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中科院等發布《2017研究前沿》,生物科學領域是重點



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11月2日上午,中國科學院科技戰略咨詢研究院、中科院文獻情報中心與科睿唯安公司在北京向全球發布了《2017研究前沿》報告和《2017研究前沿熱度指數》報告。

《2017研究前沿》突出顯示了等10個高度聚合的大學科領域中的100個熱點前沿和43個新興前沿。在143個前沿中,“冷凍電鏡技術在生物大分子三維結構解析中的應用”是今年諾貝爾化學獎的主題,“雙黑洞等雙致密天體的形成及并合”與今年諾貝爾物理學獎主題引力波研究密切相關。

在《2017研究前沿》基礎上,《2017研究前沿熱度指數》評估了世界主要國家在上述前沿領域中的研究活躍程度。報告稱,美國、中國、英國在這些前沿領域研究最為活躍。在10個領域中,美國在8個領域得分排名第一。中國在化學與材料科學領域和數學、計算機科學與工程學領域得分排名第一,顯示出中國學者在這兩個領域的研究前沿最為活躍。但中國在臨床醫學領域、天文學與天體物理領域和經濟學、心理學及其他社會科學領域等3個領域得分較為靠后。

以下為大家介紹生物科學Top 10 熱點前沿及重點前沿。

生物科學領域位居前10 位的熱點前沿主要集中于RNA 相關研究和技術方法的突破與應用,前者主要包括環狀RNA、mRNA 和lncRNA 等相關研究,技術方法的突破與應用包括冷凍電鏡技術、3D 生物打印方法和腦結構的光學成像技術等。從研究內容上看,生物科學領域仍聚焦于生命科學與人類健康研究。相比其他領域,生物科學領域的熱點前沿核心論文的平均出版年最年輕,均是2014 年以來。

根據核心論文數量和被引頻次等指標,生物科學共遴選出兩個重點熱點前沿:“冷凍電鏡技術在生物大分子三維結構解析中的應用”和“基于高通量的染色質構象捕獲及其衍生技術應用”。

生物科學Top 10 熱點前沿

中科院等發布《2017研究前沿》,生物科學領域是重點


生物科學Top10 熱點前沿的施引論文

中科院等發布《2017研究前沿》,生物科學領域是重點

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重點熱點前沿——冷凍電鏡技術在生物大分子三維結構解析中的應用

雖然冷凍電子顯微鏡技術(cryo-electron microscopy,Cryo-EM)和X 射線晶體學、核磁共振被稱作結構生物學研究的三大利器,但冷凍電鏡技術一直是三者當中最弱的一種技術手段。冷凍電鏡技術是在20 世紀70 年代提出的,但直到21 世紀初,冷凍電鏡的分辨率水平依然沒有得到突破,這限制了冷凍電鏡在生物大分子結構解析領域的應用。

最近幾年,冷凍電鏡技術有了革命性的進步,空間分辨率突破原子級別,可以應用于很多以前不

能解決的生物大分子的結構研究,有越來越多的冷凍電鏡技術具有里程碑意義的方法學突破和重要生物大分子結構解析成果發表在高水平的期刊上。該熱點前沿的38 篇核心論文記錄了這些具有里程碑意義的成果。

冷凍電鏡技術之所以取得了革命性的進步,其中最主要的原因之一是電子直接探測器 (direct

electron-detector device,DDD) 的發展。2013 年10 月加州大學舊金山分校程亦凡和David Julius 的研究組,成功利用新一代DDD 相機(Gatan K2 camera) 拍攝了近九萬張單顆粒圖像,解析得到了瞬時受體電位(TRP)通道蛋白(TRPV1) 四聚體的3.4 ?(1? 是1nm 的十分之一)近原子級別高分辨率三維結構,兩篇論文發表在Nature 上,是該熱點前沿的Top5 高被引論文,被引頻次達到384 和229 次。蛋白質TRPV1 結構的確定標志著冷凍電鏡技術正式跨入“原子分辨率”時代。在此之后,冷凍電鏡技術取得了令人難以置信的飛速發展和廣泛應用。許多難以利用傳統的X 射線晶體學方法獲得的重要生物大分子及復合物的結構得以解析。

2014 年,英國醫學研究委員會(MRC)分子生物學實驗室的Sjors Scheres 等通過改進電子顯微鏡技術,成功獲得了酵母菌的線粒體核糖體大亞基的圖像,分辨率達到3.2 ?。2015 年,清華大學生命學院施一公教授研究團隊在該前沿中貢獻了兩篇核心論文,首次在世界上揭示了分辨率高達3.4 埃的人體γ- 分泌酶的電鏡結構,為理解γ- 分泌酶的工作機制及阿爾茨海默癥的發病機理提供了重要基礎。隨后的研究分辨率逐步提高到 2.8 ?,2.6 ?和2.2 ?。2016 年,美國國家癌癥研究所的Sriram Subramaniam 等科學家們發布的谷氨酸脫氫酶結構的分辨率甚至已經達到了1.8 ?。

冷凍電鏡技術之所以取得了革命性的進步,除了圖像處理硬件的突破,還得益于圖像處理軟件的




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