四 研制出用于腫瘤治療的智能型DNA納米機(jī)器人

　　利用納米醫(yī)學(xué)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)重大疾病的精準(zhǔn)診斷和治療是科學(xué)家們追逐的一個(gè)偉大的夢(mèng)想。

　　國(guó)家納米科學(xué)中心聶廣軍、丁寶全和趙宇亮研究組與美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)顏灝研究組等合作，在活體內(nèi)可定點(diǎn)輸運(yùn)藥物的納米機(jī)器人研究方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了納米機(jī)器人在活體（小鼠和豬）血管內(nèi)穩(wěn)定工作并高效完成定點(diǎn)藥物輸運(yùn)功能。

　　研究人員基于DNA納米技術(shù)構(gòu)建了自動(dòng)化DNA機(jī)器人，在機(jī)器人內(nèi)裝載了凝血蛋白酶——凝血酶。該納米機(jī)器人通過(guò)特異性DNA適配體功能化，可以與特異表達(dá)在腫瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞上的核仁素結(jié)合，精確靶向定位腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞；并作為響應(yīng)性的分子開(kāi)關(guān)，打開(kāi)DNA納米機(jī)器人，在腫瘤位點(diǎn)釋放凝血酶，激活其凝血功能，誘導(dǎo)腫瘤血管栓塞和腫瘤組織壞死。

　　這種創(chuàng)新方法的治療效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原發(fā)肺癌等多種腫瘤中都得到了驗(yàn)證。并且小鼠和Bama小型豬實(shí)驗(yàn)顯示，這種納米機(jī)器人具有良好的安全性和免疫惰性。

　　上述研究表明，DNA納米機(jī)器人代表了未來(lái)人類(lèi)精準(zhǔn)藥物設(shè)計(jì)的全新模式，為惡性腫瘤等疾病的治療提供了全新的智能化策略。Nature Reviews Cancer、Nature Biotechnology等評(píng)論認(rèn)為該工作為里程碑式的工作；美國(guó)The Scientist期刊將該工作與同性繁殖、液體活檢、人工智能一起，評(píng)選為2018年度世界四大技術(shù)進(jìn)步。

　　五 測(cè)得迄今最高精度的引力常數(shù)G值

　　牛頓萬(wàn)有引力常數(shù)G是人類(lèi)認(rèn)識(shí)的第一個(gè)基本物理常數(shù)，其在物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)中扮演著十分重要的角色。兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們圍繞引力常數(shù)G值的精確測(cè)量付出了巨大而艱辛的努力，但其測(cè)量精度目前仍然是所有物理學(xué)常數(shù)中最低的。

　　按照牛頓萬(wàn)有引力定律，G應(yīng)該是一個(gè)固定的常數(shù)，不因測(cè)量地點(diǎn)和測(cè)量方法的不同而變化。但是，當(dāng)前國(guó)際上不同研究小組用不同方法測(cè)得的G值卻不吻合。

　　為了深入研究這一問(wèn)題，華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力中心羅俊、楊山清和邵成剛研究組自2009年開(kāi)始同時(shí)采用兩種相互獨(dú)立的方法——扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法來(lái)測(cè)量G值。

　　歷經(jīng)多年的艱苦努力，2018年兩種方法均獲得了迄今為止國(guó)際最高的測(cè)量精度（G值分別為6.674184 ×10−11和6.674484 ×10−11m3/kg/s2，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為百萬(wàn)分之11.64和11.61），更為關(guān)鍵的是兩個(gè)結(jié)果在3倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)吻合。

　　Nature期刊以“引力常數(shù)的創(chuàng)紀(jì)錄精度測(cè)量(Gravity measured with record precision)”為題發(fā)表評(píng)論認(rèn)為，這項(xiàng)工作是迄今為止用兩種獨(dú)立的方法測(cè)定引力常數(shù)的不確定度最小的結(jié)果，為揭示造成萬(wàn)有引力常數(shù)測(cè)量差異的原因提供了非常好的機(jī)遇，同時(shí)也為進(jìn)一步測(cè)量獲得引力常數(shù)的真值提供了機(jī)遇；并評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作是“精密測(cè)量領(lǐng)域卓越工藝的典范”。

　　六 首次直接探測(cè)到電子宇宙射線能譜在1TeV附近的拐折

　　高能宇宙射線中的負(fù)電子和正電子在其行進(jìn)過(guò)程中會(huì)很快損失能量，因此其測(cè)量數(shù)據(jù)可以作為高能物理過(guò)程的一個(gè)探針，甚至用于研究暗物質(zhì)粒子的湮滅或衰變現(xiàn)象?；诘鼗袀惪品蛸が斏渚€望遠(yuǎn)鏡陣列的間接探測(cè)獲得的電子宇宙射線能譜在1TeV（1TeV=1000GeV=1萬(wàn)億電子伏特）附近存在有拐折的跡象，但其系統(tǒng)誤差很大。

　　我國(guó)首顆天文衛(wèi)星悟空號(hào)（DAMPE）的電子宇宙射線的能量測(cè)量范圍比起國(guó)外的空間探測(cè)設(shè)備（如AMS-02、Fermi-LAT）有顯著提高，拓展了人類(lèi)在太空中觀察宇宙的窗口。

　　DAMPE合作組基于悟空號(hào)前530天的在軌測(cè)量數(shù)據(jù)，以前所未有的高能量分辨率和低本底對(duì)25GeV—4.6TeV能量區(qū)間的電子宇宙線能譜進(jìn)行了精確的直接測(cè)量。

　　悟空號(hào)所獲得能譜可以用分段冪律模型而不是單冪律模型很好地?cái)M合，明確表明在0.9TeV附近存在一個(gè)拐折，證實(shí)了地面間接測(cè)量的結(jié)果。該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對(duì)于判定部分電子宇宙射線是否來(lái)自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。

　　此外，悟空號(hào)所獲得的能譜在1.4TeV附近呈現(xiàn)出流量異常跡象，尚需進(jìn)一步的數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)是否存在一個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)。

　　瑞典皇家科學(xué)院院士、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)秘書(shū)Lars Bergstrom教授肯定了這是首次直接測(cè)量到這一拐折。美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Marc Kamionkowski教授評(píng)論認(rèn)為，這是年度最令人激動(dòng)的科學(xué)進(jìn)展之一。

　　七 揭示水合離子的原子結(jié)構(gòu)和幻數(shù)效應(yīng)

　　離子與水分子結(jié)合形成水合離子是自然界最為常見(jiàn)和重要的現(xiàn)象之一，在很多物理、化學(xué)、生物過(guò)程中扮演著重要的角色。早在19世紀(jì)末，人們就意識(shí)到離子水合作用的存在并開(kāi)始了系統(tǒng)的研究。一百多年來(lái)，水合離子的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，至今仍沒(méi)有定論。究其原因，關(guān)鍵在于缺乏原子尺度的實(shí)驗(yàn)表征手段以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法。

　　北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心江穎、王恩哥和徐莉梅研究組與化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤研究組等合作，開(kāi)發(fā)了一種基于高階靜電力的新型掃描探針技術(shù)，刷新了掃描探針顯微鏡空間分辨率的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了氫原子的直接成像和定位，在國(guó)際上首次獲得了單個(gè)鈉離子水合物的原子級(jí)分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)特定數(shù)目的水分子可以將水合離子的遷移率提高幾個(gè)量級(jí)，這是一種全新的動(dòng)力學(xué)幻數(shù)效應(yīng)。

　　結(jié)合第一性原理計(jì)算和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬，他們發(fā)現(xiàn)這種幻數(shù)效應(yīng)來(lái)源于離子水合物與表面晶格的對(duì)稱性匹配程度，而且在室溫條件下仍然存在，并具有一定的普適性。

　　該工作首次澄清了界面上離子水合物的原子構(gòu)型，并建立了離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)之間的直接關(guān)聯(lián)，顛覆了人們對(duì)于受限體系中離子輸運(yùn)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。這對(duì)離子電池、防腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)、海水淡化、生物離子通道等很多應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的潛在意義。

　　Nature Reviews Chemistry期刊主編David Schilter發(fā)表評(píng)論文章認(rèn)為，這項(xiàng)研究獲得了“堪稱完美的水合離子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息”。

　　八 創(chuàng)建出可探測(cè)細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)相互作用的納米和毫秒尺度成像技術(shù) 

　　真核細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞器和細(xì)胞骨架進(jìn)行著高度動(dòng)態(tài)而又有組織的相互作用以協(xié)調(diào)復(fù)雜的細(xì)胞功能。觀測(cè)這些相互作用，需要對(duì)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行非侵入式、長(zhǎng)時(shí)程、高時(shí)空分辨、低背景噪聲的成像。

　　為了實(shí)現(xiàn)這些正常情況下相互對(duì)立的目標(biāo)，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所李棟研究組與美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所Jennifer Lippincott-Schwartz和Eric Betzig等合作，發(fā)展了掠入射結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（GI-SIM）技術(shù)，該技術(shù)能夠以97納米分辨率、每秒266幀對(duì)細(xì)胞基底膜附近的動(dòng)態(tài)事件連續(xù)成像數(shù)千幅。

　　研究人員利用多色GI-SIM技術(shù)揭示了細(xì)胞器-細(xì)胞器、細(xì)胞器-細(xì)胞骨架之間的多種新型相互作用，深化了對(duì)這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜行為的理解。微管生長(zhǎng)和收縮事件的精確測(cè)量有助于區(qū)分不同的微管動(dòng)態(tài)失穩(wěn)模式。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）與其他細(xì)胞器或微管之間的相互作用分析揭示了新的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)重塑機(jī)制，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)搭載在可運(yùn)動(dòng)細(xì)胞器上。而且，研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體接觸點(diǎn)可促進(jìn)線粒體的分裂和融合。

　　中國(guó)科學(xué)院外籍院士、美國(guó)杜克大學(xué)Xiao-Fan Wang教授評(píng)論認(rèn)為，這項(xiàng)工作發(fā)展了一項(xiàng)可視化活細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器與細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)相互作用和運(yùn)動(dòng)的新技術(shù)，將會(huì)把細(xì)胞生物學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代，有助于更好地理解活細(xì)胞條件下的分子事件，也提供了一個(gè)從機(jī)制上洞察關(guān)鍵生物過(guò)程的窗口，可對(duì)生命科學(xué)整個(gè)學(xué)科產(chǎn)生重大影響。

　　九 調(diào)控植物生長(zhǎng)-代謝平衡實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展

　　通過(guò)增加無(wú)機(jī)氮肥施用量來(lái)提高作物的生產(chǎn)力，雖能保障全球糧食安全，但也加劇了對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，因此提高作物氮肥利用效率至關(guān)重要。這需要對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、氮吸收利用以及光合碳固定等協(xié)同調(diào)控機(jī)制有更深入的了解。

　　中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究組與合作者的研究顯示，水稻生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子GRF4和生長(zhǎng)抑制因子DELLA相互之間的反向平衡調(diào)節(jié)賦予了植物生長(zhǎng)與碳-氮代謝之間的穩(wěn)態(tài)共調(diào)節(jié)。GRF4促進(jìn)并整合了植物氮素代謝、光合作用以及生長(zhǎng)發(fā)育，而DELLA抑制了這些過(guò)程。作為“綠色革命”品種典型特征的DELLA蛋白高水平累積使其獲得了半矮化優(yōu)良農(nóng)藝性狀，但是卻伴隨著氮肥利用效率降低。通過(guò)將GRF4-DELLA平衡向GRF4豐度的增加傾斜，可以在維持半矮化優(yōu)良性狀的同時(shí)提高“綠色革命”品種的氮肥利用效率并增加谷物產(chǎn)量。

　　因此，對(duì)植物生長(zhǎng)和代謝協(xié)同調(diào)控是未來(lái)可持續(xù)農(nóng)業(yè)和糧食安全的一種新的育種策略。Nature期刊發(fā)表評(píng)論文章認(rèn)為，該育種策略宣告了“一場(chǎng)新的綠色革命即將到來(lái)”。

　　十 將人類(lèi)生活在黃土高原的歷史推前至距今212萬(wàn)年

　　人類(lèi)的起源和演化是重大世界前沿科學(xué)問(wèn)題，國(guó)際上公認(rèn)的非洲以外最老舊石器地點(diǎn)是格魯吉亞的德馬尼西遺址，年代為距今185萬(wàn)年。

　　由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所朱照宇、古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所黃慰文和英國(guó)?？巳卮髮W(xué)Robin Dennell領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)13年研究，在陜西省藍(lán)田縣發(fā)現(xiàn)了一處新的舊石器地點(diǎn)——上陳遺址。

　　研究人員綜合運(yùn)用黃土-古土壤地層學(xué)、沉積學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)、古生物學(xué)、巖石磁學(xué)和高分辨率古地磁測(cè)年等多學(xué)科交叉技術(shù)方法測(cè)試了數(shù)千組樣品，建立了新的黃土-古土壤年代地層序列，并在早更新世17層黃土或古土壤層中發(fā)現(xiàn)了原地埋藏的96件舊石器，包括石核、石片、刮削器、鉆孔器、尖狀器、石錘等，其年齡約126萬(wàn)年至212萬(wàn)年。

　　連同該團(tuán)隊(duì)前期將藍(lán)田公王嶺直立人年代由原定距今115萬(wàn)年重新定年為163萬(wàn)年的結(jié)果，上陳遺址212萬(wàn)年前最古老石器的發(fā)現(xiàn)將藍(lán)田古人類(lèi)活動(dòng)年代推前了約100萬(wàn)年，這一年齡比德馬尼西遺址年齡還老27萬(wàn)年，使上陳成為非洲以外最老的古人類(lèi)遺跡地點(diǎn)之一。這將促使科學(xué)家重新審視早期人類(lèi)起源、遷徙、擴(kuò)散和路徑等重大問(wèn)題。

　　此外，世界罕見(jiàn)的含有20多層舊石器文化層的連續(xù)黃土-古土壤剖面的發(fā)現(xiàn)將為已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位的中國(guó)黃土研究拓展一個(gè)新研究方向，同時(shí)將對(duì)古人類(lèi)生存環(huán)境及石器文化技術(shù)的演進(jìn)給出年代標(biāo)尺和環(huán)境標(biāo)記。

　　澳大利亞國(guó)立大學(xué)Andrew P. Roberts教授評(píng)論認(rèn)為，這項(xiàng)轟動(dòng)性工作確立了非洲以外已知的最古老的與古人類(lèi)相關(guān)的遺址的年齡及氣候環(huán)境背景，對(duì)于我們理解人類(lèi)進(jìn)化有著巨大的影響，不僅是中國(guó)科學(xué)的重大成果，也是2018年全球科學(xué)的一大亮點(diǎn)。