从AI到蛋白质折叠:我们的突破亚军

随着科学编辑和作家们的选择进行了商议,这九项科学发展或进步最终 。 它们没有特定的成就顺序列出。



Proxima b

天文学家在最近的恒星Proxima Centauri周围发现了一颗小行星。 他们欢呼新世界作为我们研究太阳系外行星的最佳机会,并且已经很难找到它的样子。

Proxima Centauri光线频率的微小变化揭示了这颗被称为Proxima b的行星。 监测恒星的天文学家每11.2天检测到一次频率的周期性增加和减少,这是由于多普勒频率的变化引起的,因为看不见的行星反复地将恒星拉向和远离我们。 我们还不太了解Proxima b,只是它至少是地球质量的1.3倍,并且轨道非常接近它的恒星 - 只有地球和太阳之间距离的5%。 这并不意味着它非常热。 由于这颗恒星是一颗昏暗的红矮星,天文学家认为这颗行星的表面甚至可能足够冷却液态水。 但是居住性是一个很长的过程:Proxima Centauri是一颗不守规矩的恒星,可能会用激烈的太阳风,X射线和紫外线照射整个行星。

天文学家一直在观察Proxima b是否在它的恒星前面经过。 如果确实如此,那么恒星亮度的下降可以揭示行星的半径 - 它与质量相结合,使其密度 - 并且星光穿过它的大气层可以告诉我们它是由什么组成的。 但简单的几何形状使这种“过境”不太可能 - 只有1.5%的机会 - 到目前为止搜索已经空白了。

科学家们现在必须等待计划在未来十年内建造更好的太空和地面望远镜。 但其他人则不耐烦:4月份,私人资助的Breakthrough Starshot项目宣布计划在跨越40万亿公里的阿尔法半人马星系统(包括Proxima Centauri)和另一项私人努力的20年旅程中派遣一支小型宇宙飞船。蓝色项目希望建造一个专门用于拍摄半人马座阿尔法星的行星照片的太空望远镜。 - 丹尼尔克莱里



AI击败Go冠军

今年,当一款名为AlphaGo的计算机程序在五场比赛中击败世界排名第二的Go玩家时,人工智能(AI)通过了一个重要的里程碑。 这并不是人工智能第一次超越人类对游戏的掌控程度。 毕竟,20年前,IBM的Deep Blue在一场国际象棋比赛中首次击败Garry Kasparov,在第二年的六场比赛中击败了世界冠军。 但这就是相似性结束的地方。

围棋的规则比国际象棋更直接:你只需在网格上放置相同的宝石,通过围绕对手的位置来捕捉领域。 但是这种简单性和开放性导致玩家可能采取的动作数量激增 - 远远超过已知宇宙中的原子。 这使得AI无法通过像Deep Blue使用的方法击败Go大师,Deep Blue依靠国际象棋专家的手动编码策略来评估每个可能的移动。

相反,由位于伦敦的谷歌子公司DeepMind设计的AlphaGo研究了人类之间数十万个在线游戏,使用这些移动序列作为机器学习算法的数据。 然后,AlphaGo反复使用自身 - 或者更确切地说,略微不同的版本 - 一遍又一遍地使用一种称为深度强化学习的技术来微调其策略。 最终结果是人工智能赢得的不仅仅是蛮力计算,还有一些看起来非常像人类直觉的东西。

参考

D. Silver,“ ”, Nature 589 224(2016年1月28日)

我们希望人工智能掌握的大多数事情涉及一些看似无法管理的可能决策 - 将机器人安全地穿过拥挤的房间,布置无人驾驶汽车,与乘客进行小谈。 由于硬编码规则无法完成此类任务,AlphaGo的胜利表明了深层强化学习的强大功能。 -



刷新的清洗

昂贵的整形手术不会阻止你变老。 膳食补充剂,睾酮注射剂或那些皱纹霜也不会让你再次看起来像21。 但是今年,研究人员展示了一种推迟一些时间的方法 - 至少在老鼠身上。 当他们选择性地清除破败的细胞时,这些动物的寿命更长,并且随着年龄的增长而保持健康。

科学家所针对的体弱细胞经历了一种被称为衰老的部分关闭,其中它们失去了分裂的能力。 研究人员认为,衰老可以防止破裂,易患肿瘤的细胞引发肿瘤,但也可能促进衰老。 随着年龄的增长,越来越多的细胞停止繁殖,可能会使我们的组织无法替代死亡或受伤的细胞。 衰老细胞也释放出可能导致细胞异常生长和炎症等问题的分子。

第一项研究表明,至少在中年老鼠中,消除衰老细胞可以产生健康和长寿的益处。 动物的心脏和肾脏的衰退减慢了,直到他们的生命后期它们才发芽。 一些与年龄相关的衰退,例如记忆和肌肉协调,并没有减轻。 尽管如此,啮齿类动物的同龄人比同龄人多20%。

参考

DJ Baker ,“ ”, Nature 479,232 (2011年11月2日)

DJ Baker 等。 ,“ ,” Nature 530,184 (2016年2月11日)

BG Childs 等。 ,“ ”, Science 354,472(2016年10月28日)

F. Rodier和J. Campisi,“ 细胞衰老的四个面孔 ”,“ 细胞生物学杂志 ”192,547(2011年2月21日)

10月,同一个研究小组瞄准了来自免疫系统的衰老细胞,这些细胞聚集在动脉堵塞斑块中并可能驱动它们的形成。 从容易发生动脉粥样硬化的小鼠身上移除这些细胞可使动物动脉中脂肪堆积的量减少60%,即使啮齿动物吞食含有脂肪的食物。

数十亿美元的问题:取出衰老细胞会帮助人类保持更长的年轻生活吗? 这两项研究都使用了转基因小鼠,这些小鼠能够根据特定化合物清除其衰老细胞 - 这种技术在人体中是不可行的。 但研究人员创造了几种所谓的传统药物,可以杀死衰老的细胞而不需要进行遗传修补。 明年,科学家们将对患有关节炎的人开展其中一种药物的首次临床试验。 -



读心术
类人猿

大猩猩今年展示了一种思维阅读技巧,只有人类被认为完全拥有。 被称为心灵理论,是能够辨别他人的欲望,意图和知识。 一些测试表明,我们的近亲有足够的洞察力,例如,欺骗一个猿人或认识到另一个人的动机。 但直到现在,他们总是在任务中失败,这些任务需要能够确定其他人何时持有错误的信念。

在经典的错误信念实验中,一个孩子看着有人藏在盒子里的巧克力棒并离开房间。 然后别人偷偷溜进去,把糖果藏在别的地方。 第一个人在哪里寻找它? 猜测“在原始盒子里”的孩子通过了测试:通过阅读的内容,他们意识到第一个人持有错误的信念。 这种技能被认为是欺骗,同情,教学甚至使用语言的必要条件。

今年,研究人员对黑猩猩,倭黑猩猩和猩猩进行了一次测试。 猿猴观看了一部电影,显示一个像金刚一样的人从一个男人身上偷走了一块石头并把它隐藏在两个盒子中的一个。 这名男子见证了这一行动,但在孔子威胁他时逃跑了。 当他走后,孔离开了岩石。 当男人回来时,他会在哪里寻找它?

参考

C. Krupenye 等人 ,“ ”, Science 354,110(2016年10月7日)

F. de Waal,“ ”, Science 354,39 (2016年10月7日)

研究人员使用红外眼动追踪技术来观察猿猴的注意力集中在哪里。 几乎所有人都看着那个男人错误地认为他的岩石被隐藏的盒子。 不是每个人都相信,但后续研究可能正在进行 - 而不仅仅是在类人猿上。 眼动追踪方法可以适应其他动物的脸部。 - 弗吉尼亚莫雷尔



定制蛋白质

蛋白质是生命的主力。 它们加速了重要的化学反应,使肌肉得以拉扯,在细胞之间和细胞内进行交流,并防御入侵者。 鉴于蛋白质的天赋,研究人员一直想创建自己的版本。 他们通过对生物体的DNA代码进行微调,修改了许多现有的蛋白质,但今年,他们将蛋白质修饰提升到了一个全新的水平:他们创造了一套与自然界中发现的不同的设计蛋白质,为新药和材料。

从头开始设计新的蛋白质一直是一项成功的尝试。 编写任何所需的DNA代码都很容易,但研究人员无法知道由这种DNA编码的新型氨基酸串如何折叠成复杂的3D形状。 这是一个问题,因为蛋白质的形状决定了功能。 然而,最近,计算生物学家在设计能准确预测设计蛋白质如何折叠的计算机程序方面取得了令人瞩目的进展。 这些进步使得今年设计师蛋白质的激增成为可能。

参考

H. Yang 等人 ,“ ”, Nature 535,136 (2016年6月15日)

J. Bale ,“ ”, Science (2016年7月22日)

今年2月,由华盛顿州研究人员领导的一个小组利用一个这样的计划来设计可能成为普遍流感疫苗的方法,能够同时激发对所有流感病毒株的免疫防御。 7月,一个由许多相同研究人员组成的团队创造了自组装成空心笼的蛋白质,有朝一日可以用药物或DNA片段来治疗各种疾病。 另一个团队使用类似的程序来生产3D折叠的RNA分子,这种分子呈现出与蛋白质类似的折叠问题,以及RNA-蛋白质复合物,开辟了新的研究可能性。

现在,研究人员希望利用他们的技能创造从新型生物传感器到消除大气中二氧化碳的新方法。 而且因为生命只占所有可能蛋白质的一小部分,蛋白质设计师有一个巨大的新领域需要探索。 -



制作鸡蛋

今年,日本的研究人员在“试管婴儿”一词中赋予了新的含义,他们从完全在实验室培养皿中生长的卵细胞中制造了小鼠幼崽。 这一长期寻求的成就为研究人员提供了一种研究卵子发育的新方法,并提出了在实验室中从几乎任何类型的细胞(包括遗传改变的细胞)制造人类卵子的更远的前景。 这种可能性为新的不孕症治疗带来了希望,但它也重新唤起了对设计师婴儿的担忧。

2012年,同样的研究人员采取了第一个关键步骤:他们从干细胞中制造了受精卵细胞。 然而,该方法仍然需要将未成熟的卵植入活鼠中以完成其发育。 今年,研究人员找到了一种在实验室完全生产鸡蛋的方法。 他们不是将未成熟的卵子植入小鼠体内,而是将它们培养在取自胎鼠卵巢的细胞簇内。 然后研究小组将实验室培养的卵与小鼠精子混合,并将生成的胚胎植入养母中。 只有3%成长为足月幼崽,但这些幼崽成长为肥沃的,显然健康的成年人。

如果科学家能够在人类干细胞方面取得类似的成就,那么它可能会为某些女性不育症病例带来新的选择。 甚至有可能将来自人的干细胞转化为卵。 这种可能性距离现实还有很长的路要走,但研究鸡蛋在盘子中展开的能力可以产生见解,这种见解会在任何人类婴儿从实验室种植的鸡蛋出生之前很久就会对诊所产生影响。 -



伟大的移民

我们物种的故事是由旅行癖所驱动的。 Homo sapiens出生于非洲,在过去的10万年中扩展到了世界的各个角落,与已经生活在那里的更古老的人类会面和交融。 但研究人员长期以来一直在争论现代人类离开非洲的方式和时间:是单次迁移还是反复波动?

2016年,一系列基因组数据几乎突显了非洲以外的大多数生活人口从单一迁移中退出的情况; 任何早期的迁移都被这最后一波浪潮所淹没。 在三项研究中,研究人员与土着群体合作,收集和分析了世界上遥远角落的数百种基因组,包括来自澳大利亚,巴布亚新几内亚和非洲的先前稀缺样本。 他们追踪了DNA中记录的古老种群分支。

参考

S. Mallick 等人 ,“ ”, Nature 538,201 (2016年10月13日)

如。 Malaspinas ,“ ”, Nature 538,207 (2016年10月13日)

L. Pagani 等人 ,“ ”, Nature 538,238 (2016年10月13日)

A. Timmermann和T. Friedrich,“ ”, Nature 538,92 (2016年10月13日)

S. Tucci和J. Akey,“ ”, Nature 538,179(2016年10月13日)

一项研究分析了来自澳大利亚的83个基因组,长期以来被视为分开 DNA显示,与之前的建议相反,澳大利亚最初只定居一次。 此外,原住民和欧亚人的祖先大约在同一时间,也就是大约7万年前从非洲人中分离出来,这表明在分裂之前有一次从非洲流亡。 一项独立的研究分析了来自142个种群的300个基因组,也报告了一个非洲的单一波浪,虽然日期不准确,但它可能会分散到5万年前开始的所有活着的非非洲人。

第三项研究分析了来自125个种群的379个基因组,主要报告了这种相同的模式,有皱纹:巴布亚新几内亚基因组中大约2%的基因组可能来自非洲的早期迁移,可能是10万年前。 化石表明,一些现代人类大约在这个时候已经到了中东地区,阿拉伯和印度的一些石头工具暗示着这种早期的外流。 但是大量新的基因组数据表明,这种早期的迁徙几乎完全消失,在一些活着的人中至多留下了痕迹。 - Elizabeth Culotta

从AI到蛋白质折叠:我们的突破亚军


袖珍音序器

NASA

手和灌木的基因组测序

由于今年首次广泛使用的手持设备,基因组测序可能即将成为生物学中无处不在的工具,无论是在实验室还是在该领域可能更为重要。 它已经产生了大量的研究论文。

参考

K. Schmidt ,“ ”, J.Antimicrob Chemother 印前的Epub(2016年9月25日)

M. Loose ,“ ”, Nature Methods 13,751(2016年9月)

S. Deschamps ,“ 。”Sci Rep 6 28625(2016年6月28日)

等人 ,“ 基因组学蛋白质组学生物信息学 14 (5),265(2016年9月17日)

美国宇航局新闻稿,“ ”,(2016年8月29日)

E. Datema 等。 ,“ ,”BioRxiv(2016年11月1日)

A. Edwards ,“ ”,BioRxiv(2016年9月7日)

J. Quick ,“ ”,Nature 530,228 (2016年2月11日)

该设备使用称为纳米孔测序的突破性技术直接读取DNA字母:当DNA链穿过狭窄的孔时,碱基以独特,可读的方式改变离子电流。 与传统测序相比,优势在于纳米孔测序仪的启动成本相对较低,理论上它可以破译无限长度的DNA; 基因组不需要被切碎,然后计算机将序列拼凑在一起。 而且由于它快速且便携 - 该设备可以在几小时内完成序列 - 它可以用于生物监测,临床诊断和现场疾病爆发的调查。

Nanopore测序已经开发多年,经过一年多的beta测试,一家总部位于英国的公司Oxford Nanopore Technologies今年开始销售第一台设备。 基于该设备的30多篇论文已经在生物预印本网站bioRxiv上发表。 研究人员在短短几个小时内发现了埃博拉病毒和其他病毒,在肠道中测序了微生物,破译了玉米真菌害虫的5300万个基因组,并且正如他们本月早些时候宣布的那样,对人类基因组进行了测序。 甚至国际空间站上的宇航员也用它来测定土壤中微生物的混合物。 该领域的Longtimers指出,在同行评审的出版物中已经记录了这些进展中的一小部分,但其他人认为今年是一种测序方法的转折点,这种方法正在吸引那些从未考虑过基因组研究的研究人员的想象力。 。 -



超级镜头

玻璃镜片是人类最早的高科技创新之一。 他们让伽利略看到了木星的卫星,安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)可以窥探微生物,数百万人只能看清楚。 但镜头的制作方法与几个世纪前大致相同 - 通过研磨和抛光玻璃和其他透明材料,使光线聚焦而不会发生像差。 现在,镜头技术有望实现重大飞跃。 今年,研究人员利用计算机芯片图案技术创建了第一个可以聚焦全光谱可见光的超材料透镜或元透镜。 因为metalenses生产成本低,比纸张薄,并且比玻璃轻得多,它们可以彻底改变从显微镜到虚拟现实显示器到相机的一切 - 包括智能手机中的相机。

超材料由微小的柱子,环和其他材料排列组成,它们一起工作以在光波通过时操纵它们。 近年来,研究人员设计了基于超材料的“隐形防护罩”,可以控制物体周围的光线,以及滤光器和天线。 但是,之前制作metalenses的努力只能通过红外线和其他长波长的光来成功; 对可见光透明的材料,图案化技术不起作用。

参考

M. Khorasaninejad 等人 ,“ ”, Science (2016年6月3日)

今年,研究人员想出了如何使用传统的芯片图形技术(称为原子层沉积)来精确地模拟二氧化钛柱的阵列。 只有600纳米高,柱子对可见光是透明的,并且它们可以聚焦它以产生高达170倍的放大率 - 与最先进的玻璃光学器件一样好。 该团队使用它们制作全息图并进行详细的光谱学测试其元透镜技术,为其他潜在应用开辟了道路。 注重高科技光学,使手机更加时尚,引领新的科学仪器,并改造虚拟现实耳机。 -

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