2021年世界科技进展100项（生命、生物、医药健康领域）

本文系统梳理了2021年在全球范围内取得的100项科技进展，主要分布于“生命、生物、医药健康”“深空、深海、新空间拓展”“物质、材料、化学”“智能、信息、通信”以及“生态能源、交通与建设工程”五大领域。

2021年世界科技进展100项 （生命、生物、医药健康领域）

• 考古与远古生命生态
  • 脊椎动物从水生到陆生演化的遗传创新机制
    • 4亿多年前脊椎动物从水生到陆生是包括人类在内的陆生脊椎动物演化史上的重大事件，但长期以来对这一重大事件的遗传创新机制知之甚少。中国科学家发现硬骨鱼祖先已进化出了陆生适应性相关的初步遗传基础，在肺鱼代表的肉鳍鱼内得到进一步加强，到四足动物最终完善而成功登上了陆地。此研究入选2021年度中国生命科学十大进展之一
    • 脊椎动物水生到陆生演化过程的主要遗传创新
  • 中国发现全新古人类支系“龙人”
    • 中国科学家通过研究头骨，发现了“龙人”这一新人种。通过数据对比以及铀系测定的直接证据证明龙人头骨化石的年代大概率来自中更新世晚期的湖相地层，并证实龙人的年龄老于14.6万年，而该时间段恰好是智人和其他古人类分开演化的关键时期。
    • 龙人头骨化石（来源：The Innovation）
• 生物合成
  • 光驱动“细胞工厂”
    • 中国科学家提出光驱动“细胞工厂”：以CO₂代替葡萄糖，碳中和的同时高效产出高值化合物。光合细胞工厂是基于光合微生物发展起来的一种新型合成生物技术。光合细胞工厂能够直接利用CO₂和太阳能合成包括白藜芦醇、花青素、青蒿素等具有较高市场价值的植物天然产物，同时缓解了当今世界所面临的“气候”和“健康”两大难题，既吸收了温室气体CO₂，又能带来有价值的产物。
    • 光合细胞工厂
  • 人类首次突破二氧化碳人工合成淀粉技术
    • 中国科学家首次报告了从二氧化碳合成人造淀粉的路线。这是世界上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成，代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破，对于粮食安全、外星探索、气候变化都有着巨大意义。他们设计出一种化学酶系统，借此也设计出一种仅由11个核心反应组成的人造淀粉合成代谢路线，将二氧化碳转化为淀粉。与之对比，自然界利用光合作用合成淀粉需要 60 余步。此研究入选2021年度中国生命科学十大进展和2021年中国科学十大进展。
    • 通过计算设计的人工淀粉合成途径
  • 世界首家细胞培育肉工厂诞生
    • 以色列细胞肉公司Future Meat Technologies（FMT）用生物反应器取代鸡舍、谷仓和屠宰场。工作人员使用培养基过滤再生专利技术，由于可支持高细胞密度，因此可帮助克服成本难题。FMT成为业内少有的、利用培养基过滤再生技术实现规模量产的公司。
    • FMT 的细胞培育肉工厂
• 仿生学、器官移植
  • 首次研发仿生关节外骨骼模型
    • 中国科学家团队以节肢类生物中的两类优势种群生物为研究对象，包括甲壳类的珍宝蟹和波士顿龙虾，首次提出一种具有一对反向共轭面的刚柔一体的外骨骼模型，并将其应用于人手外骨骼的设计中，通过融合生物关节优势与人体运动特性，克服了目前手功能损伤患者所用的康复辅助设备中普遍存在的体积重量大、机械结构复杂、传动效率低、适配性差等缺陷。因此，这种新型仿生关节可用于可穿戴式外骨骼康复机器人。
    • 关节模型原型的运动捕获（来源：IEEE Access）
  • 成功创建首个人类胰腺3D类器官模型
    • 美国科学家从人类干细胞来源的胰腺祖细胞(PP)细胞中产生胰管样或腺泡样器官结构的尝试，用于模拟外分泌胰腺的发育和疾病。
  • 世界首例人工角膜移植手术成功
    • 以色列初创企业的人工角膜研发成功，帮助失明十年的78岁老翁顺利恢复视力，随着时间的推移，人造眼角膜和眼白完全融合，且创伤面积小，伤口恢复得很快。这是人类史上人工角膜移植手术临床试验的一项重大进展。
    • 子主题
  • 世界首例猪肾已被移植到人体内
    • 美国科学家将来源于猪的肾脏首次移植到人体中，目前暂时没有产生排异反应。如果手术成功，这将表明猪的器官可以被安全地用于拯救人类生命。该成果入选科技日报评选的2021年国际十大科技新闻之一。
  • 全球首个人类自组织心脏类器官
    • 维也纳研究团队使用人类多能干细胞成功培养出全球首个体外自组织心脏类器官模型，该模型可自发形成空腔，自主跳动，无需支架支持。同时，这种心脏类器官在受伤后可以自主动员心脏成纤维细胞迁移修复损伤。
• 恶性疾病的预防与治疗
  • 首个由中国学者命名的运动障碍性疾病
    • 一种新的运动障碍性疾病综合征——“瘢痕舞蹈综合征”（scar dancing syndrome），这是首个由中国学者命名的运动障碍性疾病。该类患者进行口服药物治疗后，往往没有效果。不过相关研究发现：多靶点的肉毒毒素注射治疗，可以改善部分患者的疼痛和肌肉异常运动。
    • 瘢痕舞蹈
  • 提高中晚期鼻咽癌疗效的高效低毒治疗新模式
    • 鼻咽癌放疗后的全身微小残留肿瘤是其治疗失败的根源，而由于放疗后患者身体状况差，难以耐受既往高强度的传统化疗（完成率仅约40%-50%），成为制约疗效提高的瓶颈。中国科学家提出了小剂量、长时间口服细胞毒药物卡培他滨的节拍化疗模式，其可通过抗血管生成、杀伤肿瘤干细胞等机制持续抑制肿瘤，同时提高机体耐受性。此研究入选2021年度中国生命科学十大进展。
  • MDMA可治疗创伤后应激障碍
    • 美国科学家团队进行的一项多中心、随机、对照试验发现，3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ，显著减轻了创伤后应激障碍(PTSD)患者的症状。76名受试者，部分接受了3次MDMA治疗，部分接受了安慰剂指导治疗课程。2个月后，67%的接受MDMA治疗的患者不再有PTSD症状，而安慰剂组则仅有32%。该研究入选《科学》十大科学突破之一。
    • 研究人员对创伤后应激障碍（PTSD）使用MDMA治疗
  • 阿尔茨海默病治疗重要进展
    • 美国科学家证实了抑制神经炎症和神经元死亡对于阿尔茨海默病治疗的重要性与可行性，这一发现对于新药开发有着指导意义。死于神经炎症的脑细胞，数量是死于淀粉样蛋白沉积和神经原纤维缠结的脑细胞的十倍，即便存在淀粉样蛋白沉积和神经原纤维缠结，但只要不引起神经炎症，就可能控制住阿尔茨海默病的病情。
  • 用癌细胞重组纳米疫苗实现肺癌预防痊愈
    • 中国科学家研发出一款纳米疫苗，在小鼠癌症模型中对小鼠肺癌和黑色素瘤的预防痊愈率分别为100%和70%。相比 CAR-T 等技术，纳米疫苗不仅更方便，价格也会更便宜。
    • 纳米疫苗的制备和纳米疫苗诱导的肿瘤特异性免疫反应的简要示意图
  • 颠覆百年癌症代谢理论
    • 美国科学家发现肿瘤细胞并非此前认为的高代谢葡萄糖的罪魁祸首，而是被称为巨噬细胞的免疫细胞存在较高葡萄糖高代谢水平。这一发现颠覆了过去百年来的肿瘤微环境中新陈代谢竞争的普遍观点，有助开发新的抗癌疗法和用于癌症诊断与检测成像新策略。
  • 喝绿茶能抗癌的分子机制
    • 绿茶对肿瘤的化学预防作用主要归因于多酚类化合物，其中表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）最为重要。在EGCG诱导的抗肿瘤特性中，p53发挥了重要作用。p53通常被称为“基因守护者”，是一种重要的肿瘤抑制因子。然而，关于EGCG如何与p53相互作用的分子机制尚不清楚。一项最新研究中，来自美国研究团队发现了p53和EGCG之间存在一种前所未知的直接相互作用，并解释了EGCG如何增强p53的抗癌活性，从而为开发抗癌药物指明了新靶点。
  • 癌细胞竟会全体“冬眠”躲过化疗
    • 科学家们发现癌细胞会进入一种类似“冬眠”的状态，几乎不需要任何营养，非常低调地“熬”过化疗阶段，等待卷土重来。可喜的是，探索这一机制的研究人员，也已经找到了针对这种耐药性的抗癌策略。
    • 在化疗诱导下，癌细胞可以进入一种缓慢生长的状态，并且似乎所有癌细胞都拥有这种能力
  • 首次发现人体存在“组织液循环网络”
    • 中国科学家在国际上首次发现了“人体组织液循环网络”的解剖学结构，并首次提出了“组织液循环网络”学说，即在已知的血液循环系统、淋巴循环系统之外，人体还存在第三种体液循环系统——“组织液循环网络”系统。该研究有望建立一种新型给药方式，即在穴位区注射药物，通过与这个穴位连接的特定组织液循环网络，有可能实现针对特定器官的靶向药物治疗。
• 基因、细胞、胚胎
  • 解锁古老泥土DNA宝库
    • 科学家们从洞穴地面的土壤中解锁了一个更大的古代DNA宝库。研究人员使用这种“泥土DNA”来重建世界各地穴居人的身份。在西班牙的Estatuas洞穴，核DNA揭示了8万至11.3万年前生活在那里的人类的遗传特征和性别，并表明尼安德特人的一个谱系在10万年前结束的冰川期之后取代了其他几个谱系。在美国佐治亚州Satsurblia洞穴有2.5万年历史的土壤中，科学家们发现了来自以前未知的尼安德特人系的女性人类基因组，以及野牛和现已灭绝的狼的遗传痕迹。该研究入选《科学》十大科学突破之一。
    • 一名研究人员记录了墨西哥奇基维特洞穴中沉积物样本的位置
  • 只含480个基因的人造细胞能正常分裂
    • 2016年，美国科学家以支原体的基因为蓝本，造出了世界上拥有最小基因组（473个基因）的细胞。它被称为syn3.0，可以进行代谢和分裂，但是其后代却形态异常。2021年美国生物学家，通过在syn3.0中表达额外的7个基因，成功地解决了形状异常的问题。其中2个基因在细胞分裂中具有重要作用，但其他5个基因的具体功能仍然不明。这也是目前可正常分裂的人造细胞中，基因组最小的。
    • 不断优化的人造生物基因组成
  • 重建“体外卵巢”成功制造卵子
    • 日本研究人员用小鼠胚胎干细胞，制造出了卵母细胞成熟所需的结构——卵巢中的卵泡。在干细胞制造的“体外卵泡”中，原始生殖细胞得以生成具有完整功能的卵子，这些卵子最终受精并孕育出了健康的小鼠后代。
    • 过激活不同的信号通路，诱导小鼠多能干细胞分化，获得卵巢体细胞的特征和多样性
  • 首次证明CRISPR基因编辑疗法对人类疗效
    • 基因编辑工具CRISPR于2020年首次显现出或可治愈镰状细胞病和β—地中海贫血患者的功能。今年，科学家们更进一步，直接在人体内部署CRISPR-Cas9。美国科学家在6名患有一种名为转甲状腺素淀粉样变性病的罕见疾病的患者身上测试了他们的治疗方法。结果显示，所有参与者的畸形蛋白质水平均下降，其中两名接受高剂量注射的人的蛋白质水平平均下降了87%。该研究入选《科学》十大科学突破之一和《自然》十大科学新闻之一。
    • 来自CRISPR注射的引导。RNA（蓝色）将DNA切割酶（白色）引导至其目标（橙色）。
  • 首个人类胚胎完整模型
    • 美国研究人员领衔的团队成功用人多能干细胞分化诱导出人类早期胚胎样结构。该结构与人囊胚期胚胎具有类似的结构，能正确表达相应的基因与蛋白，并且可在体外发育2至4天，形成类羊膜囊等结构。此项研究入选两院院士评选的2021年世界十大科技进展新闻。
    • 两支团队使用了不同的方法
  • 首个人猴嵌合体胚胎
    • 中外科学家共同制造全球首个人-猴嵌合体胚胎，其在实验室中进行了长达 20 天的生长。这种有争议的做法可以帮助人们开发全新的疾病治疗方法，并为器官移植找到新方向。
  • 开创“无胚化”人类胚胎学技术
    • 研究人类胚胎早期发育对了解生命和繁衍有着重要意义。但由于样本获取难度大且对活胚胎的体内外研究受到严格伦理学限制，人类对于胚胎早期发育的研究几个世纪以来基本处于“技术真空”状态。为了打破这一技术真空，中国科学家独创地联合应用人多能干细胞与机械微系统，在体外重建了早期胚胎发育结构及其动态演化过程，并率先发展了一系列“无胚化”的人类胚胎学技术。
  • 肠道菌群的绝大多数特征都显示出某种程度的遗传性
    • 美国研究团队详细分析了14年来收集的16000多份野生狒狒的粪便样本，最终澄清了关于肠道菌群的一个长期误解。他们发现，对于定居在肠道内的各种微生物，宿主自身遗传因素起到的作用比人们过去以为的大得多，肠道菌群的绝大多数特征都显示出某种程度的遗传性。
    • 子主题
  • 首次揭开细菌“飞奔”的秘密
    • 中国科学家揭示了细菌“快速运动之谜”，细菌鞭毛马达工作原理终于得以解开，这一成果将给抗生素设计带来新思路。该研究首次以高清形式，展示了鞭毛马达的不同组件如联动杆、外膜环、周质环、内膜环、分泌装置、接头装置等，也首次系统地揭示了沙门氏菌鞭毛马达的组装和扭矩传输机制。
    • 鞭毛马达结构与工作机制的示意图
  • 首次发现昆虫可以“偷窃”植物基因
    • 中国科学家在国际上首次揭示昆虫能如何通过水平基因转移的方式，“偷窃”植物基因，协助自己分解植物的有毒分子。为探索昆虫适应性进化规律开辟了新的视角，也为新一代靶标基因导向的烟粉虱田间精准绿色防控技术研发提供全新思路。该项成果入选两院院士评选的2021年中国十大科技进展新闻。
    • 烟粉虱利用来自植物的基因化解植物中的有毒物质
  • 异源四倍体野生稻快速从头驯化获得新突破
    • 中国科学家团队首次提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，旨在最终培育出新型多倍体水稻作物，从而大幅提升粮食产量并增加作物环境变化适应性。本项研究为未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略，开辟了全新的作物育种方向。该项成果入选两院院士评选的2021年中国十大科技进展新闻。
    • 异源四倍体野生稻与二倍体栽培稻的植株表型
  • 建成世界最大的小鼠全脑神经元数据集
    • 中美科学家团队建成迄今世界最大的小鼠全脑1741个单细胞神经元数据集，包含来自皮层，屏状核，纹状体和丘脑等脑区神经元，并进行了神经元分型方面的研究，根据投射特征和转录组特征，鉴定了11种投射类别。
    • 单细胞水平的 11 种长程投射神经元类型的形态学和投射特性（来源：Nature）
• 认知生命
  • 首例AI+脑机接口技术让“失语”瘫痪患者实现沟通自由
    • 美国科学家首次用脑机接口帮助一位瘫痪超过 15 年的失语男子 BRAVO1 恢复了“说话”能力。脑机接口是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。该项成果入选2021年《物理世界》十大突破之一、科技日报评选的国际十大科技新闻之一。
    • BRAVO1 在大脑中植入电极列阵的区域（来源：加州大学旧金山分校）
  • 成功治疗一例重度抑郁症患者
    • 美国科学家团队通过给患者脑部植入一种类似神经起搏器的装置，成功缓解了难治性抑郁症。这项概念验证研究表明了大脑活动可以被用来为神经精神疾病提供个性化的治疗，同时也代表了将神经科学进步应用于精神健康领域并取得里程碑式的成功。
    • 大脑起搏器
  • 揭示鸟类迁徙路线成因和长距离迁徙关键基因
    • 中国科学家历时12年，利用卫星追踪数据和基因组信息，建立了一套北极游隼迁徙研究系统，发现游隼主要使用5条路线穿越亚欧大陆，西部游隼表现为短距离迁徙，东部为长距离迁徙。在末次冰盛期到全新世的转换过程中，冰川消退所导致的繁殖和越冬地变迁，可能是迁徙路线形成的主要历史原因。研究还发现迁徙距离更长的游隼携带ADCY8优势等位基因，该基因与长时记忆形成有关，表明长时记忆可能是鸟类长距离迁徙的重要基础。该研究结合遥感卫星追踪、基因组学、神经生物学等研究手段，通过多学科整合分析方法阐明了鸟类迁徙路线变迁成因和遗传基础。该研究成果入选中国科学十大进展之一。
  • 100小时完成迄今最高精度猕猴脑图谱测绘
    • 中国科学家自主研发了一种高通量、高精度的三维荧光成像 VISoR 技术和灵长类脑图谱绘制 SMART 流程，实现了猕猴大脑的微米级分辨率三维解析。VISoR 成像系统可以在 100 小时内完成猕猴全脑样品 1×1×2.5 微米三维分辨率的猕猴全脑图像采集，研究中两只猕猴大脑图像的原始数据量逾 1PB（千万亿字节，其数据储存大小相当于 113 块 10T 硬盘），这是迄今世界上最高精度的灵长类动物的脑图谱。
    • 猕猴大脑的三维高分辨重建图（a）、截面图（b）、内部神经纤维展示（c），以及部分神经纤维的全脑示踪和可视化（d）（来源：Nature Biotechnology）
• 新冠疫情
  • 首次看清新冠患者体内蛋白质变化
    • 中国科学家分析出新冠肺炎死亡患者体内多器官组织样本中蛋白质分子病理全景图，相当于将医生在显微镜下看到的人体感染新冠病毒后细胞组织的变化放大了数万倍，达到蛋白质分子层面，“看”清楚是哪些分子的改变导致人体器官的病变和衰竭。这是在全球范围内第一次从蛋白质分子水平上，对新冠病毒感染人体后多个关键器官做出的响应进行详细和系统的分析。
    • 新冠肺炎死亡患者多器官蛋白分子病理全景图
  • 首次揭示逃逸抗病毒药物机制
    • 中国科学家发现并重构了病毒“加帽中间态复合体”“mRNA加帽复合体”和“错配校正复合体”，并阐明其工作机制。揭示了新冠病毒转录复制机器的完整组成形式；发现病毒聚合酶的核苷转移酶结构域是催化mRNA“加帽”成熟的关键酶，明确了帽结构的合成过程，为发展新型、安全的广谱抗病毒药物提供了全新靶点；发现病毒以“反式回溯”的方式对错配碱基和抗病毒药物进行“剔除”，阐明了瑞德西韦等药物效果不良的分子机制，为优化针对聚合酶的抗病毒药物提供了关键科学依据。该项成果入选2021年中国科学十大进展之一。
  • 最完整的新冠病毒基因注释图谱
    • 美国研究团队绘制出了迄今为止最完整的新冠病毒基因注释图谱。他们在通过比较大量相似病毒基因组后，确认了新冠病毒（SARS-CoV-2）基因组中未被发现的六个蛋白质编码基因。