中科院多项成果入选2016年度中国科学十大进展

2月20日，科技部基础研究司和高技术研发中心联合召开“2016年中国十大科技发展解读会”，发布了2016年中国十大科技发展。中国科学院有关单位独立或联合取得的七项重大科学成果被选中，包括:开发一种新型钴基电催化剂，用于将二氧化碳高效、清洁地转化为液体燃料；创造煤制烯烃的新捷径；揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制；提出了一种基于胆固醇代谢调节的肿瘤免疫治疗新方法。研究发现，精子核糖核酸可以作为一种记忆载体，将后天获得的特征携带到几代人身上。构建世界上第一个非人灵长类自闭症模型；揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机制。

另外三个筛选结果是:揭示了核糖核酸剪接的关键分子机制；研制出第一台稳定可控的单分子电子开关器件。揭示水的核量子效应。

中国十大科技进步评选由科技部高技术研究发展中心主办。到目前为止，已经成功举办了12届。其目的是宣传我国基础研究的重大科学进展，鼓励广大科技工作者的科学热情和奉献精神，开展基础研究的普及工作，促进公众对基础科学研究的理解、关注和支持，在全社会营造良好的科学氛围。

中国十大科技进步的评选过程包括三个阶段:推荐、初选和最终评选。《中国基础科学》、《科学技术导报》、《中国科学院学报》、《中国科学基金会》和《科学通报》五个编辑部推荐了2015年12月1日至2016年11月30日期间正式发表的278项科研成果。2016年1月，科技部高技术研发中心组织了初选会议，邀请专家从推荐的科学进展中选出30个项目进入最终选举。最终选举采取了在线投票的形式。中国科学院两院院士、973计划咨询组专家、973计划首席科学家、国家重点实验室主任等2000多名专家学者应邀在网上就候选人的科学进步进行投票。前10名是2016年的前10名。

附件:2016年中国科学十大进展简介

1.开发了一种新型钴基电催化剂，用于高效清洁地将二氧化碳转化为液体燃料

在常温常压下将二氧化碳电解还原为碳氢化合物燃料是一种潜在的清洁能源战略，可替代化石原料，并有助于减少二氧化碳排放对气候的不利影响。实现二氧化碳电催化还原的关键瓶颈是将二氧化碳活化成二氧化碳负离子、*基或其他中间体，这需要异常高的过电位。最近的报道表明，通过金属氧化物还原获得的金属的催化活性高于通过其他方法制备的金属，但是不清楚金属氧化物如何改变金属的电催化活性，主要是因为微观结构如界面和缺陷的存在影响了二氧化碳的还原活性。为了评价金属和金属氧化物两种不同催化位点的催化效果，中国科学院院士、中国科技大学教授谢毅和孙永福课题组制备了四原子厚的钴金属层和钴金属/钴氧化物杂化层。他们发现，在低过电位下，原子薄层表面的钴原子比本体材料表面的钴原子对甲酸盐形成具有更高的固有活性和选择性。然而，部分氧化的原子层进一步提高了其固有的催化活性，在仅0.24伏的过电位下实现了超过40小时的10毫安每平方厘米的电流输出，并且部分氧化的原子层的甲酸盐选择性接近90%，这超过了先前报道的在相同条件下金属或金属氧化物电极获得的结果。该研究有助于研究者重新考虑如何获得高效稳定的CO2电还原催化剂。相关研究论文发表于2016年1月7日《自然》(529 (7584): 68-71)。加州理工学院的卡尔提什·曼蒂拉姆教授评论道:“这是一项重大的科学突破。虽然投入商业使用还需要很长时间，但从任何角度来看，现阶段的发展都是积极乐观的。”

2.创造煤制烯烃的新捷径

烯烃是一种与人们日常生活密切相关的重要化学品。中国是一个烯烃消费大国，其传统原料主要依赖石油，这不仅使烯烃生产成本居高不下，而且严重危及中国的能源安全。20世纪初，德国科学家费希尔和托普希提出了一种通过水煤气变换从煤中生产烯烃的费托合成路线。然而，该工艺在原理上会产生大量的副产物，并且消耗大量的水，这严重阻碍了该技术的发展和实际应用。中国科学院院士、中科院化学物理研究所研究员鲍新河、潘秀连课题组，基于纳米催化的基本原理，开发了过渡金属氧化物和有序孔分子筛复合催化剂，成功实现了煤基合成气一步高效制烯烃，C2对C4低碳烯烃的单程选择性突破了费托法的限制，突破了80%以上。同时，反应过程完全避免了水分子的参与，从源头上回答了*总理提出的“没有水或少水就能进行煤化工”的问题。该结果实现了分别控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心在纳米尺度上的有效分离，导致在分子筛纳米孔道中氧化物催化剂表面生成的烃类中间体的有限偶联反应，成功实现了目标产物随分子筛结构的可控调节。相关研究论文发表于2016年3月4日《科学》(351 (6277): 1065-1068)。与此同时，《科学》杂志发表了一篇关于“惊人的选择性”的专家评论和展望，称赞这项研究在原则上的突破将带来巨大的产业竞争力。该研究被业内同行誉为“煤炭转化领域的里程碑式突破”。

3.揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制

提高粮食产量以确保全球粮食安全是作物遗传育种的长期目标。杂种优势是指后代通过杂交表现出比父本和母本更多的显性性状，这是一种重要的作物育种策略。为了揭示水稻产量性状杂种优势的遗传基础，中国科学院院士、中国科学院上海生命科学研究所植物生理生态研究所研究员韩斌、黄，中国水稻研究所研究员，对17个代表性杂交水稻品系10074个F2材料进行了基因型和表型分析。因此，他们系统地鉴定了与水稻产量杂种优势相关的遗传位点，并将现代杂交水稻品系鉴定为代表不同杂交育种体系的3个群体系。他们发现，尽管在所有杂交水稻中没有完全相同的与杂种优势相关的遗传位点，但在同一组系中，有少量来自母本的遗传位点通过不完全显性机制对大多数杂交水稻的杂种优势有显著贡献。这一发现将有利于高效杂交育种和优化组合，从而快速获得高产、优质、抗逆性强的杂交品种。相关研究论文于2016年9月29日在《自然》(537 (7622): 629-633)上以长篇文章的形式发表。

4.提出一种基于胆固醇代谢调节的肿瘤免疫治疗新方法

t细胞介导的肿瘤免疫治疗是四种最有效的肿瘤治疗手段之一，并在临床实践中取得了巨大成功。然而，现有的基于信号转导调节的肿瘤免疫治疗方法只对部分患者有效，因此迫切需要开发新的方法使更多的患者受益。中国科学院上海生命科学研究所生物化学与细胞生物学研究所的许、李及其合作者从一个新的角度研究了T细胞的肿瘤免疫反应。他们认为，通过调节T细胞的“代谢检查点”，可以改变T细胞的代谢状态，从而获得更强的抗肿瘤效果。他们将胆固醇酯化酶ACAT1确定为调节肿瘤免疫反应的代谢检查点。抑制其活性可增强CD8+ T细胞的肿瘤杀伤能力。主要机制是CD8+ T细胞质膜胆固醇水平显著增加，帮助T细胞抗原受体簇和免疫突触有效形成。他们还发现ACAT1抑制剂Avasimibe(作为治疗动脉粥样硬化相关疾病的药物，已经过三期临床试验)具有良好的抗肿瘤效果，并可与现有临床药物PD-1抗体联合使用，以获得更好的肿瘤免疫治疗效果。他们的研究开辟了肿瘤免疫治疗的新领域，并证明了代谢调节的关键作用。同时，ACAT1作为新的治疗靶点的发现拓展了ACAT1小分子抑制剂的应用前景，为肿瘤免疫治疗提供了新的思路和方法。相关研究论文发表于2016年3月31日《自然》(531 (7596): 651-655)。《自然》杂志发表的一篇同行评论指出:“这项研究成果可能会发展成新的抗肿瘤和抗病毒药物。”Cell发表的一篇同行评议指出:“这项研究为那些对抗PD-1没有疗效或耐药性的患者提供了新的希望。”

5.揭示核糖核酸剪接的关键分子机制

对于地球上所有的真核生物来说，核糖核酸剪接是从脱氧核糖核酸到蛋白质信息传递“中心法则”中的一个关键环节。通过剪接反应，前体信使核糖核酸中的内含子被消除，外显子被连接形成成熟的信使核糖核酸，后者可以进一步翻译成蛋白质。大约35%已知的人类遗传疾病是由异常的核糖核酸剪接引起的。核糖核酸剪接的化学本质是前体信使核糖核酸经历两步酯交换反应来完成剪接和剪接的两个关键步骤，每一步都需要一个巨大的动态分子机器——拼接器来催化。因此，在组装、活化和催化反应过程中，获得分子量超过200万道尔顿的剪接体的高分辨率空间三维结构，是理解核糖核酸剪接的分子机制的唯一途径，也是结构生物学领域最具挑战性的课题。在过去的30年里，生命科学基础研究的这个核心领域进展缓慢。中国科学院院士、清华大学生命科学院教授石实验室创新性地利用酵母内源蛋白提取获得性能良好的样品，并在2015年率先利用单粒子冷冻电镜技术报道裂殖子酵母拼接体结构后，于2016年取得重大突破。拼接器在三种关键工作状态下的近原子分辨率结构(即3.5埃活化的拼接器Bact复合物、3.4埃后第一催化反应复合物C复合物和4.0埃后第二催化活化的C*复合物)和拼接组装过程中重要复合物的高分辨率结构(即3.8埃预组装复合物U4/U6)。U5三snRNP)进行了连续分析。这四项进展以长篇文章的形式发表在2016年《科学》杂志上(科学351:466-475；353:895-904；353:904-911；aak9979).这四种高分辨率结构所代表的剪接体状态基本涵盖了核糖核酸剪接的关键催化步骤，从分子水平上解释了剪接体进行核糖核酸剪接的机制，极大地促进了核糖核酸剪接基础研究领域的发展。

6.人们发现精子核糖核酸可以作为一种记忆载体，将后天获得的特征传递给后代

越来越多的证据表明，随着生活环境和饮食结构的巨大变化，高脂饮食引起的肥胖等代谢性疾病可以在精子中“记忆”并传递给下一代，从而导致后代肥胖。这种后天获得的遗传形式对人类生殖和后代健康有着深远的影响。精子介导的获得性遗传机制涉及精子中除DNA序列以外的表观遗传信息的储存和传递。破解这样的表观遗传信息是这个领域的主要挑战。中国科学院院士、中国科学院动物研究所研究员周琦、段奎恩与中国科学院上海生命科学研究所营养科学研究所研究员翟启伟合作，基于高脂饮食小鼠模型，发现在高脂饮食条件下，精子中一种大小为30-34nt、富含tRNA 5’端序列的小核糖核酸(tRNA)在表达谱和核糖核酸修饰谱上有显著变化。从高脂小鼠精子中分离总核糖核酸片段并注射入正常受精卵可诱导F1代产生代谢性疾病。高脂小鼠精子的总核糖核酸进入受精卵，导致早期胚胎和后代小鼠胰岛代谢途径基因的显著变化。本研究首次从精子核糖核酸的角度为研究获得性性状的跨代遗传开辟了新的视角，并提出精子核糖核酸是一种新的父亲表观遗传因子，可介导获得性代谢疾病的跨代遗传。相关研究论文发表于2016年1月22日《科学》(351 (6271): 397-400)。自发表以来，这篇文章被广泛引用和评价，吸引了主要国际媒体的注意。

7.研制出第一台稳定可控的单分子电子开关器件

利用单分子构建电子器件对于突破半导体器件小型化发展的瓶颈具有重要意义。实现可控单分子电子开关功能是验证分子能否作为电子器件核心元件的关键。20世纪70年代以来，设计和构建稳定可控的单分子器件，探索它们与微电子技术的兼容性，获得真正意义上的分子电子开关，在当代纳米电子学研究中具有重要的科学意义。北京大学分子科学北京国家实验室的郭雪峰教授和他的研究团队创造性地开发了一种以石墨烯为电极，通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法，解决了单分子器件制备困难和稳定性差的问题。在此基础上，他们与美国宾夕法尼亚大学电子系徐宏奇研究团队和亚伯拉罕·尼赞合作，通过面向功能的分子工程，成功克服了二芳基分子与石墨烯电极之间强耦合的核心挑战，从而突破性地构建了一类完全可逆的光诱导和电场诱导双模单分子光电器件。这项研究使中国诞生了世界上第一个真正稳定可控的单分子电子开关器件。石墨烯电极和二芳基乙烯分子的稳定碳骨架以及分子/电极之间的强共价键连接，使得这些单分子开关器件具有前所未有的开关精度、稳定性和再现性，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精确分子诊断技术中具有巨大的应用前景。相关研究论文发表于2016年6月17日《科学》(352 (6292): 1443-1445)。《科学》杂志的一篇评论说:“这项研究证明了物质在纳米尺度上的微妙控制。”

8.构建世界上第一个非人灵长类自闭症模型

自闭症(也称为自闭症)是一种发育性神经系统疾病，在青少年中更为常见。患者表现出行为异常，如社交障碍和重复性僵硬运动。目前，还没有有效的药物治疗和干预方法。近年来，世界范围内自闭症的患病率逐年上升，引起了社会的广泛关注。作为一个人口大国，中国估计有近1000万自闭症患者。中国科学院上海生命科学研究所神经科学研究所研究员邱子龙与非人灵长类动物平台孙强团队合作构建了携带人孤独症基因MECP2的转基因猴模型，并对转基因猴进行了分子遗传学和行为分析。发现转基因猴表现出与人类自闭症相似的刻板行为和社交障碍。在灵长类动物中，他们第一次通过同种异体睾丸移植成功地加速了猴子的生殖周期。三年半之后，他们获得了第二代携带人类MECP2基因的转基因猴子，并发现它们在社会行为中表现出与父母相同的自闭症样表型。这是世界上第一个非人灵长类自闭症模型，为深入研究自闭症病理学和探索可能的治疗干预做出了重要贡献。相关研究论文发表于2016年2月4日《自然》(530 (7588): 98-102)。

9.揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机制

动植物从单细胞受精卵到高度复杂的生物体的发展是一个奇妙的过程。作为一种稳定的表观遗传修饰，哺乳动物基因组DNA中的5-甲基胞嘧啶是由DNA甲基转移酶催化的。最近的研究发现，TET双加氧酶家族蛋白(TET1/2/3)可以氧化5-甲基胞嘧啶并引发DNA去甲基化。尽管在哺乳动物基因印记和X染色体失活过程中，DNA甲基化参与了基因表达的调节，但尚不清楚DNA甲基化和TET双加氧酶介导的去甲基化在小鼠胚胎发育中起什么作用。中国科学院院士、中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员许课题组与美国威斯康星大学孙鑫教授、北京大学唐教授合作，利用生殖系统特异性敲除小鼠获得了基因三链体敲除胚胎。通过一系列形态发育特征测试和基因功能互补分析，分析了Tet缺失导致胚胎死亡的机制。发现TET的三个成员在功能上相互合作。TET介导的DNA去甲基化和DNMT介导的DNA甲基化是相互拮抗的。胚胎的原肠运动是通过调节左结信号通路来控制的。这项工作从长期困扰发育生物学领域的基本重大问题出发，着眼于人类新生儿出生缺陷的可能机制和预防，首次系统揭示了胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机制，为发育生物学的基本原理提供了新的理解。相关研究论文发表于2016年10月27日的《自然》(538: 528-532)。

10.揭示水的核量子效应

对于大多数材料系统，通常只需要考虑电子的量子化，而原子核被视为经典粒子。然而，水中三分之二的原子是氢原子。由于氢原子核的质量很小，它们的量子效应将是显著的。氢原子核的量子效应对水的氢键相互作用有多大影响？或者氢键的量子组成是什么？这被认为是揭开水的奥秘需要回答的关键问题之一。由于氢核量子化的研究在实验和理论上都极具挑战性，这个问题一直没有得到很好的解决。中国科学院院士、北京大学物理学院教授王恩格和蒋英的研究团队及合作者分别在相关实验技术和理论方法上取得突破。开发了一套“针尖增强非弹性电子隧穿光谱”技术，以获得单个水分子的高分辨率振动光谱，从而测量单个氢键的强度。发展了基于第一原理的路径积分分子动力学方法来精确描述电子量子态和核量子态。基于此，他们第一个确定了世界上氢键的量子组成，首次揭示了原子尺度上水的核量子效应。结果表明，氢键的量子组成可以比室温下的热能大得多。氢原子核的“非简谐零运动”将削弱弱氢键，加强强氢键。这种物理图像对于各种氢键系统是非常普遍的。这项工作是对材料科学基本问题的第一个定量回答，“氢键的量子组成有多大？”它阐明了长期以来学术界争论不休的氢键的量子本质，有助于理解水和其他氢键系统的许多异常特征。相关研究论文发表于2016年4月15日《科学》(352 (6283): 321-325)。该研究被评论家评价为“氢核量子效应研究的实验杰作”；德国的张秀坤·马克思教授是核量子效应研究领域的权威专家，他认为这项工作“完成了一项不可思议的任务”。

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