2024 年的重大科学突破和新兴趋势

创新的步伐从未放缓，这些科学突破的影响将重新定义我们的生活、工作以及与周围世界的联系方式。从最大规模的太空探索到单细胞水平的诊断，这些突破将激励创新者突破可能的界限。为了领先于新兴趋势、新发现和独特视角，接下来请阅读以下内容。

太空探索的新时代

需要被提醒我们的宇宙是多么浩瀚吗？詹姆斯・韦伯太空望远镜的首批照片令人惊叹。虽然这是有史以来技术最先进、功能最强大的望远镜，但对宇宙的认识将为未来几代人的太空任务和探索奠定基础。最近，美国国家航空航天局的阿尔忒弥斯计划启动了最新的月球任务，这将为未来的火星任务铺平道路。这个太空探索的新时代将推动航天领域以外的技术进步，并刺激材料、食品科学、农业甚至化妆品等现实应用领域的发展。

人工智能预测的一个里程碑

几十年来，科学界一直在追求对蛋白质功能与三维结构之间关系的更深入理解。2022 年 7 月，DeepMind 揭示可以使用 AlphaFold2、RoseTTAFold 和 trRosettaX-Single 算法从蛋白质的线性氨基酸序列预测其折叠的三维结构。这些算法的预测将人类未知结构数据的蛋白质数量从 4800 个减少到仅 29 个。虽然人工智能始终存在挑战，但预测蛋白质结构的能力对所有生命科学领域都有影响。未来的关键挑战包括对具有内在无序特性的蛋白质以及那些通过翻译后修饰或因环境条件而改变结构的蛋白质进行建模。除了蛋白质建模，人工智能的进步继续重塑许多行业和学科的工作流程并扩大发现能力。

合成生物学的发展趋势

合成生物学有潜力通过使用工程化的生物系统（即微生物，其大部分或整个基因组已被设计或工程化）来重新定义合成途径，以制造一系列生物分子和材料，如治疗药物、香料、织物、食品和燃料。例如，可以在不使用猪胰腺的情况下生产胰岛素，在不使用牛的情况下生产皮革，在不使用蜘蛛的情况下生产蜘蛛丝。仅在生命科学领域的潜力就令人难以置信，但当应用于制造业时，合成生物学可以最大限度地减少未来的供应链挑战，提高效率，并为生物聚合物或具有更可持续方法的替代材料创造新的机会。如今，团队使用基于人工智能的代谢建模、CRISPR 工具和合成遗传电路来控制代谢、操纵基因表达并构建生物生产途径。随着这一学科开始跨越多个行业，2022 年《生物技术杂志》的一篇文章展示了代谢控制和工程挑战的最新发展和新兴趋势。

单细胞代谢组学即将腾飞

虽然在基因测序和图谱绘制方面取得了很大进展，但基因组学只能告诉我们细胞的能力。为了更好地理解细胞功能，蛋白质组学和代谢组学方法为揭示分子图谱和细胞途径提供了不同的角度。单细胞代谢组学提供了生物系统内细胞代谢的快照。挑战在于代谢组变化迅速，样品制备对于理解细胞功能至关重要。总的来说，单细胞代谢组学的一系列最新进展（从开源技术、先进的人工智能算法、样品制备和新形式的质谱分析）展示了进行详细质谱分析的能力。这使研究人员能够逐个细胞地确定代谢物群体，这将为诊断释放巨大潜力。在未来，这可能导致在生物体中检测到单个癌细胞的能力。结合新的生物标志物检测方法、可穿戴医疗设备和人工智能辅助数据分析，这一系列技术将改善诊断并改善生活。

新型催化剂助力更环保的肥料生产

每年，数十亿人依赖肥料来持续生产粮食，减少肥料生产中的碳足迹和费用将重塑农业对排放的影响。肥料生产的哈伯 - 博施法将氮气和氢气转化为氨。为了降低能源需求，东京工业大学的研究人员开发了一种不含贵金属的氮化物催化剂，该催化剂在氮化镧载体上含有具有催化活性的过渡金属（镍），在潮湿环境中稳定。由于该催化剂不含钌，它为降低氨生产的碳足迹提供了一种廉价的选择。La-Al-N 载体与活性金属（如镍和钴（Ni、Co））一起以与传统金属氮化物催化剂相似的速率生产 NH3。

RNA 医学的进步

虽然 mRNA 在 COVID-19 疫苗中的应用引起了广泛关注，但 RNA 技术的真正革命才刚刚开始。最近，一种新的多价核苷修饰的 mRNA 流感疫苗被开发出来。这种疫苗有潜力建立对 20 种已知流感病毒亚型中的任何一种的免疫保护，并防止未来的爆发。许多罕见的遗传疾病是 mRNA 疗法的下一个目标，因为它们通常缺少一种重要蛋白质，可以通过 mRNA 疗法替换健康蛋白质来治愈。除了 mRNA 疗法，临床管道中有许多针对多种癌症、血液和肺部疾病的 RNA 治疗候选药物。RNA 具有高度针对性、多功能性且易于定制，这使其适用于广泛的疾病。

快速骨骼转化

在合成化学中，在分子框架中安全地交换单个原子或从分子骨架中插入和删除单个原子的挑战一直很大。虽然已经开发了许多方法来用外围取代基（如 C-H 活化）使分子功能化，但芝加哥大学的 Mark Levin 小组开发了第一种对有机化合物骨架进行单原子修饰的方法之一。这使得能够选择性地裂解吡唑和吲唑核心的 N-N 键，得到嘧啶和喹唑啉。骨骼编辑方法的进一步发展将使分子多样化，这可能导致更快地发现功能性分子和理想的药物候选物。

促进肢体再生

到 2050 年，预计每年将有超过 360 万人身体残疾。在很长一段时间里，科学家们认为肢体再生的最大关键是神经的存在。然而，Muneoka 博士及其团队的工作表明了机械负荷对哺乳动物手指再生的重要性，并且没有神经并不抑制再生。塔夫茨大学的研究人员也在肢体再生方面取得了进展，他们通过可穿戴生物反应器进行急性多药物输送，成功地实现了青蛙的肢体再生。这一早期成功可能会为人类带来更大、更复杂的组织再造进展，最终使退伍军人、糖尿病患者以及其他受截肢和创伤影响的人受益。

核聚变通过点火产生更多净能量

核聚变是为太阳和恒星提供能量的过程。几十年来，在地球上复制核聚变作为一种能源的想法在理论上可以满足地球上未来所有的能源需求。目标是迫使轻原子如此强烈地碰撞，以至于它们融合并释放出比消耗更多的能量。然而，克服正原子核之间的电排斥需要高温和高压。一旦克服，聚变会释放大量能量，这也应该驱动附近原子核的聚变。以前启动聚变的尝试使用强磁场和强大的激光，但一直无法产生比消耗更多的能量。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室点火设施的研究人员报告说，该团队能够启动核聚变，从使用的 2.05 兆焦耳激光中产生了 3.15 兆焦耳的能量。虽然这是一个巨大的突破，但一个实际运行的核聚变发电厂为我们的电网供电可能仍需要几十年的时间。在实现这一目标之前，必须解决重大的实施障碍（可扩展性、工厂安全、产生激光所需的能量、浪费的副产品等）。然而，点燃核聚变的突破是一个重要的里程碑，将为未来在此成就基础上的进展铺平道路。