12月17日，Science公布了2021年度十大科學突破評選結果，生物及醫(yī)藥領域占據7項?；谌斯ぶ悄茴A測蛋白質結構的技術位列榜首，其他分別為：抗新冠強效藥出現(xiàn)、迷幻藥物可治療創(chuàng)傷后應激障礙（PTSD）、單克隆抗體治療傳染性疾病、基因編輯工具CRISPR首次獲得臨床勝利、體外胚胎培養(yǎng)為早期發(fā)育研究打開新窗戶、首次在土壤中提取到古人類DNA，以及“洞察”號首次揭示火星內部結構、粒子物理學的標準模型出現(xiàn)了“裂縫”、核聚變實現(xiàn)歷史性突破。

1、人工智能預測蛋白質結構

此前，復雜的蛋白質結構只能通過艱苦的實驗分析來確定，但現(xiàn)在可以對成千上萬的蛋白質和相互作用蛋白質的復合物進行快速計算。今年7月，Google姐妹公司DeepMind宣布已經利用AI智能軟件程序——AlphaFold2預測了人類表達的幾乎所有蛋白質的結構，以及其他20種生物幾乎完整的蛋白質組?，F(xiàn)在，科學家也在使用AlphaFold2來模擬奧密克戎變體刺突蛋白突變的影響。

隨后，華盛頓大學醫(yī)學院生物化學系教授、蛋白質設計研究所所長 David Baker 領導一支計算生物學家團隊，成功開發(fā)一款名為 RoseTTAFold 的工具，基于深度學習，能夠根據有限的信息快速準確地預測出目標蛋白質的結構，達到與 AlphaFold2 不相上下的準確度。

不僅如此，RoseTTAFold 所需的計算耗能與計算時間均比 AlphaFold2 還要低：僅用一臺游戲計算機，在短短十分鐘內就可以可靠地計算出蛋白質結構。更值得注意的是，RoseTTAFold 的代碼和服務器完全免費提供給科學界！

自 7 月以來，相關程序已被 140 多個獨立科研團隊從 GitHub 免費下載，來自世界各地的科學家現(xiàn)在正在使用 RoseTTAFold 來構建蛋白質模型，以加速相關領域的研究。

同樣在今年 7 月份，DeepMind 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Demis Hassabis 也在 Nature 雜志上分享了AlphaFold的開源代碼，并發(fā)表了系統(tǒng)的完整方法論，詳盡細致說明 AlphaFold 是如何做到精確預測蛋白質3D結構的。也就是說，這款強大蛋白質結構預測模型已經是完全免費的。

至此，兩種強大的基于人工智能的蛋白質結構預測模型全部免費開放，科研工作者可以隨時利用這兩款模型獲取蛋白質的空間結構，而無需對蛋白質進行結晶或使用昂貴的冷凍電鏡進行研究。

在同步配發(fā)的評論文章里，Science 雜志的主編 Holden Thorp 對此表示，“首先，它解決了困擾生命科學近 50 年的蛋白質折疊問題，好比物理學中的引力波，科學家們數十年如一日，堅持不懈最終才攻克這一難題；其次，這一技術改變了未來結構生物學的規(guī)則，就像冷凍電鏡那樣，加速生命科學的發(fā)展；此外，完全免費意味著它是真正適合所有人的蛋白質預測模型。”

人工智能預測蛋白質結構將為結構生物學帶來巨大變化，這樣的進步將為基礎生物學提供新的見解，并揭示潛在的新藥物靶點。

2、抗新冠強效藥出現(xiàn)

疫苗在抗擊新冠疫情的斗爭中發(fā)揮了重大作用，但今年，一個強有力的新選手——抗病毒口服藥也加入了進來，包括默克的Molnupiravir和輝瑞的Paxlovid等。目前英國于11月批準了Molnupiravir，同時歐洲藥品管理局12月16日發(fā)布公告，建議歐盟成員國在緊急情況下可使用尚未在歐盟獲得授權的Paxlovid。根據提交給監(jiān)管機構的最終數據，Molnupiravir可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風險降低30%；在出現(xiàn)癥狀的3天內服用Paxlovid，可將住院率降低89%。

不過科學家表示，抗病毒藥物不能取代疫苗接種，新藥的不確定性仍然很多，但它們的出現(xiàn)至關重要，如果新的奧密克戎變體導致突破性感染激增，它們的重要性將更加突出。

3、迷幻藥物可治療創(chuàng)傷后應激障礙

迷幻藥改變精神的能力，使人們一度對其治療精神疾病抱有很大的希望，但一直缺少大型、嚴格的實驗證明。

今年5月發(fā)表在Nature Medicine上的一項研究發(fā)現(xiàn)，3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ，也就是俗稱的“搖頭丸”的主要成分，能顯著降低創(chuàng)傷后應激障礙（PTSD）患者的癥狀。76名受試者接受了3 次 MDMA 或安慰劑治療，并在每次治療前后與治療師進行一次談話治療。兩個月后，67%的受試者不再符合PTSD的診斷標準，而這一比例在安慰劑組為32%。

4、單克隆抗體治療傳染性疾病

單克隆抗體在癌癥和自身免疫性疾病的治療中已經取得了顯著的效果，在對抗傳染病方面的成功有限，但今年單克隆抗體開始在對抗新冠病毒和其他威脅生命的病原體，包括呼吸道合胞病毒 (RSV)、HIV 和瘧疾寄生蟲等方面顯現(xiàn)出效果。

隨著克隆、動物模型和 X 射線晶體學的進步，研究人員可以制造和篩選比以往更多的單克隆抗體。SARS-CoV-2單克隆抗體在 2020 年的臨床試驗中顯示出令人鼓舞的結果。截至今年年底，已有3種用于治療新冠病毒的單克隆抗體獲得FDA緊急使用授權，包括Bamlanivimab、REGEN-COV、Sotrovimab。

此外，目前科學家正在開發(fā)針對流感、寨卡病毒和巨細胞病毒的單克隆抗體，兩個旨在預防所有嬰兒呼吸道合體病毒(RSV)的候選藥物被寄予厚望。同時，隨著價格下跌、注射劑取代輸液，以及更有效的單克隆抗體上市，未來單克隆抗體可能成為對抗傳染病的標準武器。

5、基因編輯工具CRISPR首次獲得臨床勝利

基因編輯工具CRISPR于2020年首次顯現(xiàn)出或可治愈鐮狀細胞病和β-地中海貧血患者的效果，但其治療方式都是從患者體內取出有缺陷的造血干細胞，進行編輯后重新注入患者體內。今年，科學家們更進一步，直接在人體內使用CRISPR進行基因編輯。

今年6月，Intellia和再生元宣布，其開發(fā)的體內 CRISPR-Cas9 基因編輯療法 NTLA-2001 治療轉甲狀腺素淀粉樣變性病的I期臨床研究中期結果顯示，在第 28 天，0.1 mg/kg 劑量組血清轉甲狀腺素蛋白水平較基線平均降低了 52%，0.3 mg/kg 劑量組降低了 87%。這是首個支持人體體內 CRISPR 基因編輯安全性和有效性的臨床試驗數據。

6、體外胚胎培養(yǎng)為早期發(fā)育研究打開新窗戶

深入研究人類早期胚胎發(fā)育的過程可以幫助科學家了解流產和出生缺陷，并有利于完善體外受精方案。然而，法律、實踐和倫理等諸多方面，限制了對人類胚胎的研究。

今年，科學家找到了潛在替代方案，不僅讓小鼠胚胎在人造子宮“玻璃瓶”中發(fā)育的時間從3-4天突破到了11天，還實現(xiàn)將人類胚胎干細胞和誘導多能干細胞重編程為類似胚泡的結構。盡管這種人造胚泡不是真正的胚胎，但可以為科學研究提供指導意義且爭議較小的替代方案，為子宮外孕育人類提供思路。

7、首次在土壤中提取到古人類DNA

今年，科學家首次從洞穴土壤中提取到了古人類DNA。在西班牙的Estatuas洞穴中，提取到的核DNA揭示了8-11.3萬年前生活在那里的人類的遺傳特征和性別，并表明在10萬年前結束的冰川期之后，尼安德特人的一個譜系取代了其他幾個譜系；而在美國佐治亞州Satsurblia洞穴的兩萬五千年歷史的土壤中，科學家們發(fā)現(xiàn)了來自以前未知的尼安德特人系的女性人類基因組，以及野牛和現(xiàn)已滅絕的狼的遺傳痕跡。

這項從古代土壤中提取和測序核 DNA 的技術仍在改進中，幫助科學家回答更多關于古代物種興衰的問題。

8、“洞察”號首次揭示火星內部結構

自2018年11月“扎根”火星以來，NASA的“洞察”號火星探測器在其著陸點測量了大約733次地震。科學家基于其中35次地震的數據，揭示了火星的內部結構，包括：夾心蛋糕一般的地殼結構、比預期更薄的地幔、含有更多輕元素的液態(tài)核心......在接下來的時間里，隨著更多測量數據的出現(xiàn)，科學家將改進這顆紅色星球的模型，進一步揭開火星的神秘面紗。

這是科學家第一次使用地震數據來探測地球以外行星的內部，這是了解火星形成和熱演化的重要一步。

9、粒子物理學的標準模型出現(xiàn)了“裂縫”

今年4月7日，在美國費米實驗室進行的繆子反常磁矩實驗顯示，繆子的行為與標準模型理論預測不相符。報告稱，巨大的、不穩(wěn)定的類電子粒子——繆子，比最初預測的更具磁性。雖然比預測只相差0.1%，但這意味自然界中的未知粒子給了繆子額外的推力——而這一發(fā)現(xiàn)意味著擁有50年歷史的粒子物理標準模型的預言失敗，一個新的物理學世界大門或將打開。

10、核聚變實現(xiàn)歷史性突破

核聚變?yōu)樘柡推渌阈翘峁┠芰?，長期以來一直被視為解決地球能源問題的方法。但要達到所需的壓力和溫度（相當于太陽核心溫度的10倍），非常困難。

今年8月，美國國家點火裝置 (NIF) 產生了一種聚變反應，產生的能量比點燃它所需的激光能量更多。研究人員認為這是燃燒等離子體的結果，這意味著聚變反應產生了足夠的熱量，可以像火焰一樣通過壓縮燃料傳播。倫敦帝國理工學院這一領域研究中心的聯(lián)合主任Steven Rose教授表示：“這是慣性聚變自1972年開始以來最重大的進展。”這項研究正在使可持續(xù)核聚變反應裝置成為現(xiàn)實。