2016值得关注的六大科学领域

跨过号称“世界末日”的2012年,我们来到了充满期待的2013年.在这新的一年里,科学领域哪个方向的研究将会成为热点,哪个领域的发展将会独占鳌头呢?对此,世界顶级刊物美国《科学》（Science）杂志进行了预测,单细胞基因组测序、“普朗克”卫星探测宇宙微波背景辐射、人脑连接组计划、探索南极冰下世界、肿瘤免疫疗法和植物基础研究等6大科学领域榜上有名.NO.1

单细胞基因组测序

随着微流控技术、罕见细胞分离技术以及对单基因组破译能力的提高,单细胞基因组测序研究于2012年悄然崛起,并有望于2013年获得重大突破.

多数的基因组测序是通过提取大量细胞中的DNA后进行的.为了获得足够的DNA进行测序,通常需要数以千计、甚至数以百万计的细胞.这种测序方法,忽略了细胞与细胞之间的差异.而这些差异对于控制基因表达、细胞行为和药物反应有可能是至关重要的.近年,科学家们发明了一种可以对一个细胞进行基因组测序的单细胞基因组测序技术,实现了从生命活动的最基本单位——细胞这个层次,去研究生物的生长、发育、生殖、遗传和变异等过程.如今,在微生物生态学、癌症基因组、法医学、微量诊断和遗传印记等研究中,单细胞基因组测序技术使其研究和检测更深入、更细致,从而带动基础科学新的发现,也将给人类对抗疾病、保障健康和提高生命寿命和质量带来很多新的机会.

单细胞基因组测序技术的建立需要两个必备条件：一是高质量的全基因组扩增技术,二是高通量低成本的测序技术.2012年元月,测序巨头们几乎同时推出了新一代测序仪,为单细胞基因组测序提供“利器”.在这一年里,几乎每个星期都有重要成果在顶级期刊发表.

美国斯坦福大学医学中心的研究人员借助单细胞基因组测序技术首次对源自一名男性的91个精子细胞的全部基因组进行了测序,发现许多新的重组热点和与间接方法发现的相一致的比率.随后他更深程度地测序了8个精子足以确定突变率.这将有助于了解自然发生的个体遗传突变,对于不孕不育症的研究具有重要意义.

美国艾伯特爱因斯坦医学院的研究人员在2012年冷泉港的基因组生物学会议上报告说,对近200个精子细胞进行的测序,估算出捐精给他们的男子的重组率.研究者发现每个精子细胞平均有24.5个重组事件,与来自间接实验的结果相一致.

加拿大英属哥伦比亚大学等处的研究人员研发出了一种称为Strand-seq的新型测序方法,这种单细胞基因组测序新方法能分别对单细胞的双亲DNA模板链进行测序,获得高分辨率的姊妹染色体交换图谱.在细胞分裂过程中,当双螺旋解旋后,两条染色体上的遗传信息偶然会出现交换,如果这样的交换水平不断提高,也就是DNA损伤和癌症的一个标志,那么传统的基因组测序方法就无法检测出来.利用Strand-seq方法,研究人员可以完成单链DNA测序,并发现了首个基因组压力和不稳定性的痕迹.这种方法能来捕捉DNA一条链上的信息,并且能令研究人员对亲本DNA模板链进行单细胞基因组测序.

目前,单细胞基因组测序仍然处于不成熟的阶段,在技术上和成本上还远没有达到大规模应用的地步.但我们有理由相信：在2013年,单细胞基因组测序有望揭示更多信息,如了解癌细胞如何在肿瘤内变化以及每个细胞内“定居”着多少版本的基因,相关技术有望用于癌症诊断.在不远的未来,单细胞基因组测序将会使组织器官内细胞基因组的异质性研究、干细胞的异质性研究、生殖细胞的遗传重组研究和胚胎的植入前遗传学诊断研究更加精准.

NO.2

“普朗克”卫星

探测宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射.目前科学界普遍认为,宇宙诞生于距今137亿年前的一次大爆炸,微波背景辐射是大爆炸的“余烬”,它均匀地分布在整个宇宙空间.更精确地观测宇宙微波背景辐射,对于揭开宇宙形成和演变等宇宙奥秘至关重要.为此,宇宙背景辐射的发现与类星体、脉冲星、星际有机分子一道,并称为20世纪60年代天文学“四大发现”.美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖.

根据1989年11月升空的宇宙背景探测者（简称COBE）测量到的结果,宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱,宇宙背景辐射具有高度各向同性,温度涨落的幅度只有大约百万分之五.2006年,负责COBE项目的美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因对“宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”而获得诺贝尔物理学奖.

2003年,美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明,宇宙的年龄是137±1亿年,在宇宙的组成成分中,4%是一般物质,23%是暗物质,73%是暗能量.宇宙目前的膨胀速度是每秒71公里每百万秒差距,宇宙空间是近乎于平直的,它经历过暴胀的过程,并且会一直膨胀下去.

为了精确探测宇宙微波背景辐射,欧洲航天局于2009年5月14日发射升空“普朗克”探测卫星.这颗以德国物理学家马克斯·普朗克的名字命名的卫星,携带了一系列高灵敏度仪器,能够对宇宙微波背景辐射进行深入探测.“普朗克”卫星的灵敏度是“威尔金森微波各向异性探测器”的10倍.“普朗克”卫星具有更高的角分辨率,比“威尔金森微波各向异性探测器”高2.5倍,比“宇宙背景探测器”高了50多倍.该卫星可绘制宇宙微波背景图,角分辨率在10弧分以上,能确定宇宙的空间曲率,并能分辨某处天区中百万分之一度的温度差异,而且绘制的宇宙微波背景图能够自动将来自银河系和河外星系的光谱辐射从宇宙背景信号中去除.2013年,“普朗克”卫星将对宇宙微波背景辐射进行迄今最精确的绘图,以更高的精度检测现在的宇宙学理论,并可能发现证据补充或修正“大爆炸”理论.

NO.3 人脑连接组计划

人脑连接组计划是美国国立卫生院资助的一个为期5年的科研项目.该计划投资3850万美元,于2010年正式启动,华盛顿大学等4所大学承接了这个艰巨任务.

人脑连接组计划旨在通过脑成像技术（主要是静息态功能磁共振成像,弥散磁共振成像,传统的脑电图、脑磁图等作为补充）,扫描1200名健康成年人（其中包括300对双胞胎）的大脑,比较他们大脑各区域神经连接的不同,以及如何由此导致认知和行为方面的个体差异,最终描绘出人类大脑的所有神经连接情况和功能、结构“图谱”.这一计划不仅样本量非常大,而且使用比较先进的技术.当然还少不了问卷、行为、基因测序等,进行综合研究.这是目前脑成像界最大的项目了.

人脑连接组计划可以帮助人们全面细致地刻画大脑内部的组织模式,改变长久以来大脑的研究方式,即不再将大脑视为数量巨大的离散的解剖单元或者化学物质的集合体,而是由彼此纵横交叉相互连接的神经元细胞构成的复杂统一体.整个大脑连接图就像地图一样,也包括交通枢纽、交通要道等,这些区域的不同可能会带来明显的个体差异.

2013年,人脑连接组计划有望取得重要进展.一旦采集到的所有数据被公开,研究者可以更全面地了解整个人脑的结构和功能,进一步推动脑、行为认知等方面的深入研究.

NO.4

探索南极冰下世界

2012年2月5日,俄罗斯科考队员经过十几年努力,钻透3769米冰层,触及覆盖在南极冰川下超过2000万年的巨大淡水湖,这也是人类首次钻开南极冰下淡水湖.这一消息的发布,引起世界各国科学家,尤其是极地科学家们极大的关注和浓厚的兴趣.

从发现到触及南极冰下最大的淡水湖,俄罗斯研究人员花了近20年.早在1994年罗马召开的第23届国际南极研究科学委员会会议上,俄罗斯研究人员卡皮茨亚博士就宣布,在俄罗斯南极内陆考察站“东方站”的冰盖之下约4000米深处,发现了一个巨大的湖泊,命名为东方湖.

南极冰下淡水湖是由冰冻圈-水圈-生物圈-岩石圈组成的低温大约零下30摄氏度）、高压（大约350大气压）、低营养输入和黑暗的封闭系统,冰下湖已经被冰封了2000万年之久,拥有独特的与世隔绝的环境,是一个天然实验室.可用于研究生命如何适应极端环境以及如何在这种环境下进化.例如,在南极冰雪中和冰下淡水湖中可能存在的主要是菌类微生物,而且处于休眠状态,但可能仍具有生物活性或本来就存活着.研究这些细菌的种类和群落结构的多样性,可能获得生命起源的多样性,并揭示不同地质条件下地球生物的演化规律.

科学家猜测,如果东方湖中有生命存在,那也只能是极端微生物.是一种适合生存于极端环境中的生命形态,它可以耐得住极端高压、永恒的严寒、低营养输入、高浓度氧气以及无阳光等各种极端情况.研究这些细菌的种类和群落结构的多样性,可能获得生命起源的多样性,并揭示不同地质条件下地球生物的演化规律.据悉,俄罗斯计划在2013年的南极夏季,将一个水下机器人送入湖中采集湖水样本和湖底沉积物样本.到那时,神秘的南极冰下世界将有更多的奥秘被揭开.

NO.5

肿瘤免疫疗法

肿瘤免疫疗法是一类应用细胞生物学和分子生物学手段对患者自身的免疫细胞进行活化增殖,提高抗肿瘤活性,由免疫的力量抑制或杀灭肿瘤细胞,从而抑制肿瘤生长的治疗方法.它是继手术疗法、放射疗法、化学疗法、中医疗法之后,近几年国际上最新采用的一种新型肿瘤治疗方法.

肿瘤免疫疗法根据是否主动促进机体抗肿瘤免疫应答分为主动免疫治疗及被动免疫治疗；前者如肿瘤疫苗,后者主要包括抗体、杀伤性细胞和细胞因子等.肿瘤疫苗包括细胞瘤苗、蛋白多肽瘤苗以及核酸瘤苗等,通过提取肿瘤抗原进行免疫接种,从而促进机体抗肿瘤特异性免疫应答.

肿瘤免疫疗法的优点在于：被激活的人体自身免疫活性细胞不仅能够直接清除体内的残存肿瘤细胞,而且能够提高机体的整体免疫功能,同时还能把患者个体特异性的肿瘤抗原信息传递给体内肿瘤免疫杀伤细胞.免疫细胞能够正确区别正常细胞和肿瘤细胞,不伤害人体的正常细胞和生理机能,避免了放疗、化疗给病人造成的不良反应,适合于各种病程、各种体质的肿瘤人群.

肿瘤免疫治疗既可以独立治疗肿瘤,又可以与放疗、化疗、手术配合应用,具有独特性,为肿瘤的治疗开辟了新途径.即先用常规的疗法清除大量的瘤细胞,再用免疫疗法清除残留的肿瘤细胞,可获得较好的疗效,并能减少化疗、放疗的副作用、增强机体的免疫功能.目前在临床中免疫疗法已被成功应用于前列腺癌、黑色素瘤、淋巴瘤、乳腺癌、肺癌等多种肿瘤的治疗,显著提高患者的生存质量.

近年来,肿瘤免疫治疗领域产生了许多重大的事件,如2010年4月美国FDA批准了dendreon公司研发的世界上第一个癌症治疗性疫苗Sipuleucel-T（Provenge）用于无症状或微小症状、去势抗性的转移性晚期前列腺癌的治疗；2011年3月又批准了易普利姆玛（ipilimumab）用于晚期转移性黑色素瘤的治疗,易普利姆玛是一种单克隆抗体靶向药物,能有效阻滞一种叫做细胞毒性T细胞抗原-4（CTLA-4）的分子,该分子对机体免疫系统发挥负调控作用,常会削弱机体免疫系统杀死癌细胞的能力.

细胞疗法是目前肿瘤免疫治疗研究的前沿和热点,是一种非常个体化的肿瘤免疫治疗方式,常需要利用患者自身的免疫细胞,通过对自身的免疫细胞进行体外扩增、修饰或改造后再回输至患者体内,实现抗肿瘤的目的.

NO.6

植物基础研究

植物基础研究有望在2013年获得多项新成果.首先值得关注的是生物燃料植物的研究与利用,如利用微藻生产生物燃料.微藻是一种浮游的光自养微生物类群,广泛存在于海洋、湖泊、河流等水体环境中,其中有很多藻种在特定环境条件下,可以积累大量的油脂产物,用于生物柴油生产.藻类的一大优势是它不会争夺粮食作物的土地.其另一特点在于光合作用效率高,易于规模化培养,且能够积累多种能源物质.此外,微藻生长周期短,细胞繁殖速度快,单位面积产量是油料植物的数十到数百倍以上.

2012年7月,法国大型生物技术公司Cellectis宣称：到2013年1月,公司将证明基因组改造能使用微藻来制造第三代生物燃料.目前,Cellectis公司应主要证明其技术在藻类植物中的有效性.Cellectis公司研发了能够干预DNA的分子剪刀,通过此分子剪刀,能够改变或更换疾病突变载体基因,并改变植物机体.

据海藻生物燃料组织统计,目前美国有 60 家对海藻进行基因工程改造的公司,蓝宝石公司是同类企业中最有发展前途的公司之一.公司创始人兼 CEO杰森·派尔是分子生物学家.2007 年,派尔和他的团队开始从近 40 种产油海藻入手,从那以后他们对 10 万种海藻进行了基因工程改造.他们的目标是迅速分离出那些产油量极高的海藻种类.

另据物理学家组织网2013年1月8日报道,美国加州大学戴维斯分校的化学家最近通过基因工程对蓝藻进行了改造,使其能生产出2,3丁二醇,这是一种用于制造燃料和塑料的前化学品,也是生产生物化工原料以替代化石燃料的第一步.相关论文发表在2013年1月7日的美国《国家科学院院刊》上.研究小组利用网上数据库发现了几种酶,恰好能执行他们正在寻找的化学反应.他们将能合成这些酶的DNA引入了蓝藻细胞,随后逐步地构建出了一条“三步骤”的反应路径,能使蓝藻将二氧化碳转化为2,3丁二醇.

另一个值得关注的是转基因作物.据了解,目前世界各国已累计批准21种转基因作物商业化应用,涉及100多个转化体,13类目标性状,其功能大致可以分为两类：第一类着重于发展抗性转基因,例如抗除草剂、抗虫、抗旱、抗盐碱和抗寒等；第二类侧重于改变作物的品质,比如增加营养、提高食品的医疗保健功能等,以及作为工业、药物、能源原料.

2013年,在抗逆养分高效利用转基因农作物培育方面,重点解决的问题包括：一是继续加强有重要育种利用价值的抗逆、养分高效新基因的克隆与功能验证；二是加强规模化转基因技术研究和条件设施平台建设；三是加快具有重要产业化应用潜力的转基因农作物新品种培育,促进产业化进程；四是加速培育具有国际竞争力的生物技术企业.

（作者单位：淮南联合大学）