2013年,，攻克癌癥路途上的一個(gè)轉(zhuǎn)彎,，帶來免疫療法臨床試驗(yàn)的樂觀數(shù)據(jù)，然而科學(xué)家仍然無法判斷其前景幾何,。其他科學(xué)領(lǐng)域面臨著同樣的情況：目前如火如荼進(jìn)行的CRIPER基因編輯技術(shù)是否在不久后會(huì)被更加靈活的工具取代,？宇宙射線粒子的確受到超新星遺跡的加速，然而粒子與磁場(chǎng)究竟是如何互相作用的,？
一項(xiàng)項(xiàng)喜人的科學(xué)突破總是帶來更多的不確定性,。伴隨著欣喜、疑問和期待,，《科學(xué)》雜志盤點(diǎn)了2013年那些領(lǐng)跑科學(xué)的十大重要突破,。
癌癥免疫療法
2013年標(biāo)志著癌癥攻克的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),，致力于使人體免疫系統(tǒng)免受腫瘤影響的長(zhǎng)期努力正在奏效，盡管其前景仍是一個(gè)問號(hào),。
免疫療法是一種治療癌癥的完全不同的方式,，其目標(biāo)是免疫系統(tǒng)，并非腫瘤本身,。今年6月,，研究人員報(bào)告，結(jié)合使用伊匹單抗（即抗CTLA-4）和抗PD-1令1/3的黑色素瘤患者出現(xiàn)“深層和快速的腫瘤消退”,。目前尚不能證明阻斷T細(xì)胞表面的PD-1通路的藥物可以延長(zhǎng)生命,，但迄今為止的存活率使醫(yī)生對(duì)此保持樂觀。
20世紀(jì)80年代,，法國(guó)研究人員定義了T細(xì)胞表面的一種新蛋白受體CTLA-4,，癌癥免疫學(xué)家James Allison發(fā)現(xiàn)CTLA-4相當(dāng)于一個(gè)閥門,，可以阻止T細(xì)胞全面啟動(dòng)免疫攻擊,，他設(shè)想阻攔CTLA-4的作用是否可以使免疫系統(tǒng)摧毀癌癥。20世紀(jì)90年代,，日本的一位生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了T細(xì)胞上的另一個(gè)閥門PD-1,。隨著臨床實(shí)驗(yàn)中抗CTLA-4與抗PD-1帶來癌癥患者病情的顯著改善，該療法逐漸成為主流,。至少5個(gè)主要的制藥公司拋棄了早先的猶豫態(tài)度,，正在開發(fā)該類抗體。
2011年,，美國(guó)食品和藥品管理局批準(zhǔn)了百時(shí)美施貴寶針對(duì)轉(zhuǎn)移性黑素瘤的伊匹單抗治療,。2012年，霍普金斯大學(xué)的Suzanne Topalian,、耶魯大學(xué)的Mario Sznol和同事報(bào)告了在近300名患者中使用抗PD-1療法的結(jié)果,，其中31%黑色素瘤患者、29%腎癌患者和17%肺癌患者的腫瘤萎縮了一半或更多,。2013年,，據(jù)百時(shí)美施貴寶報(bào)告稱，在1800名使用伊匹單抗治療的黑色素瘤患者中,，22%的人在3年后仍存活,。
總是用事實(shí)說話的腫瘤學(xué)家表示，癌癥治療剛剛走過一個(gè)轉(zhuǎn)角,，而他們將不再回頭,。
大眾基因顯微手術(shù)
20世紀(jì)20年代，手術(shù)室中引入顯微鏡,，其精度和易用性帶來了一場(chǎng)外科手術(shù)的革命,。2013年,，一種被稱為CRISPR的基因編輯技術(shù)觸發(fā)了大量研究的進(jìn)行，它使生物學(xué)家可以更加精確和輕松地進(jìn)行對(duì)基因組的操作,。這歸功于一種被稱為Cas9的細(xì)菌蛋白,，它與旨在追蹤特定DNA序列的RNA一起，成為了常規(guī)抑制,、激活或者改變基因的分子手術(shù)的工具包,。
這樣的基因顯微技術(shù)在十年前還是一個(gè)夢(mèng)。隨著鋅指核酸酶和TALENs（轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶）工具的出現(xiàn),，基因功能研究和潛在基因治療應(yīng)用變得愈加方便,。2012年，研究人員首次在試管中使用實(shí)驗(yàn)室制造的CRISPR復(fù)合物進(jìn)行基因編輯,，其他人立即認(rèn)識(shí)到CRISPR的潛力,。在使用TALEN與鋅指核酸酶時(shí)，每個(gè)目標(biāo)新基因都需要一個(gè)定制的蛋白質(zhì),，而CRISPR則只需要特定的RNA,，比定制蛋白質(zhì)要簡(jiǎn)單得多。
CRISPR在2013年相當(dāng)受人矚目,，10個(gè)月內(nèi)有50篇相關(guān)論文發(fā)表,，關(guān)于它的“how-to”網(wǎng)站每天吸引約900位訪客。自從1月起,，十多個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用CRISPR操縱了老鼠,、細(xì)菌、酵母,、斑馬魚,、線蟲、果蠅,、植物和人體細(xì)胞中的特定基因,，為了解這些基因的功能和利用它們改善健康狀況鋪平了道路。CRISPR還具有同時(shí)修改多個(gè)基因的潛力,，并簡(jiǎn)化了制作疾病小鼠模型的工作,。在未來，CPISPR很可能被更加靈活的基因編輯工具取代,，然而現(xiàn)在,，CPISPR的熱潮仍在持續(xù)。
腦成像技術(shù)
2013年,，大腦的一個(gè)新窗口被打開,，有望從根本上改變實(shí)驗(yàn)室研究這種錯(cuò)綜復(fù)雜的器官的方式，它被稱為CLARITY。由于形成細(xì)胞膜的脂肪會(huì)散射光,，CLARITY通過消除脂肪可以使大腦組織透明如玻璃,，它使用一種凝膠取代脂質(zhì)分子，同時(shí)能保持神經(jīng)元,、其他腦細(xì)胞及細(xì)胞器完整,，從而使錯(cuò)綜復(fù)雜的大腦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。
在以前試圖建立透明大腦的技術(shù)中,，各組織非常脆弱,，但在CLARITY中，這些組織足夠堅(jiān)固,，科學(xué)家可以多次將不同標(biāo)記滲入其中,，進(jìn)而將其沖出，并使大腦重復(fù)成像,。研究人員稱,，這種進(jìn)步能夠使計(jì)算一個(gè)特定大腦區(qū)域的神經(jīng)元數(shù)量等任務(wù)的速度提升100倍。相比之下,，傳統(tǒng)的死亡腦組織成像方法變得無關(guān)緊要,。不過，目前該技術(shù)局限于少量的組織：澄清4毫米直徑的老鼠大腦仍需要大約9天,。
人體胚胎克隆
2013年,，研究人員宣布,，他們已經(jīng)克隆出人體胚胎,，并將其用于胚胎干（ES）細(xì)胞的來源，這是一個(gè)夢(mèng)寐以求的目標(biāo),。ES細(xì)胞能夠發(fā)展成任何組織,，并提供與克隆細(xì)胞完美匹配的基因，是研究和開發(fā)藥物的強(qiáng)大工具,。然而,，對(duì)于破壞胚胎的擔(dān)憂以及克隆人類胚胎的簡(jiǎn)易便捷可能會(huì)使其成為標(biāo)準(zhǔn)慣例。
這種克隆技術(shù)被稱作體細(xì)胞核移植（SCNT）,，科學(xué)家將細(xì)胞核從卵細(xì)胞中移出,，然后將其與細(xì)胞材料和克隆個(gè)體的一個(gè)細(xì)胞進(jìn)行融合。融合細(xì)胞收到開始分裂的信號(hào)后,，胚胎開始發(fā)育,。科學(xué)家已經(jīng)使用SCNT克隆了老鼠,、豬和其他動(dòng)物,，但一直未攻克人體細(xì)胞。
2007年,，美國(guó)俄勒岡國(guó)家靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究中心的研究人員最終克隆出猴子胚胎,，并從中獲得ES細(xì)胞,。在該過程中，他們發(fā)現(xiàn)一些調(diào)整可以使SCNT在包括人類在內(nèi)的靈長(zhǎng)類動(dòng)物細(xì)胞中更加有效,。最終的方法效果驚人,，10次實(shí)驗(yàn)中就有1次可以產(chǎn)生ES細(xì)胞。其中一個(gè)關(guān)鍵的因素是咖啡因,，它似乎可以幫助穩(wěn)定人類卵子細(xì)胞中的關(guān)鍵分子,。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，該技術(shù)有多重要是一個(gè)開放性的問題,。自從首次嘗試人類克隆,，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過將成年細(xì)胞“重新編程”為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）,，以制作針對(duì)病患的干細(xì)胞,。科學(xué)家在2007年將該技術(shù)用于人體細(xì)胞,，去除人類卵子以及不涉及胚胎兩大因素使SCNT極具爭(zhēng)議性并且價(jià)格昂貴,。不過一些實(shí)驗(yàn)表明，至少在老鼠身上,，來自克隆胚胎的ES細(xì)胞的質(zhì)量要好于iPS細(xì)胞,。
克隆嬰兒也引發(fā)了擔(dān)憂。但目前這似乎不太可能實(shí)現(xiàn),。俄勒岡的研究人員稱,，盡管經(jīng)過了數(shù)百次的嘗試，他們克隆的猴子胚胎也不能使代孕個(gè)體成功孕育生命,。
迷你器官
今年,，科學(xué)家成功使iPS細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室成長(zhǎng)為微小的“類器官”——肝臟雛形、迷你腎臟,，甚至初期的人類大腦,。
由澳大利亞研究人員培養(yǎng)出的這種大腦與真實(shí)大腦在一些重要方面有所不同。由于其缺少血液供應(yīng),，它們?cè)陂L(zhǎng)到蘋果種子大小時(shí)便會(huì)停止生長(zhǎng),，中心的細(xì)胞由于缺少養(yǎng)分和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)相繼死亡。但是類器官對(duì)人類大腦的模擬程度令人吃驚,，在顯微鏡下可以觀察到眼組織,，就像早期胎兒的大腦。
迷你大腦已經(jīng)被投入對(duì)頭小畸形病癥（大腦無法成長(zhǎng)至正常大?。┑难芯?。當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)開始使用來自于一位頭小畸形患者的iPS細(xì)胞時(shí)，其得到的類器官要小于正常器官，因?yàn)楦杉?xì)胞過早就停止了分裂,。隨著進(jìn)一步的發(fā)展,，研究人員希望利用迷你大腦技術(shù)探索其他人類疾病。
宇宙射線的來源
幾十年以來,，物理學(xué)家認(rèn)為,，作為宇宙射線在太空穿行的高能質(zhì)子和原子來自于恒星爆炸后的殘骸，或者說超新星?，F(xiàn)在,，他們確定了這一結(jié)論。今年,，研究人員使用美國(guó)宇航局（NASA）費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡,，發(fā)現(xiàn)了這些粒子在銀河系的云狀超新星遺跡中加速的首個(gè)直接證據(jù)。
將宇宙射線追根溯源至超新星遺跡并不容易,。因?yàn)檫@些質(zhì)子和核都是帶電粒子,，在星際磁場(chǎng)漩渦中運(yùn)行。最終,，宇宙射線并不直接指向其最初起源地,。費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)不得不找到其他方法顯示超新星遺跡對(duì)這些粒子進(jìn)行了加速。
如果質(zhì)子在超新星遺跡中被加速,，那么一些質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞仍應(yīng)該會(huì)發(fā)生,。這種對(duì)撞會(huì)進(jìn)而產(chǎn)生被稱作pi-zero介子的短暫存在的粒子，很快衰變成一對(duì)高能質(zhì)子,。這種pi-zero衰變應(yīng)該會(huì)使來自超新星遺跡的能量譜出現(xiàn)高峰波動(dòng),。在搜集了5年數(shù)據(jù)后，費(fèi)米的研究人員在兩個(gè)超新星遺跡中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子加速的信號(hào),。其他研究曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過該信號(hào),，但是費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的實(shí)驗(yàn)是首次清晰的觀測(cè)。
天體物理學(xué)家仍不清楚粒子與磁場(chǎng)相互作用的很多細(xì)節(jié),，而且他們懷疑最高能量的宇宙射線來自銀河系之外。不過,，超新星遺跡的確噴涌出宇宙射線卻是毫無疑問的,。
太陽能新星
鈣鈦礦作為一顆冉冉升起的新星，照亮了太陽能研究界,。這種便宜易制的晶體被證明能夠?qū)?5%陽光的能量轉(zhuǎn)換為電能,。4年前的技術(shù)只能達(dá)到3.8%，而且它比研究人員研發(fā)幾十年的一些太陽能電池技術(shù)還要好,。
鈣鈦礦太陽能電池仍然落后于全世界屋頂上的硅板太陽能,，后者的效率一般可達(dá)20%，在實(shí)驗(yàn)室中最高能達(dá)25%。但是硅電池和其他高效能太陽能材料依賴于高溫下使用昂貴的設(shè)備生產(chǎn)出的半導(dǎo)體,。鈣鈦礦則不同,。目前用于太陽能電池的鈣鈦礦僅僅通過在溶液中混合便宜的前體化合物，然后在物體表面晾干就可以了,。令人吃驚的是,，該過程生產(chǎn)出的鈣鈦礦有著很高的結(jié)晶質(zhì)量，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱能夠使用其產(chǎn)生激光,。
不過,，關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池最好的消息是，也許可以將其與傳統(tǒng)的硅太陽能電池整合,，將其覆蓋在硅板頂部,，可以使效率達(dá)到30%。全世界的太陽能研究人員都在競(jìng)相將兩者結(jié)合起來,。
為什么睡覺
我們?yōu)楹嗡X,？這是生物學(xué)的最基本問題。2013年,，神經(jīng)科學(xué)家在這個(gè)答案的追尋上有了一個(gè)大跨步,。
大多數(shù)研究人員都認(rèn)為，睡眠有著多種作用,，例如增強(qiáng)免疫系統(tǒng)和鞏固記憶等,，但是他們長(zhǎng)期以來一直在尋找各物種都適用的睡眠“核心”功能。通過追蹤睡眠小鼠大腦中的有色染料,，科學(xué)家得出結(jié)論,，睡眠的基本目的是：清洗大腦。他們發(fā)現(xiàn),，在小鼠睡眠時(shí),，大腦運(yùn)輸管道的網(wǎng)絡(luò)膨脹了60%，增加了腦脊液的流動(dòng),，從而清理了β淀粉蛋白等代謝廢物,。
在這一發(fā)現(xiàn)之前，研究人員一直認(rèn)為大腦處理細(xì)胞垃圾的唯一方法是將其破壞并在細(xì)胞內(nèi)回收,。如果未來的研究發(fā)現(xiàn),，許多其他的物種也會(huì)經(jīng)歷這一大腦清理的過程，那將表明清洗的確是睡眠的一個(gè)核心功能,。新發(fā)現(xiàn)還說明,，睡眠不足也許在神經(jīng)疾病的發(fā)展中發(fā)揮著作用。但是由于其因果關(guān)系尚不確定,，人們擔(dān)心這一問題還為時(shí)過早,。
微生物與健康
研究人員發(fā)現(xiàn),，人體內(nèi)的細(xì)菌在決定身體如何應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)不良和癌癥等不同挑戰(zhàn)方面扮演著重要角色。
100萬億個(gè)細(xì)胞承載著300萬種不同的基因——這就是人體內(nèi)生活著的微生物的狀況,。各種動(dòng)物研究顯示,，這些看不見的生物深刻影響著身體對(duì)環(huán)境、疾病和醫(yī)療的反應(yīng),。今年,，研究人員開始精確定位特定微生物影響健康和疾病的方式。
2013年,，研究人員追蹤腸道微生物與癌癥之間的一些聯(lián)系,。3個(gè)抗癌療法被證明需要腸道細(xì)菌才能奏效；細(xì)菌可以幫助刺激免疫系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)藥物治療,。一個(gè)小鼠研究顯示,，由于肥胖小鼠體內(nèi)產(chǎn)生一種損害DNA的細(xì)菌副產(chǎn)品，與肥胖相關(guān)的一種肝癌發(fā)生率會(huì)上升,。新發(fā)現(xiàn)還證實(shí)了之前的猜測(cè)：一種被稱作梭菌屬的腸道細(xì)菌對(duì)刺激結(jié)直腸腫瘤有重要作用,。
研究人員還得到了更多關(guān)于微生物影響免疫系統(tǒng)功能的提示。例如,，自身免疫性疾病風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎可能與一種被稱為普氏菌的細(xì)菌有關(guān),。在小鼠中，對(duì)由于接觸室內(nèi)外的貓狗所引起的過敏和哮喘預(yù)防,，很大程度上是由于腸道乳酸菌的增加,。
研究越來越明顯地表明，個(gè)性化醫(yī)療要想更加有效,，需要將每個(gè)人體內(nèi)的微生物情況考慮在內(nèi),。
疫苗設(shè)計(jì)
幾十年以來，研究人員一直希望結(jié)構(gòu)生物學(xué)（在近原子水平研究生物分子）可以幫助他們?cè)O(shè)計(jì)更好的疫苗,。今年,，他們終于發(fā)現(xiàn)令人信服的證據(jù)，證明該方法可以帶來一流的回報(bào),。
呼吸道合胞病毒（RSV）每年使數(shù)百萬嬰兒感染肺炎和其他肺部疾病,，許多疫苗都對(duì)其無效。對(duì)于面臨嚴(yán)重RSV疾病高風(fēng)險(xiǎn)的兒童,，市場(chǎng)上的帕利珠單抗可以使患病率減少一半,，但是帕利珠單抗單劑量的成本將近1000美元，對(duì)許多患病兒童來說遙不可及,。
比帕利珠單抗有效10到100倍的抗體已經(jīng)開始被隔離研究。今年5月,，美國(guó)國(guó)家過敏癥和傳染病研究所（NIAID）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱,，他們已經(jīng)鎖定其中一種,。該抗體會(huì)與RSV表面一種被稱為F的蛋白質(zhì)結(jié)合（病毒在感染過程中通過F與細(xì)胞融合）。研究人員利用X射線衍射技術(shù)研究了該抗體的晶體結(jié)構(gòu),，從更精細(xì)的角度分析了F蛋白質(zhì)的脆弱點(diǎn),。11月，NIAID的研究團(tuán)隊(duì)取得了新的進(jìn)展：使用其結(jié)構(gòu)分析得到的發(fā)現(xiàn),，設(shè)計(jì)一種RSV F蛋白質(zhì)作為免疫原,。其策略被證明是正確的：該蛋白質(zhì)可以刺激產(chǎn)生高效抗體，它一夜之間成為了RSV疫苗的領(lǐng)先候選者,。不過這種疫苗尚未用于人體,，NIAID的研究人員希望先對(duì)其進(jìn)行18個(gè)月的準(zhǔn)備測(cè)試。
今年秋天發(fā)表的另外3項(xiàng)研究利用類似的策略為艾滋病病毒（HIV）設(shè)計(jì)疫苗,。研究人員尚未證明其公認(rèn)的免疫原可以刺激能夠應(yīng)對(duì)HIV無數(shù)變異的抗體產(chǎn)生,，但是他們希望跟隨RSV同事的腳步，后者在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了許多版本的人工蛋白之后才找到最好的那一個(gè),。
既然結(jié)構(gòu)生物學(xué)已經(jīng)證明了它在疫苗設(shè)計(jì)上的價(jià)值,，許多研究人員希望這種開創(chuàng)性的工作也可以為丙型肝炎疫苗、登革熱等病毒疫苗的研制指明方向,。（苗妮）
一項(xiàng)項(xiàng)喜人的科學(xué)突破總是帶來更多的不確定性,。伴隨著欣喜、疑問和期待,，《科學(xué)》雜志盤點(diǎn)了2013年那些領(lǐng)跑科學(xué)的十大重要突破,。
癌癥免疫療法
2013年標(biāo)志著癌癥攻克的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),，致力于使人體免疫系統(tǒng)免受腫瘤影響的長(zhǎng)期努力正在奏效，盡管其前景仍是一個(gè)問號(hào),。
免疫療法是一種治療癌癥的完全不同的方式,，其目標(biāo)是免疫系統(tǒng)，并非腫瘤本身,。今年6月,，研究人員報(bào)告，結(jié)合使用伊匹單抗（即抗CTLA-4）和抗PD-1令1/3的黑色素瘤患者出現(xiàn)“深層和快速的腫瘤消退”,。目前尚不能證明阻斷T細(xì)胞表面的PD-1通路的藥物可以延長(zhǎng)生命,，但迄今為止的存活率使醫(yī)生對(duì)此保持樂觀。
20世紀(jì)80年代,，法國(guó)研究人員定義了T細(xì)胞表面的一種新蛋白受體CTLA-4,，癌癥免疫學(xué)家James Allison發(fā)現(xiàn)CTLA-4相當(dāng)于一個(gè)閥門,，可以阻止T細(xì)胞全面啟動(dòng)免疫攻擊,，他設(shè)想阻攔CTLA-4的作用是否可以使免疫系統(tǒng)摧毀癌癥。20世紀(jì)90年代,，日本的一位生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了T細(xì)胞上的另一個(gè)閥門PD-1,。隨著臨床實(shí)驗(yàn)中抗CTLA-4與抗PD-1帶來癌癥患者病情的顯著改善，該療法逐漸成為主流,。至少5個(gè)主要的制藥公司拋棄了早先的猶豫態(tài)度,，正在開發(fā)該類抗體。
2011年,，美國(guó)食品和藥品管理局批準(zhǔn)了百時(shí)美施貴寶針對(duì)轉(zhuǎn)移性黑素瘤的伊匹單抗治療,。2012年，霍普金斯大學(xué)的Suzanne Topalian,、耶魯大學(xué)的Mario Sznol和同事報(bào)告了在近300名患者中使用抗PD-1療法的結(jié)果,，其中31%黑色素瘤患者、29%腎癌患者和17%肺癌患者的腫瘤萎縮了一半或更多,。2013年,，據(jù)百時(shí)美施貴寶報(bào)告稱，在1800名使用伊匹單抗治療的黑色素瘤患者中,，22%的人在3年后仍存活,。
總是用事實(shí)說話的腫瘤學(xué)家表示，癌癥治療剛剛走過一個(gè)轉(zhuǎn)角,，而他們將不再回頭,。
大眾基因顯微手術(shù)
20世紀(jì)20年代，手術(shù)室中引入顯微鏡,，其精度和易用性帶來了一場(chǎng)外科手術(shù)的革命,。2013年,，一種被稱為CRISPR的基因編輯技術(shù)觸發(fā)了大量研究的進(jìn)行，它使生物學(xué)家可以更加精確和輕松地進(jìn)行對(duì)基因組的操作,。這歸功于一種被稱為Cas9的細(xì)菌蛋白,，它與旨在追蹤特定DNA序列的RNA一起，成為了常規(guī)抑制,、激活或者改變基因的分子手術(shù)的工具包,。
這樣的基因顯微技術(shù)在十年前還是一個(gè)夢(mèng)。隨著鋅指核酸酶和TALENs（轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶）工具的出現(xiàn),，基因功能研究和潛在基因治療應(yīng)用變得愈加方便,。2012年，研究人員首次在試管中使用實(shí)驗(yàn)室制造的CRISPR復(fù)合物進(jìn)行基因編輯,，其他人立即認(rèn)識(shí)到CRISPR的潛力,。在使用TALEN與鋅指核酸酶時(shí)，每個(gè)目標(biāo)新基因都需要一個(gè)定制的蛋白質(zhì),，而CRISPR則只需要特定的RNA,，比定制蛋白質(zhì)要簡(jiǎn)單得多。
CRISPR在2013年相當(dāng)受人矚目,，10個(gè)月內(nèi)有50篇相關(guān)論文發(fā)表,，關(guān)于它的“how-to”網(wǎng)站每天吸引約900位訪客。自從1月起,，十多個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用CRISPR操縱了老鼠,、細(xì)菌、酵母,、斑馬魚,、線蟲、果蠅,、植物和人體細(xì)胞中的特定基因,，為了解這些基因的功能和利用它們改善健康狀況鋪平了道路。CRISPR還具有同時(shí)修改多個(gè)基因的潛力,，并簡(jiǎn)化了制作疾病小鼠模型的工作,。在未來，CPISPR很可能被更加靈活的基因編輯工具取代,，然而現(xiàn)在,，CPISPR的熱潮仍在持續(xù)。
腦成像技術(shù)
2013年,，大腦的一個(gè)新窗口被打開,，有望從根本上改變實(shí)驗(yàn)室研究這種錯(cuò)綜復(fù)雜的器官的方式，它被稱為CLARITY。由于形成細(xì)胞膜的脂肪會(huì)散射光,，CLARITY通過消除脂肪可以使大腦組織透明如玻璃,，它使用一種凝膠取代脂質(zhì)分子，同時(shí)能保持神經(jīng)元,、其他腦細(xì)胞及細(xì)胞器完整,，從而使錯(cuò)綜復(fù)雜的大腦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。
在以前試圖建立透明大腦的技術(shù)中,，各組織非常脆弱,，但在CLARITY中，這些組織足夠堅(jiān)固,，科學(xué)家可以多次將不同標(biāo)記滲入其中,，進(jìn)而將其沖出，并使大腦重復(fù)成像,。研究人員稱,，這種進(jìn)步能夠使計(jì)算一個(gè)特定大腦區(qū)域的神經(jīng)元數(shù)量等任務(wù)的速度提升100倍。相比之下,，傳統(tǒng)的死亡腦組織成像方法變得無關(guān)緊要,。不過，目前該技術(shù)局限于少量的組織：澄清4毫米直徑的老鼠大腦仍需要大約9天,。
人體胚胎克隆
2013年,，研究人員宣布,，他們已經(jīng)克隆出人體胚胎,，并將其用于胚胎干（ES）細(xì)胞的來源，這是一個(gè)夢(mèng)寐以求的目標(biāo),。ES細(xì)胞能夠發(fā)展成任何組織,，并提供與克隆細(xì)胞完美匹配的基因，是研究和開發(fā)藥物的強(qiáng)大工具,。然而,，對(duì)于破壞胚胎的擔(dān)憂以及克隆人類胚胎的簡(jiǎn)易便捷可能會(huì)使其成為標(biāo)準(zhǔn)慣例。
這種克隆技術(shù)被稱作體細(xì)胞核移植（SCNT）,，科學(xué)家將細(xì)胞核從卵細(xì)胞中移出,，然后將其與細(xì)胞材料和克隆個(gè)體的一個(gè)細(xì)胞進(jìn)行融合。融合細(xì)胞收到開始分裂的信號(hào)后,，胚胎開始發(fā)育,。科學(xué)家已經(jīng)使用SCNT克隆了老鼠,、豬和其他動(dòng)物,，但一直未攻克人體細(xì)胞。
2007年,，美國(guó)俄勒岡國(guó)家靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究中心的研究人員最終克隆出猴子胚胎,，并從中獲得ES細(xì)胞,。在該過程中，他們發(fā)現(xiàn)一些調(diào)整可以使SCNT在包括人類在內(nèi)的靈長(zhǎng)類動(dòng)物細(xì)胞中更加有效,。最終的方法效果驚人,，10次實(shí)驗(yàn)中就有1次可以產(chǎn)生ES細(xì)胞。其中一個(gè)關(guān)鍵的因素是咖啡因,，它似乎可以幫助穩(wěn)定人類卵子細(xì)胞中的關(guān)鍵分子,。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，該技術(shù)有多重要是一個(gè)開放性的問題,。自從首次嘗試人類克隆,，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過將成年細(xì)胞“重新編程”為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）,，以制作針對(duì)病患的干細(xì)胞,。科學(xué)家在2007年將該技術(shù)用于人體細(xì)胞,，去除人類卵子以及不涉及胚胎兩大因素使SCNT極具爭(zhēng)議性并且價(jià)格昂貴,。不過一些實(shí)驗(yàn)表明，至少在老鼠身上,，來自克隆胚胎的ES細(xì)胞的質(zhì)量要好于iPS細(xì)胞,。
克隆嬰兒也引發(fā)了擔(dān)憂。但目前這似乎不太可能實(shí)現(xiàn),。俄勒岡的研究人員稱,，盡管經(jīng)過了數(shù)百次的嘗試，他們克隆的猴子胚胎也不能使代孕個(gè)體成功孕育生命,。
迷你器官
今年,，科學(xué)家成功使iPS細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室成長(zhǎng)為微小的“類器官”——肝臟雛形、迷你腎臟,，甚至初期的人類大腦,。
由澳大利亞研究人員培養(yǎng)出的這種大腦與真實(shí)大腦在一些重要方面有所不同。由于其缺少血液供應(yīng),，它們?cè)陂L(zhǎng)到蘋果種子大小時(shí)便會(huì)停止生長(zhǎng),，中心的細(xì)胞由于缺少養(yǎng)分和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)相繼死亡。但是類器官對(duì)人類大腦的模擬程度令人吃驚,，在顯微鏡下可以觀察到眼組織,，就像早期胎兒的大腦。
迷你大腦已經(jīng)被投入對(duì)頭小畸形病癥（大腦無法成長(zhǎng)至正常大?。┑难芯?。當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)開始使用來自于一位頭小畸形患者的iPS細(xì)胞時(shí)，其得到的類器官要小于正常器官，因?yàn)楦杉?xì)胞過早就停止了分裂,。隨著進(jìn)一步的發(fā)展,，研究人員希望利用迷你大腦技術(shù)探索其他人類疾病。
宇宙射線的來源
幾十年以來,，物理學(xué)家認(rèn)為,，作為宇宙射線在太空穿行的高能質(zhì)子和原子來自于恒星爆炸后的殘骸，或者說超新星?，F(xiàn)在,，他們確定了這一結(jié)論。今年,，研究人員使用美國(guó)宇航局（NASA）費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡,，發(fā)現(xiàn)了這些粒子在銀河系的云狀超新星遺跡中加速的首個(gè)直接證據(jù)。
將宇宙射線追根溯源至超新星遺跡并不容易,。因?yàn)檫@些質(zhì)子和核都是帶電粒子,，在星際磁場(chǎng)漩渦中運(yùn)行。最終,，宇宙射線并不直接指向其最初起源地,。費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)不得不找到其他方法顯示超新星遺跡對(duì)這些粒子進(jìn)行了加速。
如果質(zhì)子在超新星遺跡中被加速,，那么一些質(zhì)子—質(zhì)子對(duì)撞仍應(yīng)該會(huì)發(fā)生,。這種對(duì)撞會(huì)進(jìn)而產(chǎn)生被稱作pi-zero介子的短暫存在的粒子，很快衰變成一對(duì)高能質(zhì)子,。這種pi-zero衰變應(yīng)該會(huì)使來自超新星遺跡的能量譜出現(xiàn)高峰波動(dòng),。在搜集了5年數(shù)據(jù)后，費(fèi)米的研究人員在兩個(gè)超新星遺跡中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子加速的信號(hào),。其他研究曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過該信號(hào),，但是費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的實(shí)驗(yàn)是首次清晰的觀測(cè)。
天體物理學(xué)家仍不清楚粒子與磁場(chǎng)相互作用的很多細(xì)節(jié),，而且他們懷疑最高能量的宇宙射線來自銀河系之外。不過,，超新星遺跡的確噴涌出宇宙射線卻是毫無疑問的,。
太陽能新星
鈣鈦礦作為一顆冉冉升起的新星，照亮了太陽能研究界,。這種便宜易制的晶體被證明能夠?qū)?5%陽光的能量轉(zhuǎn)換為電能,。4年前的技術(shù)只能達(dá)到3.8%，而且它比研究人員研發(fā)幾十年的一些太陽能電池技術(shù)還要好,。
鈣鈦礦太陽能電池仍然落后于全世界屋頂上的硅板太陽能,，后者的效率一般可達(dá)20%，在實(shí)驗(yàn)室中最高能達(dá)25%。但是硅電池和其他高效能太陽能材料依賴于高溫下使用昂貴的設(shè)備生產(chǎn)出的半導(dǎo)體,。鈣鈦礦則不同,。目前用于太陽能電池的鈣鈦礦僅僅通過在溶液中混合便宜的前體化合物，然后在物體表面晾干就可以了,。令人吃驚的是,，該過程生產(chǎn)出的鈣鈦礦有著很高的結(jié)晶質(zhì)量，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱能夠使用其產(chǎn)生激光,。
不過,，關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池最好的消息是，也許可以將其與傳統(tǒng)的硅太陽能電池整合,，將其覆蓋在硅板頂部,，可以使效率達(dá)到30%。全世界的太陽能研究人員都在競(jìng)相將兩者結(jié)合起來,。
為什么睡覺
我們?yōu)楹嗡X,？這是生物學(xué)的最基本問題。2013年,，神經(jīng)科學(xué)家在這個(gè)答案的追尋上有了一個(gè)大跨步,。
大多數(shù)研究人員都認(rèn)為，睡眠有著多種作用,，例如增強(qiáng)免疫系統(tǒng)和鞏固記憶等,，但是他們長(zhǎng)期以來一直在尋找各物種都適用的睡眠“核心”功能。通過追蹤睡眠小鼠大腦中的有色染料,，科學(xué)家得出結(jié)論,，睡眠的基本目的是：清洗大腦。他們發(fā)現(xiàn),，在小鼠睡眠時(shí),，大腦運(yùn)輸管道的網(wǎng)絡(luò)膨脹了60%，增加了腦脊液的流動(dòng),，從而清理了β淀粉蛋白等代謝廢物,。
在這一發(fā)現(xiàn)之前，研究人員一直認(rèn)為大腦處理細(xì)胞垃圾的唯一方法是將其破壞并在細(xì)胞內(nèi)回收,。如果未來的研究發(fā)現(xiàn),，許多其他的物種也會(huì)經(jīng)歷這一大腦清理的過程，那將表明清洗的確是睡眠的一個(gè)核心功能,。新發(fā)現(xiàn)還說明,，睡眠不足也許在神經(jīng)疾病的發(fā)展中發(fā)揮著作用。但是由于其因果關(guān)系尚不確定,，人們擔(dān)心這一問題還為時(shí)過早,。
微生物與健康
研究人員發(fā)現(xiàn),，人體內(nèi)的細(xì)菌在決定身體如何應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)不良和癌癥等不同挑戰(zhàn)方面扮演著重要角色。
100萬億個(gè)細(xì)胞承載著300萬種不同的基因——這就是人體內(nèi)生活著的微生物的狀況,。各種動(dòng)物研究顯示,，這些看不見的生物深刻影響著身體對(duì)環(huán)境、疾病和醫(yī)療的反應(yīng),。今年,，研究人員開始精確定位特定微生物影響健康和疾病的方式。
2013年,，研究人員追蹤腸道微生物與癌癥之間的一些聯(lián)系,。3個(gè)抗癌療法被證明需要腸道細(xì)菌才能奏效；細(xì)菌可以幫助刺激免疫系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)藥物治療,。一個(gè)小鼠研究顯示,，由于肥胖小鼠體內(nèi)產(chǎn)生一種損害DNA的細(xì)菌副產(chǎn)品，與肥胖相關(guān)的一種肝癌發(fā)生率會(huì)上升,。新發(fā)現(xiàn)還證實(shí)了之前的猜測(cè)：一種被稱作梭菌屬的腸道細(xì)菌對(duì)刺激結(jié)直腸腫瘤有重要作用,。
研究人員還得到了更多關(guān)于微生物影響免疫系統(tǒng)功能的提示。例如,，自身免疫性疾病風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎可能與一種被稱為普氏菌的細(xì)菌有關(guān),。在小鼠中，對(duì)由于接觸室內(nèi)外的貓狗所引起的過敏和哮喘預(yù)防,，很大程度上是由于腸道乳酸菌的增加,。
研究越來越明顯地表明，個(gè)性化醫(yī)療要想更加有效,，需要將每個(gè)人體內(nèi)的微生物情況考慮在內(nèi),。
疫苗設(shè)計(jì)
幾十年以來，研究人員一直希望結(jié)構(gòu)生物學(xué)（在近原子水平研究生物分子）可以幫助他們?cè)O(shè)計(jì)更好的疫苗,。今年,，他們終于發(fā)現(xiàn)令人信服的證據(jù)，證明該方法可以帶來一流的回報(bào),。
呼吸道合胞病毒（RSV）每年使數(shù)百萬嬰兒感染肺炎和其他肺部疾病,，許多疫苗都對(duì)其無效。對(duì)于面臨嚴(yán)重RSV疾病高風(fēng)險(xiǎn)的兒童,，市場(chǎng)上的帕利珠單抗可以使患病率減少一半,，但是帕利珠單抗單劑量的成本將近1000美元，對(duì)許多患病兒童來說遙不可及,。
比帕利珠單抗有效10到100倍的抗體已經(jīng)開始被隔離研究。今年5月,，美國(guó)國(guó)家過敏癥和傳染病研究所（NIAID）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱,，他們已經(jīng)鎖定其中一種,。該抗體會(huì)與RSV表面一種被稱為F的蛋白質(zhì)結(jié)合（病毒在感染過程中通過F與細(xì)胞融合）。研究人員利用X射線衍射技術(shù)研究了該抗體的晶體結(jié)構(gòu),，從更精細(xì)的角度分析了F蛋白質(zhì)的脆弱點(diǎn),。11月，NIAID的研究團(tuán)隊(duì)取得了新的進(jìn)展：使用其結(jié)構(gòu)分析得到的發(fā)現(xiàn),，設(shè)計(jì)一種RSV F蛋白質(zhì)作為免疫原,。其策略被證明是正確的：該蛋白質(zhì)可以刺激產(chǎn)生高效抗體，它一夜之間成為了RSV疫苗的領(lǐng)先候選者,。不過這種疫苗尚未用于人體,，NIAID的研究人員希望先對(duì)其進(jìn)行18個(gè)月的準(zhǔn)備測(cè)試。
今年秋天發(fā)表的另外3項(xiàng)研究利用類似的策略為艾滋病病毒（HIV）設(shè)計(jì)疫苗,。研究人員尚未證明其公認(rèn)的免疫原可以刺激能夠應(yīng)對(duì)HIV無數(shù)變異的抗體產(chǎn)生,，但是他們希望跟隨RSV同事的腳步，后者在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了許多版本的人工蛋白之后才找到最好的那一個(gè),。
既然結(jié)構(gòu)生物學(xué)已經(jīng)證明了它在疫苗設(shè)計(jì)上的價(jià)值,，許多研究人員希望這種開創(chuàng)性的工作也可以為丙型肝炎疫苗、登革熱等病毒疫苗的研制指明方向,。（苗妮）
