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2018年12月全球基礎研究重點領域動態

3月
30
2019

2019年3月30日06時 戰略與政策論壇

戰略與政策論壇

1、生命健康領域

美國、德國科學家首次利用癌症疫苗治療冷腫瘤

儘管免疫檢查點抑制劑已經成為治療腫瘤的重要手段,但「冷腫瘤」(即由於各種原因而未被識別或未引起免疫系統強烈反應的腫瘤,其腫瘤組織中沒有或者只有很少的免疫細胞,反之稱為「熱腫瘤」)由於缺乏能夠被生物體中的T細胞識別的抗原而無法獲得有效治療。

美國Dana-Farber癌症研究所與德國海德堡大學醫院研究人員分別利用個性化「新抗原」(neoantigen)疫苗治療膠質母細胞瘤的晚期與早期患者,結果顯示,該癌症疫苗能夠促進外周血中的「新抗原」特異性T細胞遷移入腫瘤組織中,使腫瘤浸潤T細胞數量明顯增加,進而誘導患者產生「新抗原」特異性的免疫應答,使患者生存期顯著延長,證實該癌症疫苗有效提升了免疫細胞對「冷腫瘤」的識別能力。

這兩項研究首次證實癌症疫苗能夠改變「冷腫瘤」的免疫環境,促進免疫細胞聚集到腫瘤組織中,不僅實現了對膠質母細胞瘤的有效治療,而且使冷腫瘤變「熱」,有望使「冷腫瘤」在未來能夠響應免疫檢查點抑制劑的治療。兩項研究12月19日發表在《自然》上。(李禎祺 中科院上海生命科學信息中心)

2

德國首次實現豬心臟在靈長類動物體內長期存活

心臟移植是治療心力衰竭的唯一方法,但面臨捐贈器官嚴重短缺的問題。心臟異種移植是一種潛在解決途徑,但此前研究始終無法實現接受移植動物的長期存活。德國慕尼黑大學等機構的研究人員首次成功將基因改造的豬心臟移植到狒狒體內,並穩定維持其功能超過6個月。研究人員通過優化移植策略,包括改進豬心臟離體後的保存方式,降低狒狒的血壓與豬血壓相匹配,注射抑制細胞增殖的藥物對抗移植豬心臟的過度生長等一系列方法,最終成功延長了狒狒接受豬心臟移植後的存活時間,最長達到195天。

該成果已達到國際心臟病協會關於異種心臟移植可以開展臨床試驗的標準,是異種器官移植的里程碑突破,為人類心臟異種移植奠定了堅實基礎,為緩解捐獻器官不足的問題帶來希望。相關研究12月5日發表在《自然》上。(姚馳遠 中科院上海生命科學信息中心)

2、農業科技領域

美國研究人員取得水稻種子克隆的重要突破

自20世紀20年代以來,許多農作物都是通過雜交培育出來的。這些雜交品種在產量、抗病性等方面具有優良品質,但是雜交作物的種子不能產生同樣品質的作物。美國加州大學戴維斯分校等機構的植物生物學家發現,水稻基因BBM1可能啟動了卵子形成胚胎的能力,是水稻植株受精引發胚胎生成的分子機制的關鍵。利用該發現可以找到一種通過種子作為克隆體進行複製的方法,從而使農作物不需要受精就能結出可育的種子。

研究人員首先利用基因編輯使植物失去了減數分裂的能力,使卵細胞通過有絲分裂形成,這樣卵子就可以從母本繼承整套染色體。隨後科學家讓這些卵細胞在沒有受精的情況下表達基因BBM1,並進而形成胚胎,然後發育成克隆種子。目前這一過程的效率約為30%。研究人員正在探索提高這一效率及擴大這種方法的適用範圍。

該研究可通過種子產生同樣品質的克隆植物,可能會使高產、抗病或耐惡劣氣候的作物更容易繁殖,並能讓全世界農民都能重複地種植自己的雜交植物種子,而不用買昂貴的雜交種子。該研究解決了長期以來植物育種家和遺傳學家一直在尋找的通過種子產生克隆植物的辦法,是農業領域的一個重大突破。相關研究12月12日發表在《自然》上。(邢穎 中科院科技戰略諮詢研究院)

3、能源科技領域

美國、日本科學家開發出首個可在室溫下穩定運行的氟離子電池

金屬氟化物不僅具有高能量密度,其理論能量密度是鋰的近10倍,而且其儲量豐富,價格便宜,因此無論從能量密度,還是成本和可持續性上氟離子電池都比鋰離子電池更具優勢。但氟離子電池需在150℃以上高溫才能運行,限制了該電池的實際應用。美國加州理工學院Simon C.

Jones教授課題組聯合日本本田研究所等機構共同合成了新型溶有四烷基氟化銨鹽氟代醚溶劑電解質,展現出優異的低溫離子電導率、寬工作電壓窗口和化學穩定性。基於該液態電解質的氟離子電池克服了常規氟離子電池溫度限制,首次實現了在室溫下的穩定可逆充放電循環,使得氟離子電池展現出成為下一代高比能儲能電池的強勁潛力,同時也為開發超越鋰離子電池的新電池體系創造了新路徑。相關研究12月7日發表在《自然》上。(郭楷模

中科院武漢文獻情報中心)

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美國開發出世界首款離子風動力飛機

自萊特兄弟發明飛機以來,世界上的各種飛機無一例外都是由機械活動部件構成的動力推進系統(如螺旋槳、渦輪機等)驅動飛行的。美國麻省理工學院的Steven

Barrett教授研究團隊設計開發了一種無須消耗燃料、無須任何機械活動部件構成推進系統的全新離子風動力推進飛機。離子風推進系統的原理基於牛頓力學第三定律——力的作用是相互的。在兩個電極之間加上電壓,就會使得電極間空氣電離,從而產生離子風,而當電壓足夠大,產生的離子風就足以驅動飛行器飛行。基於上述原理,研究人員設計了一架機翼長達5米的飛機,並在一個無風的體育館內成功實現了飛行距離60米、持續時間12秒的試飛,成為有史以來首架沒有機械活動部件動力推進系統的飛機,顛覆了傳統認識,開闢了飛機發展的新篇章。相關研究11月21日發表在《自然》上。(郭楷模

中科院武漢文獻情報中心)

4、信息科技領域

義大利學者證明全球量子網際網路的可行性

義大利學者利用紅外光脈衝在俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)導航衛星和義大利航天局下屬的空間測地中心之間成功交換了多個光子,實現了相距兩萬千米的星地量子通信,為量子通信的實際應用打下了基礎,證明利用已建立的全球軌道導航衛星系統來打造全球量子通信衛星具有一定可性行。該實驗成功完成光子交換的關鍵是使用了安裝在衛星上的無源逆反射器來保持遠距離光信號的完整性。

該實驗與「墨子號」科學實驗不同之處主要在於該實驗使用了俄羅斯格洛納斯導航衛星,其軌道平均高度近20000千米,而「墨子號」則使用科學實驗衛星,其軌道高度約為500千米。相關研究12月20日發表在《量子科學技術》上。(唐川 中科院成都文獻情報中心)

5、基礎交叉前沿

中國、日本學者研究發現固態物質的新結構類型

按照微觀結構的對稱性,固態物質可分為晶體、准晶體和非晶體三大類。晶體中的原子有規則地周期性排列(如食鹽、雪花),非晶體中原子無序排列(如玻璃、塑料),准晶體介於晶體與非晶體之間,可在一些合金中觀測到。

中國科學院金屬研究所陳春林研究員與東京大學、重慶大學等合作,在陶瓷材料中發現了區別於上述三大類的新結構:一維有序結構(或稱為一維有序晶體),深化並更新了人們對固態物質結構的認識。研究人員將掃描透射電子顯微技術與第一性原理理論計算相結合,在氧化鎂和氧化釹薄膜材料中發現了一維有序晶體。該結構僅在一個方向保留了晶體的平移對稱性和周期性,在其他方向原子無序排列,形成了具有一維平移周期性的長程有序結構。與相應常見結構類型相比,新結構物質的物理性質具有顯著差異。

通常氧化鎂晶體是能隙為7.4電子伏特的絕緣體,而此次得到的氧化鎂一維有序晶體是能隙為3.2電子伏特的寬頻隙半導體。相關研究12月10日發表在《自然-材料》上。(萬勇 中科院武漢文獻情報中心)

2

中國科學家首次觀測到三維量子霍爾效應

量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一,迄今已有4個諾貝爾獎與其直接相關。但一百多年來,科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系,從未涉足三維領域。

復旦大學修發賢課題組於2016年10月首次在高質量三維砷化鎘納米片中測量到了量子霍爾效應,並深入研究,此次又發現電子在拓撲半金屬砷化鎘納米片中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響。這說明,隨著樣品厚度的變化,電子的運動時間也在變,表明電子在做與樣品厚度相關的縱向運動,證明了其隧穿行為。

此次研究團隊觀測到由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據,邁出了量子霍爾效應研究從二維到三維的關鍵一步。相關發現為未來三維空間量子化傳輸提供了新思路和試驗基礎,未來將在光電探測、拓撲量子計算、低功率電子器件等方面發揮重大應用價值。相關研究12月18日發表在《自然》上。(王海名 中科院科技戰略諮詢研究院)

3

中國科學家首次實現量子糾纏態自檢驗

量子糾纏是量子信息領域的重要資源。學術界通常採用量子態層析的方法重構出糾纏態的形式,進而獲得糾纏態的保真度等重要信息。但該方法依賴於測量設備的準確性和可靠性,不能用於承擔對安全性有要求的量子信息任務。為解決該問題,研究人員提出了「貝爾不等式違背」等多種糾纏度量方法,以實現不依賴檢測設備的可信度進行量子糾纏自檢驗,但相關實驗實現仍是空白。

中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、陳耕等人巧妙設計並實驗實現了兩比特和三比特量子糾纏態自檢驗,針對不同形式的量子糾纏態,在測量設備不可信的條件下,獲得了未知量子態的保真度信息,並與傳統的量子態層析結果比對,證實了自檢驗結果的可靠性,首次在國際上實現了量子糾纏態的自檢驗。這一成果為把自檢驗推廣應用於各種量子信息過程,以及推進量子通信和量子計算研究打下重要基礎。相關研究12月13日發表在《物理評論快報》上。(王海名

中科院科技戰略諮詢研究院)


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