這些原始創新走在生命科學前沿

文／本刊記者 侯 靜

近日，中國科協生命科學學會聯合體公布2021年度“中國生命科學十大進展”評選結果，最終確定8個知識創新類和2個技術創新類項目成果為2021年度“中國生命科學十大進展”。

從二氧化碳到淀粉的人工合成

中國科學院天津工業生物技術研究所聯合大連化物所等單位，抽提自然光合作用的化學本質，從頭設計創建了從二氧化碳到淀粉合成的非自然途徑，解決了途徑代謝流從頭計算、關鍵酶元件設計組裝、生化途徑精確調控等科學問題，以生物催化與化學催化耦合的11步反應，顛覆了自然光合作用固定二氧化碳合成淀粉的復雜生化過程，在國際上首次實現了二氧化碳到淀粉的人工全合成，能效和速率超越玉米等農作物，突破了自然光合作用局限，并為二氧化碳原料合成復雜分子提供了新思路。

脊椎動物從水生到陸生演化的遺傳創新機制

4億多年前脊椎動物從水生到陸生是包括人類在內的陸生脊椎動物演化史上的重大事件，但長期以來對這一重大事件的遺傳創新機制知之甚少。西北工業大學生態環境學院王文、王堃團隊與中科院水生生物研究所何舜平和昆明動物所張國捷等團隊合作，發現硬骨魚祖先已進化出了陸生適應性相關的初步遺傳基礎，在肺魚代表的肉鰭魚內得到進一步加強，到四足動物最終完善而成功登上了陸地?！犊茖W》報道該成果揭示了“隱藏在現生魚類中水生到陸生演化的遺傳奧秘”。

新型冠狀病毒逃逸宿主天然免疫和抗病毒藥物的機制

清華大學饒子和院士、婁智勇教授課題組，在國際上首次發現和重構了新冠病毒轉錄復制機器的完整組成形式。以此為基礎，首次明確了病毒mRNA“加帽”成熟的關鍵酶分子，回答了冠狀病毒研究中近30年來懸而未決的問題，并且該分子在各突變株中高度保守，在人體中沒有同源物，為發展新型、安全的廣譜抗病毒藥物提供了全新靶點。同時，他們還首次發現病毒以“反式回溯”的方式對錯配堿基和抗病毒藥物進行“剔除”，闡明了瑞德西韋等藥物效果不良的分子機制，為優化針對聚合酶的抗病毒藥物提供了關鍵科學依據。

轉錄起始超級復合物組裝機制

復旦大學徐彥輝團隊解析轉錄起始復合物PIC及其與Mediator（中介體）組成的轉錄起始超級復合物結構的三維結構，系統地展示轉錄機器識別不同類型啟動子并完成組裝的全過程，揭示了轉錄為何發生在幾乎所有基因的啟動子上，顛覆了關于啟動子識別和轉錄起始復合物組裝的傳統認識，闡明了Mediator促進PIC組裝和轉錄激活的機制。

提高中晚期鼻咽癌療效的高效低毒治療新模式

針對放療后的鼻咽癌患者對傳統化療的耐受性問題，中山大學腫瘤防治中心馬駿研究團隊提出了小劑量、長時間口服細胞毒藥物卡培他濱的節拍化療模式，其可通過抗血管生成、殺傷腫瘤干細胞等機制持續抑制腫瘤，同時提高機體耐受性。馬駿教授研究發現，在放療后使用“卡培他濱節拍化療”可將失敗風險顯著降低45%，且嚴重毒副作用發生率減少了3/5，完成率達74%。同時卡培他濱口服用藥方便可及，易于推廣。該研究打破了傳統化療的療效瓶頸，建立了鼻咽癌國際領先、高效低毒且簡單易行的治療新標準。

異源四倍體野生稻快速從頭馴化

中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋團隊首次提出異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，對應對未來糧食危機提供了新的可行路徑，開辟了全新的育種方向。該項目篩選出一份四倍體高稈野生稻資源，建立了高效的組培再生、遺傳轉化與基因編輯體系，組裝了高質量參考基因組，并成功創制了改良落粒性、芒性、株高、粒長、莖稈粗度、生育期等不同類型的四倍體水稻新材料，突破了全部技術瓶頸，證明異源四倍體野生稻快速從頭馴化策略高度可行。未來四倍體水稻新作物的成功培育將有望對世界糧食生產帶來顛覆性的革命。

冠狀病毒的跨種識別和分子機制

中國科學院微生物研究所高福院士團隊建立了高效評估冠狀病毒跨種識別能力的方法，利用這些方法對蝙蝠源性冠狀病毒RaTG13和穿山甲源性冠狀病毒GD/1/2019和GX/P2V/2017的跨種傳播潛在風險進行評估，并闡明其跨種識別的分子機制，研究發現上述三種冠狀病毒存在跨種傳播的潛在風險，提示我們要持續對動物源性冠狀病毒進行監測，預防新的冠狀病毒引發疫情，同時為理解病毒進化提供分子基礎。

揭開鳥類長距離遷徙之謎

鳥類遷徙是最受關注的自然奇觀之一。中國科學院動物研究所詹祥江團隊歷時12年，通過整合多年衛星追蹤數據和種群基因組信息，建立了一套大陸尺度的北極游隼遷徙研究系統。研究人員闡明了氣候變化在鳥類遷徙路線形成、維持及未來變化趨勢中的驅動作用，發現一個和記憶能力相關的基因ADCY8在遷徙距離更長的游隼種群中受到正選擇，揭示了長時記憶可能是鳥類長距離遷徙的重要基礎。

干涉單分子定位顯微鏡

細胞的生理過程是由納米尺度的生物分子執行的，因此對生命活動更深入的理解需要納米分辨率的成像技術。中國科學院生物物理研究所徐濤院士組和紀偉研究組組成的技術攻關團隊，一直聚焦于突破光學顯微成像分辨率的研究，前期發展的ROSE顯微鏡把側向（X-Y）分辨率提高到納米水平，基于干涉定位創新原理又研制出ROSE-Z顯微鏡，進一步突破了軸向（Z）分辨率，可解析納米尺度的亞細胞結構，為生命科學研究提供了有力工具。該研究表明光學顯微鏡已經步入納米分辨率時代，我國科學家在該領域具備多學科交叉技術創新能力，研制的具有自主知識產權的新型超分辨成像設備處于國際領先地位。

全腦單神經元多樣性研究及信息學大數據平臺

東南大學腦科學與智能技術研究院彭漢川、顧忠澤、謝維團隊，建立了世界上首個完整的全腦單神經元分辨率大數據和信息學平臺，并應用于全鼠腦研究。針對神經元的全腦三維影像數據進行高通量神經元重建，全腦映射以及智能數據挖掘，并基于此平臺生產了目前世界上數目最大的單細胞神經元形態數據集，首次揭示了長程投射規則和分子水平基礎上的神經元形態亞類多樣性，對研究大腦細胞分型和功能、腦連接環路、全腦大規模模擬、類腦計算、基于生物腦的新型人工智能算法和系統等會持續產生重要作用。本成果實現了首個軟硬件結合的PB級超大規模腦大數據平臺和首個完整的單細胞形態數據生產流水線，定量證明了完整單細胞解剖學分析對神經細胞類型鑒定至關重要。