Nature公布：2019年度十大科学进展！

AI算法与图像处理

发布于 2019-12-26 14:56:25

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来源：高分子科学前沿整理、新浪新闻，纳米人，Nature自然科研等

近日《Nature》选出了2019年度十篇杰出论文，代表十大科学进展：

吃“鱼”解决微量营养素缺乏问题

据估计，微量营养素缺乏每年导致100万人过早死亡，对某些国家来说，这可能会降低其国内生产总值高达11%，更加凸显粮食政策的重点是改善营养，而不是简单地增加粮食产量。人们从各种各样的食物中获得营养，但鱼类可为人类提供丰富的微量营养素却常常被忽视。本文利用超过350种海洋鱼类中7种营养物质（钙、铁、硒、锌、维生素A、ω-3脂肪酸和蛋白质）的浓度，环境和生态特征来预测海洋鳍类鱼类的营养含量，结果如下：

文章研究结果确定了目前世界范围内渔业渔获物中营养物质的分布情况，部分高捕获量地区即使降低捕获量也不会影响当地营养状况。多数地区，作为食物来源，鱼类来得更加实惠，且对环境影响较小，渔业营养与其他动物性营养供应是相当的，渔业应成为粮食和营养的核心组成部分。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1592-6

亨廷顿舞蹈症潜在新药获重大突破！中国科学家发明神奇“小分子胶水”

复旦大学生命科学学院鲁伯埙与丁澦课题组和复旦大学信息科学与工程学院光科学与工程系费义艳课题组等多学科团队通力合作，开创性地提出基于自噬小体绑定化合物（ATTEC）的药物研发原创概念，并巧妙地通过基于化合物芯片和前沿光学方法的筛选，发现了特异性降低亨廷顿病致病蛋白的小分子化合物，有望为亨廷顿病的临床治疗带来新曙光。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1722-1

马头鱼尾怪：海王星最小的新卫星

旅行者2号航天器在1989年飞掠海王星时发现有六颗内卫星绕其运行。据信，这些内卫星都比海王星年轻，形成于海王星捕获其最大的卫星崔顿（Triton，海卫一）后不久。每颗内卫星都可能曾受到彗星撞击而受损。

美国SETI（地外智慧生物搜寻）协会的Mark Showalter及其同事使用哈勃太空望远镜研究海王星的内卫星和环，发现了旅行者2号飞掠海王星时未观测到的第七颗内卫星。这意味着海王星总共有14颗卫星。这一发现是通过特殊的图像处理技术实现的，该技术使得作者能够不受海王星内卫星高速运行的影响进行重点观测。

2004-2016年探测到的“马头鱼尾怪”。Showalter et al.

这颗新卫星被命名为“马头鱼尾怪”——希腊神话中的一种海怪。它是海王星最小的卫星，平均直径约34千米。“马头鱼尾怪”的轨道靠近普罗透斯（Proteus，海卫八）——最大最外层的内卫星。作者认为“马头鱼尾怪”可能是由普罗透斯被一颗大型彗星撞击后喷射的碎片形成的。作者总结表示，这些发现进一步印证了这样一种观点：海王星内卫星的形成受到了无数次撞击的影响。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0909-9

科学家可能找到了接近室温的超导体材料!

超导可以以100％的效率传输电能，在各个领域具有广泛用途。然而，超导状态仅存在于远低于室温（295开尔文）的温度下，导致这些应用受到了阻碍。一个世纪以来，全球科研人员一直在寻求能够实现室温超导的材料，以在没有损失的情况下输送电流。德国马普化学所Drozdov团队报道了当压力压缩到地球大气压超过一百万倍时，氢化镧化合物在250 K时就变成超导体，这是目前已知的最接近室温的超导体。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1201-8

《自然》重磅发布基因编辑里程碑成果：有望治疗大部分遗传病！

构成生命蓝图的DNA序列变异对任何物种的健康都是至关重要的，成千上万的DNA突变被认为都会导致疾病，经过几十年的遗传学和分子生物学研究后，如今研究人员在开发能够纠正突变的基因组编辑工具上取得了巨大的进展，但由于工具依赖于复杂和相互竞争的细胞过程，基因编辑的效率和准确性似乎受到了根本性的限制；美国哈佛-麻省理工学院博德研究所的David Liu及同事提出一项新型编辑技术——“先导编辑”（Prime 编辑），直接支持靶向点突变、精准插入、精准删除及其各种组合，而不造成DNA双链断裂。

作者将Cas9酶和逆转录酶结合起来使用。所得的分子机器和工程向导RNA结合在一起后，既能搜索特定DNA位点，又能直接让包含了预期编辑的新遗传信息替换靶DNA序列。

与碱基编辑相比，Prime 编辑提供了效率和产品纯度方面的优势；与碱基编辑相比，具有互补的优势和劣势，并且在已知 Cas9 脱靶位点处的脱靶编辑比 Cas9 核酸酶低得多。Prime 编辑大大扩展了基因组编辑的范围和能力，并且原则上可以纠正约 89％的已知致病性人类遗传变异。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1711-4

全球变暖“脚步”加快？科学家发现格陵兰岛冰川下或有甲烷逃离

格陵兰冰盖是世界第二大冰盖，面积1,833,900平方公里。由于全球气候变暖，格陵兰冰盖正处于融化过程中。2016年，一项研究显示从2003年到2013年，该地区的冰融化了将近2.7万亿吨。该论文作者指出，格陵兰岛每年融化的冰比原先估计的多180亿吨，相当于5万座帝国大厦的重量。2018年，英国《每日邮报》报道称，格陵兰岛的冰盖正在以前所未有的速度融化，仅20世纪以来，融水就增加了30%。研究人员称，格陵兰岛冰盖的融化速度已经达到了极速，且其冰流失是导致海平面上升的主要因素之一。

近日，英国一项研究发现，格陵兰岛一600平方公里的区域在融化期至少释放了6吨甲烷。众所周知甲烷和二氧化碳都是造成温室效应的罪魁祸首。据分析显示，同等质量的两者，甲烷的温室效应是二氧化碳的25倍。如果全球温度持续升高，南北极冰山将大幅度融化，海平面将大大上升，一些岛屿和沿海城市可能将被淹没。因此，格陵兰冰盖融化现象应该再次引起我们高度关注。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0800-0

改写教科书！中美科学家发现父亲线粒体DNA也能够传递给子女

中国广西妇幼保健院、台大医院以及美国辛辛那提儿童医学中心、贝勒医学院和梅奥诊所的研究人员在PNAS上发表了题为“Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans”的文章，发现在极少数情况下，人类线粒体DNA可以遗传自父亲，而不仅仅是母亲。

健康人细胞中的线粒体DNA（mtDNA）分子基本上是相同的。但是在由mtDNA突变引起的疾病患者中，正常的和突变的mtDNA分子通常在一个细胞中共存，这种情况称为异质性（heteroplasmy）。疾病的严重程度通常与细胞中发生突变的mtDNA数量有关。线粒体和mtDNA一般只通过母系遗传，而关于父系mtDNA是否与母系mtDNA遗传共存还存在着相当大的争议。在本研究中，科研人员对三个不相关的多代家族进行了研究，发现共有17个个体具有高水平的mtDNA异质性（范围从24%到76%）。通过多家权威实验室采用多种方法各自独立地对mtDNA的异质性进行了深入的线粒体基因组测序分析，结果显示mtDNA双亲遗传具有常染色体显性遗传特征。这表明mtDNA母系遗传的中心法则仍然有效，但也有一些例外情况，即父系mtDNA也可以传递给后代。

这一发现是一个有趣的概念性的突破，阐明这种非同寻常的遗传模式的分子机制，有助于全面理解mtDNA从亲代向子代的传递过程，甚至可能为治疗线粒体遗传疾病开辟新的途径。

全文链接：

https://www.pnas.org/content/115/51/13039

瑞士科学家用AI教会四足机器人ANYmal快速爬起

苏黎世联邦理工学院，在《Science Robotics》上面发表了一篇关于训练四足机器人ANYmal的文章，详细阐述了用深度学习训练ANYmal的结果。研究人员称，他们应用了强化学习的相对较新的方法，先为系统设定目标，然后为其提供一种测试实现这些目标的方法，在达到基准时不断改进。测试一遍又一遍地进行，有时数千次，直到它正确为止。在反复训练之下，ANYmal不仅自身平衡能力更稳定。

在被暴力踹倒之后，还能能立刻翻转并站立起来，动作也像极了真实小狗的动作。

另外，由于真实实验太过浪费时间，研究人员还开发了一种仿真模式。他们在电脑里仿真出ANYmal的虚拟版本，由于虚拟版本可以同时训练多只ANYmal，研究人员称，这种虚拟的学习速度是现实学习速度的1000倍。他们先让虚拟狗自己训练11个小时，再将结果下载到屋里机器人身上，效果可以说非常显著。

相关论文以“Learning agile and dynamic motor skills for legged robots”为题发表在《Science Robotics》上。

全文链接：

https://doi.org/10.1126/scirobotics.aau5872

上海有机所董佳家《Nature》：源于“意外”的点击化学新突破

中国科学院上海有机化学研究所有机氟化学重点实验室董佳家研究员课题组在寻找新的SuFEx反应砌块的过程中，意外发现一种安全，高效合成罕见的硫（VI）氟类无机化合物FSO2N3（氟磺酰基叠氮）的方法，他们同时发现该化合物对于一级胺类化合物有极高的重氮转移反应活性和选择性。该成果近日发表于《自然》。孟根屹，郭太杰，马天成是该文章的共同第一作者，董佳家研究员与K. Barry Sharpless教授为文章的共同通讯作者，上海有机所为本论文的唯一通讯单位。

一级胺无疑是有机化学中多样性最大，砌块可得性最高的官能团。在这个新发现反应的基础上，他们从大量可得的一级胺官能团分子砌块出发，在96孔板内直接合成了对应的叠氮砌块库（1224个），该化合物库不需分离纯化可以和任意给定端炔化合物进一步在96孔板内进行环加成反应（单人操作），进而直接进行功能筛选。在实现了砌块的极大多样性和链接的高度可预测性的前提下，建立了高度可预测的高通量合成模式。（图：模块化的点击化合物库方法）他们将这个新发现的，FSO2N3与一级胺类化合物的重氮转移反应称为第三个点击化学反应，把该过程命名为模块化的点击化合物库方法。该方法除了能够和已知组合化学方法例如DNA编码化合物库方法兼容之外，相比于之前的组合化合物库方法，该模式有几个突出特点：化合物库不以混合物的形式展示，可以直接应用于生物功能的表型筛选；由于点击反应的正交性和反应条件的生物相容性，可改造的前体分子范围极大；该过程对于不同结构的底物反应条件归一化，不需要分离纯化过程直接进行功能分子的筛选；流程简单，确证后的目标分子可以在极短时间内进行克级规模以上的放大，迅速推进。这些特点使得该方法可进行低成本的复制。