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北大3项成果入选2017中国科学十大进展
日期: 2018-02-28  信息来源: 科学研究部

编者按:2018年2月27日,2017年中国科学十大进展遴选结果发布,北京大学共有3个项目入选,分别是:药学院周德敏教授和张礼和院士研究组的“将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物”,化学与分子工程学院马丁研究员团队与中科院山西煤化所和大连理工大学合作完成的“实现氢气的低温制备和存储”,分子医学研究所和信息科学技术学院等单位联合组成的程和平院士研究组的“研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统”。另外,城市与环境学院周力平教授参与了“中国发现新型古人类化石”的研究工作。以上入选项目均出自北京大学国家或教育部重点研究基地。

入选“2017年中国科学十大进展”科学家合影(摄影:郭维) 

将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物

流感、艾滋病和埃博拉出血热等烈性传染病时刻危害着人类的健康和社会稳定,其幕后“黑手”是结构和功能多样且快速变异的病毒,而疫苗是预防病毒感染的有效手段。

北京大学药学院周德敏研究团队以流感病毒为模型,在保留病毒完整结构和感染力的情况下,仅突变病毒基因的一个三联遗传密码为终止密码,流感病毒就由致病性传染源变为预防性疫苗;再突变多个三联码为终止密码,使病毒变为治疗性药物。

此类疫苗的特点是保留了野生型病毒的全部抗原、感染活力和相同的感染途径,可以诱发人体产生强而广的体液免疫、鼻腔黏膜免疫以及T-细胞活化免疫应答,但感染人体后复制能力缺失。这种复制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到验证,达到广谱、持久和高效的效果。

该方法颠覆了传统灭活/减毒疫苗的理念:前者需改变病毒抗原结构去除其毒性,只能部分激发人体免疫力,所以需要多次接种;后者需要复杂的工艺处理方能保留病毒的完整结构,但仍具有弱的复制能力和潜在的致病性,安全隐患大。

该方法将是研发活病毒疫苗的一种通用方法,并可针对几乎所有病毒。

该研究得到中国科技部、国家自然科学基金委、中国教育部及北京大学的长期支持,也是我国长期支持基础研究并鼓励基础研究进行临床转化的典型范例。Science评述该进展为病毒疫苗领域的革命性突破,Nature称其为“驯服病毒的新方法”。相关研究进展发表在2016年12月2日Science上。

项目主要完成人合影,上图左起徐欢、司龙龙、周德敏、张礼和。司龙龙和徐欢是北大药学院博士研究生,为论文共同第一作者。

实现氢气的低温制备和存储

氢能被誉为下一代二次清洁能源,但氢气的高效制备以及安全存储和运输一直以来是阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。

由于甲醇可以安全运输,将氢气存储于液体甲醇中,通过水和甲醇低温液相重整反应原位产氢成为氢能利用的可行途径。这种过程装置简单、耗能低、容易和车载或固定聚合物电解质膜燃料电池整合,而释放占重比达18.8%的氢气。

北京大学化学与分子工程学院马丁研究组与中国科学院山西煤化研究所温晓东以及大连理工大学石川等合作研究表明,将铂原子级分散在面心立方结构的碳化钼(α-MoC)上制备的催化剂可用于甲醇的液相重整,在较低温度下(150-190摄氏度)能够表现出很高的产氢活性,可达每摩尔铂每小时产氢18,046 摩尔,其关键在于α-MoC突出的解离水的能力以及铂和α-MoC协同活化并重整甲醇的能力。

相关研究论文发表在2017年4月6日Science上。同时,该团队在在水煤气变换产氢过程(CO+H2O=CO2+H2)中也突破了低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题,并于2017年6月在Nature发表。

马丁研究组合影(右一为马丁)

马丁研究组集中围绕能源相关的催化过程,研究工作针对我国社会能源和资源利用过程中的氢气制备输运,以及高值碳基化学品合成等,聚焦这些过程中的C-H键、O-H键、C-O键等化学键的活化和重组等具有挑战性的科学前沿问题,通过对催化剂和催化反应过程的创新,结合原位表征手段来解决能源转化过程中的重要科学问题。

研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统

北京大学集合分子医学研究所、信息科学技术学院等单位的多学科交叉研发团队,在程和平院士的带领下,在自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目的支持下,运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电学等技术,在高时空分辨在体成像系统研制方面取得突破性技术革新,成功研制出2.2克微型化佩戴式双光子荧光显微镜,在国际上首次记录悬尾、跳台、社交等自然行为条件下,小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。

FIRM-TPM以及实验动物的实物图

此项突破性技术将开拓新的研究范式,在动物自然行为条件下,实现长时程观察神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理,这样,不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程,还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。

该研究成果于2017年7月发表于Nature Methods(IF 25.3),并申请了6项国家发明专利和1项国际专利。

三种模式在神经元树突和树突脊成像中的成像质量对比

冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在Light:Science&Application发文评述中写道:“从任何一个标准来看,这款显微镜都代表了一项重大技术发明,必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代,即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测,从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问,这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”

2017年10月,2014年诺贝尔生物学或医学奖获得者Edvard.I. Moser博士专程访问北大微型化双光子显微镜跨学科联合实验室,他对微型化双光子显微镜给予了很高赞誉,称其将为神经科学研究,特别是他研究的大脑空间定位神经系统提供一个“革命性”的新工具。

2017年8月,国家自然科学基金委员会专门印发简报分送中共中央办公厅、国务院办公厅、全国人大、全国政协办公厅向国家领导汇报该项重大科研成果,称该项目将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用。

该项成果作为国家近年来重大仪器专项的产出代表成果之一,现已入选“2017年中国生命科学十大进展”和“2017年中国十大医学科技新闻”。

2015年8月24日,团队成员在微型双光子显微镜第一次实验成功时拍照留念。

超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统项目组成员来自分子医学研究所、信息科学学院、工学院、生命科学学院以及中国人民解放军军事医学科学院等单位。

在程和平院士把握总研发方向和整体方案的前提下,团队中陈良怡教授聚焦于组织团队学习国内外顶尖团队,主导设计微型显微镜不同光学和机械设计方案,王爱民教授负责微型化特定光纤和双光子激光器,张云峰老师指导系统控制和图像采集,周专教授指导在神经科学应用。

真正把大家的想法落到实处则离不开宗伟健、吴润龙和李明立等博士研究生同学。他们不断尝试,最终将成像探头从计划书的15克重降到2.2克重。

中国发现新型古人类化石

2007年12月,周力平教授与年小美讨论取样方案。

北京大学城市与环境学院周力平教授参与了2017中国科学十大进展入选项目“中国发现新型古人类化石”的研究工作。

周力平和博士研究生年小美从2007年开始与中国科学院古脊椎动物和古人类研究所的研究人员合作,对在河南许昌灵井遗址发现的古人类化石及其所在地层进行多学科研究,取得了重要进展,许昌人化石揭示了目前未知的一种古老型人类。

这项研究填补了古老型人类向早期现代人过渡阶段中国古人类演化上的空白,表明晚更新世早期中国境内可能并存有多种古人类成员。这一研究于2017年3月3日在Science刊出,受到国内外同行的高度关注,近日被中国古生物学会评为2017年度中国古生物学十大进展之一。

 

延伸阅读:走近“中国科学十大进展”

“中国科学十大进展”由科技部基础研究管理中心牵头,联合《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》等5家编辑部共同组织,至今已成功举办13届。

中国科学十大进展涵盖自然科学所有领域的重要进展,分为推荐、初选和终选3个环节。研究进展由上述5家编辑部推荐,由两院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者经过初选和终选两轮投票选出。

该项活动旨在加强对我国重大基础研究进展的宣传,激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神,促进公众更加理解、关心和支持科学,在全社会营造良好的科学氛围。该项活动已成为我国基础研究传播工作的一个品牌,在科技界产生了良好反响。

编辑:山石


   
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