美國宇航局（NASA）洞察號火星探測器首次將火星面貌呈現于人類眼前。

當洞察號于2018年抵達紅色星球時，火星似乎不愿意暴露其埋藏的秘密。盡管多次嘗試，火星車的熱探測器未能穿透火星的黏性沉積物。洞察號的超靈敏地震儀旨在監測地震以助于繪制行星內部結構，迄今為止探測到了數百次震動，其中有4次地震信號強烈而清晰，來自1 600公里外的裂隙區域科柏洛斯槽溝。基于這幾次火星震的數據，再結合對內部成分的估計，研究者的繪制工作大有進展。地震信號表明火星地殼是分層的，厚度不到40公里——比地球大陸地殼更薄。薄地殼令火星迅速散發其早期的內部熱量。

經過更深入的觀察，洞察號發現火星地幔缺少地球地幔所具有的絕緣底層。此外火星地幔也很淺，被擠壓在地殼和超大液態內核（核直徑超過火星直徑的一半）之間——考慮到火星本身的質量，科學家們得出結論，火星地核的密度相當低。雖然火星的熱量流失很快，但硫等輕元素的混合物可能會使其鐵和鎳保持液態——就像鹽防止水結冰一樣。研究人員于2021年7月在《科學》雜志上發表了新發現。

地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、淺層的地幔和一個巨大的液態核心

有了這些新數據，科學家們將在未來幾年內進一步探索火星歷史，嘗試回答這些問題：火星是否曾有過類似于地球的板塊運動？它的液態核心是何時冷卻下來并關閉磁場的？

洞察號可能還有更多故事要分享，但隨著火星塵土繼續在其太陽能電池板上積聚，留給洞察號的時間不多了——預計它到2022年底就會耗盡電力。

搖頭丸可治療創傷后應激障礙

迷幻藥改變思想的力量令人類抱有利用它緩解精神疾病的期待，但一直鮮有大規模且嚴格的試驗證明其效用。2021年，期待者們迎來喜訊：一項多中心的隨機對照試驗發現，3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA，俗稱搖頭丸）可顯著減輕創傷后應激障礙（PTSD）患者的癥狀。

該研究結果于2021年5月發表在《自然-醫學》（Nature Medicine）上，顯示談話療法加MDMA的組合會增強PTSD患者的幸福感和共情能力，幫助他們更好地應對創傷回憶。

亮眼的結果激發了關注者的熱情，但部分學者也對此持保留態度。多倫多大學的神經學家馬修?伯克（Matthew Burke）和精神病學家丹尼爾?布倫伯格（Daniel Blumberger）在《自然-醫學》雜志上發文稱， MDMA試驗對參與者的心理影響顯而易見，甚至提高了改善癥狀的概率。對參與者的隨訪調查也表明，多達90%的參與者都猜出了他們屬于哪一組。實際上，“我們需要徹底改變精神病學治療效果的衡量方式”。

使用MDMA治療創傷后應激障礙患者

學術機構和商業公司正積極探索MDMA及其他迷幻藥在治療抑郁癥、焦慮癥和成癮等精神疾病方面的潛力。2020年11月，總部位于倫敦的精神保健公司COMPASS Pathways宣布了一項233人參與的隨機試驗的結果。該試驗將賽洛西賓（Psilocybin，又稱裸蓋菇素，迷幻蘑菇中的致幻成分）用于治療頑固性抑郁癥患者。該公司現正計劃開展更大規模的MDMA試驗。若后續研究結果令人滿意，該公司將最早于2023年申請FDA的批準。

體內CRISPR編輯成功

基因編輯工具CRISPR在2020年首次展現臨床上的巨大潛力，當時人們發現似乎可以通過基因編輯治愈兩種遺傳性血液疾病——鐮狀細胞病和β-地中海貧血癥。之所以說“似乎”，原因是2020年的治療開展于實驗室培養皿中：科學家從患者體內取出有缺陷的造血干細胞，對其進行編輯，然后將它們重新注入患者體內。到了2021年，科學家更進一步，直接在人體內部署CRISPR。在小型研究中，新策略減少了一種有毒的肝臟蛋白質，并一定程度上改善了遺傳性失明患者的視力。

如果能將CRISPR療法注射到器官或血液中，基因編輯就可治療更多疾病，但這也會帶來重大挑戰：在CRISPR的分子成分必須以正確的數量安全地運送至目標細胞內。

2021年6月，美國Intellia公司（NTLA）和再生元公司（RP）的研究團隊在《新英格蘭醫學雜志》（NEJM）發文稱，治療轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變性（ATTR）的CRISPR基因編輯療法NTLA-2001在1期臨床試驗中取得積極結果：參試者經過4周治療，血液甲狀腺素運載蛋白（TTR）的水平平均下降52%（0.1 mg/kg劑量組）或87%（0.3 mg/kg劑量組）。因TTR基因的特定突變，ATTR患者神經和心臟等組織內的TTR錯誤折疊并積聚，產生極大損害。NTLA和再生元團隊通過非病毒脂質納米顆粒向人體輸送CRISPR，實現了TTR基因編輯。

RNA（藍色）將DNA切割酶（白色）引導至其目標（橙色）

在另一項研究中，Editas 醫藥公司的研究人員將一種攜帶CRISPR DNA的無害病毒注射至6名先天性黑蒙癥10型的成年患者眼睛中。病毒攜帶的DNA會破壞黑蒙癥相關的突變基因。2021年9月的一次會議上，研究人員報告稱，兩名幾乎完全失明的患者在3～6個月后感覺到了更多光亮，并且能在昏暗的光線下穿過設有障礙物的路線。

體外胚胎培養新進展

深入理解早期胚胎發育可以幫助科學家了解流產和出生缺陷，并完善體外受精（IVF）方案。但法律、實踐和倫理方面的限制在一定程度上阻礙了關于人類胚胎的科學研究。

以往研究人員一般能將小鼠胚胎體外培養3～4天。不過有團隊在2021年3月報告稱，他們成功將其體外培養時間延長至11天，其培養方案里的一個關鍵環節是把裝著胚胎的培養罐放在類似于微型摩天輪的設備上旋轉，令胚胎更充分地接受營養的滋養，并確保氧氣水平和大氣壓力適宜。胚胎在更長培養期間經歷了細胞重組、器官生長和后腿出現的關鍵階段。

其他科學家設計了囊胚（或者說胚泡）的替代品。囊胚指的是內部產生囊胚液和囊胚腔的胚胎，其中所有細胞都未分化，經過此階段后方才開始分化。在試管嬰兒過程中，囊胚是體外培養的終末階段，一般胚胎都會以囊胚形式植入母體。

該團隊利用人類胚胎干細胞和誘導多能干細胞（iPSCs）制作了囊胚替代品。另一項研究發現，正在向iPSCs過渡的皮膚細胞會產生囊胚樣結構。這些人造胚泡并非真正的胚胎，但其中一部分可提供具有指導意義且爭議較小的替代方案。

一個小鼠胚胎在一只旋轉的罐子里生長。這樣的胚胎可以幫助研究人員更好地了解人類發育的早期階段

2021年5月，國際干細胞研究學會發布了干細胞研究及其向醫學轉化應用的最新指南，放寬了數十年來限定人類胚胎培養的“14天規則”，允許科學家探索更晚的發育階段。

資料來源 Science