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2020年基因疗法成果涌现 AI助力生物科技发展

第一财经 2021-02-07 18:02:32

作者:钱童心    责编:刘佳

《WLA年度发布》科学报告,涵括了包括疫苗、基因编辑、冷冻电镜、AI预测蛋白三维结构以及室温超导等24个科学热点。

世界顶尖科学家协会(WLA)2月6日发布了一份近3万字的2020《WLA年度发布》科学报告,涵括了包括疫苗、基因编辑、冷冻电镜、AI预测蛋白三维结构以及室温超导等24个科学热点。

基因疗法最受关注

2020年,受到新冠疫情的影响,全球在生物科技方面的进展被给予空前关注。与新冠直接有关的是mRNA疫苗(信使核糖核酸疫苗)的研发成功。科学家们表示:“mRNA技术可精准调控,设计出针对新冠病毒保护的疫苗,并能广泛应用于其他医疗领域,象征着一个全新医疗时代的来临,突显了基础生物医学研究对医学突破的重大意义。”

2013年诺贝尔生理学或医学奖得主兰迪·谢克曼(Randy Schekman )表示:“疫苗研发的成功,与新冠大流行释放的世界各地生物医学科学力量投入疫苗的研究设计密切相关。”他认为,未来这种技术手段有望取得更大的突破。

不过科学家们也强调mRNA疫苗对冷链的需求可能会阻碍其推广。1997年加拿大盖尔德纳国际奖获奖科学家理查德•海因斯(Richard Hynes)认为,不需要复杂冷链的单剂疫苗,在对抗新冠大流行将更为重要。

目前Moderna的新冠疫苗的保存要求储存温度为零下20摄氏度;辉瑞和拜恩泰科(BioNTech)的候选新冠疫苗的储存温度为零下70摄氏度。

投行SVB Leerink在给投资者的建议中写道:“这些存储条件将使传统的药房很难管理疫苗。尽管这些条件可以在一些医院和实验室中得到满足,但仍然只能覆盖一部分人群。疫苗的运输和存储将成为其是否具有竞争力的重要因素。”

过去一年中,新型的基因编辑技术成功治愈了小鼠的遗传性血液病,这是该技术首次应用于活体动物。《自然通讯》(Nature Communications)报道了这项研究结果,通过针对造血干细胞中的缺陷基因来治疗血液的遗传性疾病,如β地中海贫血和镰状细胞病。

对此,顶尖科学家协会点评称:“CRISPR基因编辑技术为治愈不治之症提供了有效解决方案,其发展空间广阔,并将促使相关新技术大量涌现。但在关注技术价值的同时,它的公平性、可控性和伦理性也应特别注意。”

近年来,基因疗法广受资本追捧,相关初创公司估值飙升。德国研究人员上个月在《自然通讯》杂志上发表论文,称使用基因疗法设计的细胞因子能使脊髓损伤后瘫痪的小鼠能够再次行走。科学家通过向大脑注射人类设计的蛋白,重新建立了迄今为止在哺乳动物中无法修复的神经连接。

但要开发出让更多人受益的基因疗法,仍然有很长的路要走。一位中国神经科学临床医生对第一财经记者表示:“小鼠较强的自我恢复特性可能对未来潜在的治疗性药物在人类中的应用产生巨大的影响,期待这一疗法尽早在临床当中得到验证。”

去年,科学家们还在人类基因序列的研究方面取得突破,首次“从头到尾”(从端粒到端粒)确认了人类X染色体的完整序列,其中不存在任何缺口,它的精确度达到了前所未有的水平。“这一成果也标志着创造出精确到碱基的完整人类染色体已经成为现实,基因组学研究或许将迈入新的时代。”顶尖科学家协会的专家们表示。

在人类基因的“拼图”中,DNA重复序列在基因组中非常普遍,一直是巨大的挑战。大多测序技术只能制造出长度很小的“短片段读取”,重复序列就会导致许多看起来几乎完全相同的短片段出现。

不过,也有研究人员对于这项研究成果“不存在任何缺口”的说法提出质疑。基因测序公司思勤医疗创始人兼首席执行官茅矛对第一财经记者表示:“人类基因组的图谱并没有真正意义上完成,还有一些缺口需要弥补,这项工作的重要性似乎还有待评判。“

AI助力生物科技发展

AI在生物科技领域正在发挥越来越重要的作用。过去一年中,科学家借助AI的力量,提高了蛋白质三维结构预测的精准度。由谷歌投资的英国AI研究实验室DeepMind在蛋白折叠预测方面取得重要突破。去年12月,DeepMind发布消息称,其人工智能系统“AlphaFold”人工智能系统参加了由结构预测关键评估组织(CASP)的一项如何计算蛋白质分子3D结构的竞赛,并且预测准确性达到前所未有的水平。DeepMind表示,这将“为解决人类50年来的巨大挑战铺平道路”。

”AI对蛋白质折叠的极近准确预测,是2020年生物医学领域最重要的科学进展之一,它对结构生物学意义重大,并有望进一步扩展到蛋白质精准结构预测的层面,对生物学发展产生深远影响。“顶尖科学家协会评论称。

2009年诺贝尔化学奖得主文卡•拉马克里希南(Venki Ramakrishnan)进一步解释道:”DeepMind的一个小组开发了一种名为AlphaFold的机器学习算法,该算法能够从序列中预测出很大一部分以前未知的结构。这些结构的准确性接近于实验方法的准确性,并且它们可用于多达1000个基团的相当大的蛋白质。”

拉马克里希南认为,这是一项重大突破,对结构生物学具有重要意义。如果可以扩展到预测蛋白质之间的界面结构,它就可以预测细胞内的相互作用,从而生成描述这种相互作用的一个全面图谱,对生物学产生深远影响。“

1997年加拿大盖尔德纳国际奖获奖科学家理查德•海因斯(Richard Hynes)认为,而结合冷冻电镜的结构表征,将在理解蛋白质的结构特征并可能对其进行修饰方面取得巨大进展。

科学的发展正在跨越物理、化学和生物的边界。过去一年中,冷冻电镜已经达到了原子分辨率。科学家将分辨率提高到单个原子水平,超越了0.1纳米的极限,并成功观测到了新冠病毒刺突蛋白融合前的结构构象及作用状态,为疫苗的成功接种打下了基础。

上海科技大学iHuman研究所执行所长刘志杰教授对第一财经记者表示:“随着蛋白质折叠的预测精确度不断提升,未来将在生命科学领域发挥更加重要的作用。现在的预测如果能达到电镜的精度,就已经可以对一些药物进行设计,药物设计是人工智能蛋白质折叠预测最大的应用领域。”

除了上述的科研成果以外,室温超导的实现也引起科学家们的关注。2020年10月14日,《自然》(Nature)杂志在线刊登了美国罗彻斯特大学Ranga Dias等人在室温超导领域的重大突破,研究人员跨越了零度(273K)这一节点,一举实现288K(约15℃)温度下的C-S-H体系超导,这也是首次包含三种元素的有机超导体系的研究。

“自超导被发现以来,室温超导就一直是该领域的终极梦想,人类历史上首次实现室温超导,这是非常大的进步。不过,达成这次室温超导的代价是高达260万个大气压的高压,可实用的室温超导材料依然前路漫漫。”顶尖科学家们表示。

这意味着室温超导仍然无法很快在现实应用中实现。2006年诺贝尔物理学奖得主乔治•斯穆特三世(George Smoot III)分析称:“超导体因其可以零电阻无损耗地导电,被广泛应用于各种先进的实验仪器,如核磁共振扫描仪使用的高场磁体以及粒子加速器。但降至极低温才能出现超导特性导致成本高昂,无法用于现实生活。”

但找到一种室温超导体具有巨大的技术重要性,这有助于解决世界的能源问题,提供更快的计算机,产生新颖的存储器和存储设备以及启用超灵敏传感器等。2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈•盖姆(Andre Geim)点评称:“尽管研究人员经常怀疑室温超导性是否可以实现,但是在从未预料到、或被认为不可能实现的温度下反复发现了超导性,这是非常大的跃进。”

此外,科学家们还首次在原子尺度上拍摄到化学键的形成与断裂的动态影像,为人类全面理解化学键提供了全新视角。其他的包括量子波动可在宏观尺度上摇动实物、给量子测量过程拍快照等研究成果也令科学家们感到兴奋。

参与盘点《WLA年度发布》的世界顶尖科学家认为,2020年的科学进步令人印象深刻,在这一年,“科学”是人们战胜疫情最重要的“武器”。他们强调:“基础科学将影响人类的未来,好奇心驱动的研究尤其重要。疫苗在如此短的时间里获得成功,就是最好的证明。它提醒所有科学家,一旦基础科学为创新的发展奠定基础并形成科学方法,这种方法将成为解决许多重要问题的力量。”

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