《自然》雜志評選2013度十大科物

文/張章

張峰：DNA“私人訂制”

借助細(xì)菌，一位生物學(xué)家創(chuàng)造出一個強有力的工具，用以訂制DNA。

能夠編輯裁切基因片段，讓DNA切削裝置成為2013年生物醫(yī)學(xué)研究最熱門的話題之一。

現(xiàn)年32歲的美國劍橋市麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究學(xué)院神經(jīng)學(xué)家張峰，是這套名為CR ISPR/Cas系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人之一，該系統(tǒng)能夠便宜、方便和精確地編輯基因。CRISPR/Cas建立在細(xì)菌用于探測和切斷外來DNA的一種免疫策略的基礎(chǔ)之上。DNA剪切酶Cas9可以在一個RNA引導(dǎo)序列的幫助下找到其目標(biāo)。利用它，研究人員現(xiàn)在能夠通過設(shè)計，追蹤任何感興趣的潛在基因。

2013年1月，張峰團隊展示了CR ISPR/Cas對真核細(xì)胞的作用情況。研究證實了該系統(tǒng)在調(diào)整老鼠甚至靈長類動物基因、改善人類疾病模型和疾病療法研究方面的潛力。“CR ISPR的狂熱似乎剛剛開始。”北卡羅來納州立大學(xué)微生物學(xué)家Rodolphe Barrangou說。

2012年，加州大學(xué)伯克利分校的Jennifer Doudna、德國赫姆霍茨傳染病研究中心的Emmanuelle Charpentier及其同事稱，他們能夠分割任何特殊的DNA目標(biāo)，并且通過控制破損修復(fù)來編輯基因。盡管Charpentier和Doudna拉開了CR ISPR編輯迅速發(fā)展的序幕，張峰則通過其在真核細(xì)胞的作用，展示了該系統(tǒng)的巨大潛力。

張峰還表示，目前自己面臨諸多挑戰(zhàn)。他的日程表上一個雄心勃勃的計劃是建立一個CR ISPR程序庫。不過他最感興趣的是使用CRISPR治療神經(jīng)精神疾病，例如亨廷頓病和精神分裂癥等。隨著一筆4300萬美元的風(fēng)險投資的到賬，位于劍橋市的愛迪塔斯醫(yī)藥公司于2013年11月底宣布成立。張峰和其他領(lǐng)銜研究者創(chuàng)立的這家公司旨在開發(fā)出直接更改致病基因的療法。

TANIA SIMONCELLI：基因?qū)＠磳φ?/h2>

美國政策專家反對基因?qū)＠?/p>

2005年，Tania Simoncelli找到了美國公民自由聯(lián)盟（ACLU）高級律師。作為該組織的首席科學(xué)顧問，Simoncelli告知這位律師，一些公司正在奪取一些人類基因?qū)＠！疤闹嚵耍覀兡芷鹪V誰？”律師ChrisHansen說。

這并不容易。在接下來的4年里，Simoncelli幫助ACLU的律師找到了合適的訴訟目標(biāo)——M yriad公司，即總部位于猶他州鹽湖城的一個醫(yī)療診斷公司。她還聯(lián)合科學(xué)家、患者和醫(yī)生支持他們對該公司所持有的兩個與乳腺癌和其他癌癥有關(guān)的基因?qū)＠M行起訴。

“她非常有說服力。”Hansen說。最后，ACLU在美國最高法院提起訴訟，2013年6月勝訴。最高法院大法官Clarence Thomas于6月13日裁決：“自然存在”的人類基因無法申請專利，因為這是“大自然的產(chǎn)物”，這意味著它們不能被稱作為人類的一種發(fā)明。

“我希望能成為架起科學(xué)文化和司法審判之間橋梁的人。”Simoncelli說。Simoncelli畢業(yè)于康奈爾大學(xué)生物學(xué)和社會學(xué)專業(yè)，之后她又從加州大學(xué)伯克利分校獲得能源和資源碩士學(xué)位。2003年開始，Simoncelli供職于ACLU。2010年，Simoncelli進入美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）。在FDA，Simoncelli的工作主要集中于政策領(lǐng)域，例如營養(yǎng)和個體化治療等。

DEBORAH PERSAUD：戰(zhàn)勝病毒

病毒學(xué)家提供有力證據(jù)證明，攜帶艾滋病病毒的新生兒可以被治愈。

2013年3月，Deborah Persaud準(zhǔn)備分享這樣一個消息：一個來自美國密西西比州鄉(xiāng)村的不幸被艾滋病病毒（H IV）感染的幼兒被“治愈”。就職于約翰斯·霍普金斯布隆伯格公共衛(wèi)生學(xué)院的Persaud表示，她知道自己不得不小心行事。之前文獻曾報道過超過40例類似案例，在仔細(xì)推敲下每個都土崩瓦解。

Persaud和同事——密西西比大學(xué)的Hannah Gay及馬薩諸塞大學(xué)的Katherine Luzuriaga深入研究了其血液樣本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，早期治療能夠幫助這名2歲半的患者為清除強勁的病毒感染作好準(zhǔn)備。新聞報道讓全世界為之沸騰。一個月后，這3位科學(xué)家入選《時代》雜志100位最具影響力人物。

2010年7月，這名嬰兒生在一家鄉(xiāng)村醫(yī)院中，其母親在分娩前被檢測出感染HIV。嬰兒出生31小時后，醫(yī)生決定開始采用由艾滋病防護藥和其他兩種抗H IV藥物構(gòu)成的雞尾酒療法。在第18個月，這名嬰兒的監(jiān)護人決定停止治療。而患者在21個月大時，又重新開始接受治療。

之后，Gay并沒有在標(biāo)準(zhǔn)測試中發(fā)現(xiàn)這個嬰兒體內(nèi)存在HIV抗體或病毒。于是，Gay聯(lián)系了Luzuriaga尋求幫助。Luzuriaga又轉(zhuǎn)而咨詢了Persaud研究小組，讓Persaud幫助檢查患者血液樣本中是否留有HIV。最終，他們確定，這位患者在嬰兒時期的早期治療中消滅了H IV。

MICHELMAYOR：找尋地球姐妹

天文學(xué)家利用新技術(shù)擴展了自己的發(fā)現(xiàn)。

在過去20年里，M ichelMayor及其研究小組發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆系外行星。但是，2013年這位71歲的行星獵人有了一個特殊發(fā)現(xiàn)：其團隊斷定，行星開普勒-78b的密度和大小讓它成為目前已被鑒定的最接近地球的行星。

這遠不是一個精確匹配——開普勒-78b的軌道與母星十分靠近，以至于其表面被熔化。不過瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)退休天文學(xué)家Mayor表示，找到地球的雙胞胎姐妹只是時間問題。現(xiàn)在，他仍在積極工作，他說，在真正退休之前，“我希望有可能為相關(guān)發(fā)現(xiàn)而慶祝”。

1995年11月，Mayor和他的學(xué)生Didier Queloz發(fā)表了一顆類太陽系外恒星的首個證據(jù)。加州大學(xué)伯克利分校行星獵人Geoff Marcy表示，Mayor的勝利歸功于他的技術(shù)天賦，“年復(fù)一年，M ichel建造了比之前好10倍的設(shè)備”。

一個主要的例子就是高精度徑向速度行星搜索器（HARPS），自2003年起，Mayor團隊就在智利拉息拉天文臺操作該設(shè)備。利用HARPS-North，Mayor及其同事確定了開普勒-78b密度。

尋找地球姐妹的下一步工作依然存在挑戰(zhàn)。但是，利用不斷改善的儀器，Mayor預(yù)測5年內(nèi)將有突破。“當(dāng)你站在圓屋頂，第一次用新設(shè)備望著天空，你會發(fā)現(xiàn)它比預(yù)期更好，這是一個巨大的喜悅。”他說。

Naderev Sa?o：氣候道德心

臺風(fēng)海燕席卷菲律賓后，一位外交官吸引了全世界目光。

Naderev Sa?o在聯(lián)合國華沙氣候談判上進行了一次催人淚下的陳述，當(dāng)時，他并不知道自己的親屬和其他無數(shù)菲律賓同胞的命運。這位菲律賓代表團團長只知道，自己的兄弟依然活著，并加入了急救人員的行列，搜尋那些被臺風(fēng)海燕奪去生命的人。他還知道，這場破紀(jì)錄的颶風(fēng)可能是未來沿海地區(qū)將面臨什么的前兆。

“極端氣候事件讓我的祖國備受煎熬。”Naderev Sa?o說。他的陳述獲得聽眾起立鼓掌。他齋戒了14天，直到談判代表達成最后的協(xié)議，明確將繼續(xù)為2015年巴黎峰會進行談判。

但是，在應(yīng)對全球變暖方面的國際步伐前進緩慢。盡管已經(jīng)進行了超過20年的談判，大氣二氧化碳水平仍在持續(xù)上升。2013年5月，美國夏威夷的大氣二氧化碳日平均濃度首次達到400ppm（百萬分之一）。9月，政府間氣候變化專門委員會新發(fā)布的科學(xué)報告稱，海平面上升、極端天氣和干旱等氣候相關(guān)問題的威脅在持續(xù)增長。

回過頭來，Naderev Sa?o并不知道自己的演講會有何影響，但是他認(rèn)為臺風(fēng)海燕有助于將國際焦點投注于氣候議題上。他也知道科學(xué)家一般回避將單個氣候事件歸因于全球變暖，但是他表示，人們普遍認(rèn)為變暖的海洋將增加颶風(fēng)數(shù)量。“我希望我們的犧牲和陳述能有更深遠的意義。”他說。

VIKTOR GROKHOVSKY：隕石獵人

一位俄羅斯科學(xué)家對造訪地球的世紀(jì)隕石進行了研究。

讓2013年成為Viktor Grokhovsky特殊一年的事件，來得毫無征兆。

2013年2月15日，一顆隕石造訪地球。當(dāng)?shù)貢r間12時30分左右，一塊隕石墜落在位于烏拉爾山脈東麓的俄羅斯車?yán)镅刨e斯克州薩特卡市附近。它從陸基望遠鏡無法觀測到的地方落入大氣層，這讓天文學(xué)家十分震驚。

俄羅斯烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)冶金學(xué)家Grokhovsky已經(jīng)研究了30多年隕石，當(dāng)他知道一場爆炸震碎了城市的數(shù)千扇窗玻璃后，他就意識到有什么撞到了地球。爆炸發(fā)生數(shù)天后，Grokhovsky就開始測算隕石的軌道，并預(yù)言了碎石落在哪里。他指導(dǎo)了搜索工作，挖掘出超過700片隕石碎片。“當(dāng)證明我們最初的計算是準(zhǔn)確的時候，我們有巨大的滿足感。”他說。

但是，Grokhovsky的偉大發(fā)現(xiàn)稍后才到來。通過隕石軌道計算，車?yán)镅刨e斯克西部的一個結(jié)冰湖面上的大洞讓他確信，最大的一塊隕石落在那里。10月，人們從湖底發(fā)現(xiàn)了一個570公斤的巨石。

數(shù)千枚碎片在全世界的實驗室里被分析，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)布了相關(guān)成果。車?yán)镅刨e斯克隕石的大小和引起的破壞，促使科學(xué)家更多關(guān)注類似隕石可能造訪地球的幾率。

陳化蘭：戰(zhàn)斗在前線的流感偵探

中國病毒學(xué)家為平息H7N9禽流感暴發(fā)作出貢獻卓越。

4月初，全世界的病毒學(xué)家和公共衛(wèi)生官員都將目光投向中國。一種新興禽流感病毒（H 7N 9）為人們敲響警鐘。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所農(nóng)業(yè)部動物流感重點開放實驗室主任、國家禽流感參考實驗室主任陳化蘭及其團隊一直站在對抗H 7N 9禽流感病毒的前線。他們非常繁忙，陳化蘭說：“好幾個人在（最初的）6周輕了四五公斤。”

2013年H 7N 9感染病例確診后的48小時內(nèi)，陳化蘭研究小組以及相關(guān)研究人員，收集到約1000個土壤、水、家禽農(nóng)場和活禽市場樣本。隨后，政府迅速關(guān)閉了疫情暴發(fā)嚴(yán)重地區(qū)的活禽市場，新感染病例立刻直線下降，中國的快速、透明反應(yīng)受到廣泛贊揚。

雖然零星病例在發(fā)展，但這給了陳化蘭和其他研究人員時間以更多地了解這種病毒。迄今為止，H 7N 9并未出現(xiàn)人感染人的跡象，但是陳化蘭相信該病毒可能有人際傳播的潛力。

冬天來了，陳化蘭實驗室在密切關(guān)注禽流感病毒是否卷土重來。“流感病毒監(jiān)督工作是我們實驗室最優(yōu)先的任務(wù)。”她說。

SHOUKHRAT MITALIPOV：首席克隆官

經(jīng)歷了數(shù)年失敗后，生物學(xué)家最終從克隆人類胚胎中培養(yǎng)出了干細(xì)胞系。

Shoukhrat Mitalipov于2013年5月報告的克隆進展最困難的部分不是實驗本身，而是在它之前所面臨的一系列麻煩。

從2007年開始，美國俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)生殖生物學(xué)家Mitalipov就希望能夠創(chuàng)造出有治愈疾病潛能的細(xì)胞——取自克隆個人皮膚細(xì)胞所得胚胎的患者特異性干細(xì)胞。在獲得許可后，Mitalipov所在的大學(xué)為他建了一個新實驗室，因為法律規(guī)定這些細(xì)胞不能在之前由政府資助的實驗室里被衍生出來。

2012年10月，Mitalipov正式開始實驗。到圣誕節(jié)期間，該實驗室就成功克隆出4個細(xì)胞系。借助多年猴子細(xì)胞實驗積累的數(shù)據(jù)，Mitalipov及其同事發(fā)現(xiàn)了能夠適用于克隆人體細(xì)胞的“秘訣”。研究人員表示，去除人體卵母細(xì)胞內(nèi)包含DNA的細(xì)胞核，然后將這些細(xì)胞與胎兒皮膚細(xì)胞或8個月大嬰兒的皮膚細(xì)胞融合，產(chǎn)生出的胚胎攜帶著來自皮膚細(xì)胞的DNA，科學(xué)家能夠使用這些胚胎衍生出胚胎干細(xì)胞。

現(xiàn)在，Mitalipov正在申請聯(lián)邦政府許可，開始一個類似技術(shù)（線粒體轉(zhuǎn)移）的臨床試驗。2004年，韓國科學(xué)家黃禹錫曾經(jīng)宣稱他帶領(lǐng)的研究組已經(jīng)首次成功實現(xiàn)了人體胚胎克隆，并成功從克隆胚胎中提取了干細(xì)胞。但后來他的這項研究被證實存在造假行為。

K A THRYNCLA NCY：關(guān)注性騷擾

人類學(xué)家揭露野外考察工作中的性騷擾。

Kathryn Clancy熱愛自己在波蘭農(nóng)村的野外考察工作。在白天收集完生物標(biāo)本后，她跟同行科學(xué)家（全部都是女性）玩一玩棋類游戲，聽一聽音樂，愉快地度過夜晚時間。這是“最有魔力的野外考察經(jīng)歷”，美國伊利諾伊大學(xué)人類學(xué)家Clancy說。

但是，幾年之后，她聽說許多人類學(xué)家在野外考察中有著不愉快的記憶。在一位朋友告訴她，自己在野外科研中曾經(jīng)受到過性侵犯之后，她決定做點什么。

Clancy為《科學(xué)美國人》雜志撰寫《背景與變化》的博客。她開始張貼女同事與她分享的匿名性騷擾的恐怖故事。來自其他科學(xué)家的匿名評論蜂擁而來，描述了她們從未講述的不愉快經(jīng)歷。

Clancy決定對該問題進行更加嚴(yán)格的評估。她與哈佛大學(xué)的Katie Hinde、加利福尼亞大學(xué)湖畔分校的Robin Nelson和芝加哥大學(xué)的Julienne Rutherford，通過電子郵件、臉書和博客，啟動了對野外經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)調(diào)查。2013年4月13日調(diào)查結(jié)果公布，她們發(fā)現(xiàn)在調(diào)查對象中有令人不安、高發(fā)率的身體性騷擾：參與調(diào)查的超過20%女性人類學(xué)家稱，自己曾經(jīng)歷過“身體性騷擾或不情愿的性接觸”。

HENRY S NA I TH：崇拜太陽的人

一位能源物理學(xué)家推動太陽能電池材料的發(fā)展。

“我常常希望能成為一個發(fā)明家。”Henry Snaith說。這位35歲的牛津大學(xué)物理學(xué)家以一種驚人的方式實現(xiàn)著兒時的夙愿。

2013年，由名為鈣鈦礦的復(fù)雜晶體制成的太陽能電池脫穎而出。2009年，這種電池悄然到來，當(dāng)時其有效轉(zhuǎn)換率為3.8%，但到2011年年底，新電池的有效率達到6.5%，去年攀升至10%。2013年，Snaith的電池有效率達到15%。

鈣鈦礦電池很容易制作。Snaith使用簡單技術(shù)就能制作出新電池。“我不認(rèn)為會有更便宜的光伏電池材料了。”他說。目前，Snaith研究小組正在研究選擇性鈣鈦礦，這些材料不含有毒的鉛，并更容易處理。

Snaith還在等待自己的下一個發(fā)明。一旦光伏材料真正起飛，他注意到，人們將需要一個更好的方式在雨天貯藏太陽能。“一旦事情平靜下來，我們將努力做出更好的電極。”他說。