讓人沸騰的七顆星

關(guān)毅 (本刊特約記者)

科學(xué)時評

讓人沸騰的七顆星

關(guān)毅 (本刊特約記者)

在距地球約40光年的寶瓶星座，圍繞一顆紅色超冷矮星TRAPPIST-1，運(yùn)行有7顆與地球大小、溫度相似的行星。它們運(yùn)轉(zhuǎn)軌道與母星接近，接收到的光照與太陽系金星、火星或地球相似。這些巖態(tài)行星均可能有液態(tài)水存在，其中已有3顆行星被確定位于宜居帶，是潛在的生命家園。這簡直如同太陽系的翻版。7顆行星相距不遠(yuǎn)，如果站在其中一顆行星的表面，就可以欣賞其他行星的升起和落下。按照美國航天局的說法，這一最新發(fā)現(xiàn)是人類尋找宜居環(huán)境、生命家園這一“拼圖中的重要一塊”。整個天文學(xué)界為之沸騰。全球網(wǎng)友也瞬間“嗨”了起來，有人甚至號召捐助制造飛船。廣漠宇宙，我們是否孤單存在？——回答這一問題是科學(xué)的第一要務(wù)。今天的人類無從知曉，那個尚未被命名的星系是否也有游魚飛鳥、快樂的山歌和多情的姑娘。不過有件事可以肯定，數(shù)十億年后，當(dāng)太陽年邁，TRAPPIST-1仍將是名“少年”。也就是說，它的未來存在無限可能。

科學(xué)家繪制西紅柿風(fēng)味改良路線圖

櫻桃大小的西紅柿，登上2017年1月27日出版的美國《科學(xué)》雜志封面。以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科學(xué)家為首的研究團(tuán)隊(duì)在這篇封面文章中描繪了西紅柿風(fēng)味改良路線圖。

西紅柿，又稱番茄，是常見的蔬菜作物。近年來，消費(fèi)者常常抱怨“現(xiàn)在的西紅柿越來越?jīng)]有以前的味兒了”。為解決這個問題，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員黃三文和美國佛羅里達(dá)大學(xué)教授哈里?克萊組成的研究團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)了西紅柿風(fēng)味的物質(zhì)組成和遺傳位點(diǎn)，為培育更美味的西紅柿奠定基礎(chǔ)。

研究人員成立了一個170人的“品嘗小組”，對100多種西紅柿進(jìn)行多次嚴(yán)格品嘗實(shí)驗(yàn)。通過復(fù)雜的統(tǒng)計模型分析，研究人員最終確定了直接影響西紅柿風(fēng)味的33種重要物質(zhì)，包括葡萄糖、果糖、檸檬酸、蘋果酸以及29種揮發(fā)性物質(zhì)。

在此基礎(chǔ)上，他們分析來自世界各地的400多份西紅柿的風(fēng)味物質(zhì)含量，并進(jìn)行基因組測序和生物信息學(xué)分析，獲得了控制風(fēng)味的250多個基因位點(diǎn)，從而首次闡明了西紅柿風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)。其中，有兩個基因位點(diǎn)控制含糖量，5個基因位點(diǎn)控制酸度。

研究人員進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)之所以“西紅柿沒有以前的味道了”，是由于現(xiàn)代育種過程過于注重產(chǎn)量、外觀等品質(zhì)，導(dǎo)致控制風(fēng)味的部分基因位點(diǎn)丟失，造成13種風(fēng)味物質(zhì)含量在現(xiàn)代西紅柿品種中顯著降低，使得西紅柿口感變差。例如，人們在育種過程中選擇個頭更大的西紅柿，但代價是含糖量下降。

(圖片來源：Carlos Larios)

“我們的研究最重要的價值是，從化學(xué)物質(zhì)和遺傳方面，為今后西紅柿風(fēng)味育種提供了一個切實(shí)可操作的路線圖，”黃三文說。

研究人員發(fā)現(xiàn)，檸檬酸和蘋果酸是西紅柿中的主要酸類物質(zhì)，檸檬酸能提高西紅柿風(fēng)味，但蘋果酸降低風(fēng)味，研究人員找到了能夠降低蘋果酸而提高檸檬酸含量的技術(shù)路線。他們還發(fā)現(xiàn)香葉醛等能增強(qiáng)果實(shí)甜感，進(jìn)而找到了控制這些風(fēng)味物質(zhì)含量的遺傳位點(diǎn)，從而用來培育含糖量不增加但是甜感更強(qiáng)的新品種。

黃三文說，他們跟相關(guān)單位合作，已經(jīng)培育出含糖量提高的西紅柿新品種。下一步是進(jìn)一步提高有益揮發(fā)性物質(zhì)的含量，培育出更美味的西紅柿品種，力爭恢復(fù)西紅柿原來的濃郁風(fēng)味。

雙胞胎宇航員研究揭示空間旅行壓力

分析表明近一年在軌使基因表達(dá)發(fā)生變化

來自美國宇航局(NASA)史無前例的雙胞胎研究的初步結(jié)果，詳細(xì)分析了宇航員Scott Kelly(曾在太空中連續(xù)停留近一年時間)及其同卵雙生兄弟Mark Kelly之間的遺傳學(xué)差異。在Scott進(jìn)入太空之前、期間和之后進(jìn)行的測量揭示了其基因表達(dá)、脫氧核糖核酸(DNA)甲基化和其他生物學(xué)標(biāo)記發(fā)生的變化，而這很有可能歸因于他在軌道上度過的時光。

紐約市維爾康奈爾醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)家Christopher Mason指出，從雙胞胎的染色體長度到他們腸道中的微生物，“幾乎每個人都報告說看到了差異?！盡ason和其他項(xiàng)目科學(xué)家在2017年1月26日于得克薩斯州加爾維斯頓召開的NASA人類研究計劃的一次會議上報告了初步研究結(jié)果。Mason說：“這些數(shù)據(jù)是如此新鮮，以至于它們中的一部分來自于測序機(jī)器之外?！?/p>

NASA宇航員Scott Kelly(左)與Mark Kelly(右) (圖片來源：Pat Sullivan/AP Photo)

Scott于2016年3月結(jié)束了在國際空間站為期約一年的任務(wù)并返回地球，他這次任務(wù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是參與這項(xiàng)雙胞胎研究?？蒲腥藛T在Scott執(zhí)行這次任務(wù)之前、期間和之后，采集了他的血液等生物樣本，然后與從Mark身上采集的樣本進(jìn)行對比，分析太空飛行對人類遺傳物質(zhì)和腸道微生物等多方面的影響。

NASA近日公布的初步研究結(jié)果中已有不少發(fā)現(xiàn)，如在太空執(zhí)行任務(wù)期間，Scott的染色體端粒與Mark相比變得更長，這與此前科研人員的預(yù)計恰恰相反。但是在Scott返回地面后，端粒長度很快恢復(fù)到太空飛行前水平。端粒是染色體末端的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為與人類壽命有關(guān)。為進(jìn)一步了解太空飛行對人類染色體端粒的影響，科研人員已對另外一些宇航員展開相關(guān)研究。

另外，Scott與Mark之間在基因表達(dá)方面也出現(xiàn)明顯差異。雖然同卵雙胞胎有同樣的基因組，但由于環(huán)境差異等原因，各種基因的表達(dá)程度會不同，從而導(dǎo)致生理差異。在地球上，飲食和睡眠等方面的環(huán)境不同會導(dǎo)致同卵雙胞胎之間出現(xiàn)這種差異，但Scott與Mark之間表現(xiàn)出了比通常情況更為明顯的差異。研究人員認(rèn)為這或許與Scott在太空中長期食用冷凍干燥食品以及在太空漂浮狀態(tài)睡眠有關(guān)。

NASA稱，對這項(xiàng)雙胞胎研究所獲數(shù)據(jù)的分析還需相當(dāng)長時間，由于相關(guān)數(shù)據(jù)涉及個人隱私等問題，最終可能不會公布完整數(shù)據(jù)。

Scott與Mark出生于1964年2月21日，都曾是宇航員，現(xiàn)在都已退役。Scott的太空經(jīng)歷更豐富，在太空執(zhí)行任務(wù)時間共計520天，是在太空停留時間最長的美國宇航員。Mark則在2001年至2011年間執(zhí)行過4次共計54天的太空飛行任務(wù)。由于這對兄弟有相同基因組以及相似生活經(jīng)歷，NASA專門設(shè)計了這項(xiàng)雙胞胎研究，相關(guān)結(jié)果有助于人類深入探索太空。

個性化醫(yī)療有望為NASA在長時間宇宙航行中如何保持宇航員身體健康提供幫助，其中包括未來的火星探測之旅。例如，美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)院在1月6日表示，NASA打算利用基因測試篩查宇航員候選者的癌癥易感性。

無論如何，這項(xiàng)研究可謂是迄今為止進(jìn)行的最為細(xì)致的分子分析工作，并涉及了一些最嚴(yán)苛的環(huán)境。項(xiàng)目組成員之一、馬里蘭州巴爾的摩市約翰斯霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)家Andrew Feinberg表示：“這項(xiàng)研究最重要的是表明了我們有能力完成這樣的工作。”他說：“我不認(rèn)為人們會以為在太空中對宇航員進(jìn)行基因組學(xué)研究是非常容易的?！?/p>

科學(xué)家繪制量子計算機(jī)藍(lán)圖

有足球場大小 可破解現(xiàn)有難題

物理學(xué)家已經(jīng)草擬了一個使用現(xiàn)有技術(shù)的量子計算機(jī)藍(lán)圖，從而足以破解目前無法解決的重要問題，例如對巨大數(shù)字進(jìn)行因式分解。它的設(shè)計者表示，這樣的機(jī)器占地可能超過一個足球場，耗資至少1億英鎊(約合8.6億元人民幣)。

英國布萊頓市蘇塞克斯大學(xué)日前發(fā)布消息說，該?？茖W(xué)家領(lǐng)銜的一個國際團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一份有關(guān)如何建造大型量子計算機(jī)的技術(shù)藍(lán)圖，各國科學(xué)家可在這一技術(shù)架構(gòu)下合作開發(fā)性能強(qiáng)大的通用量子計算機(jī)。

研究人員在2017年2月1日出版的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上公布了這一藍(lán)圖。主持這項(xiàng)研究的蘇塞克斯大學(xué)量子物理學(xué)家Winfried Hensinger表示：“是的，它會很大，也會很貴——但現(xiàn)在絕對能夠建造它。”

一臺能夠捕獲離子的量子計算機(jī)原型(圖片來源：蘇塞克斯大學(xué))

澳大利亞悉尼市新南威爾士大學(xué)量子物理學(xué)家Andrea Morello指出，這個想法并不是建立實(shí)用量子計算機(jī)的第一個建議，它將涉及嚴(yán)峻的工程挑戰(zhàn)。但它的雄心和方法卻是顯而易見的，他說。“我認(rèn)為這是一篇具有里程碑意義的論文，并且在未來許多年，它將在學(xué)術(shù)界產(chǎn)生非常大的影響力。”

美國學(xué)院公園馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家Christopher Monroe對此表示贊同。“盡管這個建議非常具有挑戰(zhàn)性，但我希望在量子學(xué)術(shù)界有更多的人對此表示認(rèn)同?！?/p>

量子計算機(jī)建立在量子技術(shù)的基礎(chǔ)上，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機(jī)。原因之一是，傳統(tǒng)計算機(jī)中的每個比特位只有0和1兩種狀態(tài)，而一個量子比特位可以有多個狀態(tài)。量子計算機(jī)如果開發(fā)成功，將在密碼破譯等方面發(fā)揮巨大作用。

最新的這份量子計算機(jī)技術(shù)藍(lán)圖由蘇塞克斯大學(xué)、美國谷歌公司、日本理化學(xué)研究所、丹麥奧胡斯大學(xué)和德國錫根大學(xué)的科學(xué)家共同完成，詳細(xì)描繪了建造一個大型量子計算機(jī)的技術(shù)架構(gòu)。

據(jù)蘇塞克斯大學(xué)介紹，這份藍(lán)圖依賴一項(xiàng)新發(fā)明的技術(shù)，與過去的量子計算機(jī)設(shè)計中使用光纖來連接各個計算模塊不同，新技術(shù)用電場和在其中移動的離子作為連接手段，能夠讓量子比特在各個計算模塊間更快速地傳輸，從而幫助搭建大型量子計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)的計算處理能力。

Hensinger說：“建造大型量子計算機(jī)無疑是一個非常大的挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在是時候基于英國在這方面的突破性技術(shù)，推進(jìn)學(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化成實(shí)際應(yīng)用。”

研究團(tuán)隊(duì)將這份技術(shù)藍(lán)圖介紹給科學(xué)界同行以及科技行業(yè)后，接下來計劃在蘇塞克斯大學(xué)，按照藍(lán)圖中的技術(shù)架構(gòu)建造一個量子計算機(jī)的原型設(shè)備。

近來全球許多國家和機(jī)構(gòu)都在爭相研發(fā)量子計算機(jī)，如美國宇航局、谷歌公司等機(jī)構(gòu)合作開發(fā)的D-Wave量子模擬機(jī)對某些問題的求解速度已超過傳統(tǒng)計算機(jī)1億倍。但學(xué)術(shù)界還是有許多人認(rèn)為這不是真正的通用量子計算機(jī)。

巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然將阻礙任何渴望建造量子計算機(jī)的研究團(tuán)隊(duì)，例如如何制造所需的強(qiáng)磁場梯度以及工程師如何精確操控所需的量子比特。但Hensinger和他的同事正在根據(jù)自己的設(shè)計建造一個原型，從而證明他們的計劃真的能夠運(yùn)行。

Morello表示：“建造這種量子計算機(jī)將是一個非凡的工程挑戰(zhàn)，但這是值得追求的事情。”

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)7顆類地行星

有助研究行星形成及尋找

外星生命

在太陽系之外，有7顆地球般大小的行星沐浴在母星清涼的紅光中。盡管距離地球只有12秒差距(約為39光年)，然而這一系外行星家園卻一直被地球上的行星獵人們所忽視。

如今，美國宇航局(NASA)在2017年2月22日說，一個國際天文學(xué)家小組在距離地球約39光年外發(fā)現(xiàn)圍繞單一恒星運(yùn)行的7顆系外行星。天文學(xué)家認(rèn)為，這一酷似太陽系的行星系，堪稱迄今尋找外星生命的最佳地點(diǎn)。天文學(xué)家之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他的系外7行星系統(tǒng)，但這是第一次有如此之多與地球大小相仿的系外行星被發(fā)現(xiàn)。它們都與母星處于正確的距離中，換句話說，這些行星的表面都可能有液態(tài)水存在。

“這個7行星系統(tǒng)真的讓人難以置信。”馬里蘭州綠帶市NASA戈達(dá)德空間飛行中心天體物理學(xué)家易麗薩·昆塔納說，“你可以想象附近有多少恒星可能蘊(yùn)含著無數(shù)的行星?！?/p>

“這一發(fā)現(xiàn)提示我們，尋找第二個地球不是‘能否’的問題，而是‘何時’的問題?！盢ASA副局長托馬斯?楚比興在當(dāng)天召開的新聞發(fā)布會上說。

借助NASA“斯皮策”紅外探測太空望遠(yuǎn)鏡，并通過地面觀測等方式，一個國際天文研究小組在寶瓶星座中發(fā)現(xiàn)了7顆圍繞超冷矮星TRAPPIST-1運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，其中3顆已確定位于宜居帶，很可能含有液態(tài)水。

NASA表示，這是迄今在太陽系外發(fā)現(xiàn)的環(huán)繞單一恒星運(yùn)轉(zhuǎn)、宜居帶行星數(shù)量最多的一個系統(tǒng)。天文學(xué)家指出，這一系統(tǒng)可能是尋找外星生命的最佳選擇。

藝術(shù)家筆下的7顆系外行星(圖片來源：NASA/JPL-Caltech)

“我們發(fā)現(xiàn)圍繞一顆低溫小恒星運(yùn)轉(zhuǎn)著的7顆巖態(tài)行星，它們與地球大小相似，均可能包含液態(tài)水——這些都是我們已知的生命存在要素。”NASA隨后在社交網(wǎng)站推特上發(fā)帖說。

由美國、比利時、英國等國科學(xué)家聯(lián)合展開的這一研究發(fā)表在英國《自然》雜志上。研究報告作者之一、麻省理工學(xué)院(MIT)教授薩拉?西格在新聞發(fā)布會上說：“通過這一發(fā)現(xiàn)，我們在尋找宜居世界和外星生命的目標(biāo)上有了一個巨大加速的飛躍?！?/p>

2016年，比利時和英國等國的研究人員利用位于智利的大型天文望遠(yuǎn)鏡觀測發(fā)現(xiàn)，超冷矮星TRAPPIST-1每隔一定時間會變暗，說明有物體在它面向地球一側(cè)經(jīng)過。通過計算和分析，研究人員首先找到3顆行星。

隨后，借助“斯皮策”望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，天文學(xué)家將發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量增加到7顆。此后，科研人員測算出了行星的大小、質(zhì)量等?；谛行敲芏?，天文學(xué)家認(rèn)為這些行星為巖態(tài)。

TRAPPIST-1在恒星中被分類為超冷矮星，是近年來在天文學(xué)領(lǐng)域的“明星”，更是太陽系外搜尋外星生命的熱點(diǎn)地區(qū)。與太陽相比，這顆矮星由于溫度較低，因此圍繞其近距離運(yùn)轉(zhuǎn)的行星可能存有液態(tài)水。

恒星的表面溫度很高，如太陽的表面溫度為5 770 K(約5 497 ℃)。超冷矮星則是一種表面溫度低于2 700 K(約2 427 ℃)的天體，常見的褐矮星就是超冷矮星的一種。這些天體的質(zhì)量小，自身引力不足以引發(fā)核心處的氫元素發(fā)生核聚變。盡管超冷矮星永遠(yuǎn)無法走上像太陽一樣正常恒星的演化之路，但超冷矮星也不是行星，仍可以發(fā)出光和熱，使得其周圍的一小塊區(qū)域溫度適宜。天文學(xué)家預(yù)測，超冷矮星可能擁有比普通恒星更多的類地行星。

此次研究中的TRAPPIST-1，質(zhì)量只有太陽的8%，半徑為太陽的12%。天文學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)的3顆圍繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，距主星的距離都約為日地距離的十分之一，但都具有幾乎和地球相同的質(zhì)量。

報告主要作者、比利時列日大學(xué)的米夏埃爾?吉隆曾指出，在茫茫宇宙中尋找其他生命，環(huán)繞這類矮星的行星是一個比較現(xiàn)實(shí)的起點(diǎn)。他說：“這些小恒星之前被完全忽視了?！?/p>

博爾德市科羅拉多大學(xué)天文學(xué)家貝爾塔?湯普森表示：“這一系統(tǒng)將成為研究小行星進(jìn)化的一個最好的實(shí)驗(yàn)室?！?/p>

項(xiàng)目組成員之一、MIT數(shù)據(jù)科學(xué)家朱利安?威特強(qiáng)調(diào)：“這是一個有7種語言的羅塞塔石碑——7顆不同的行星將為我們提供有關(guān)行星形成的完全不同的視角。”

戈達(dá)德空間中心系外行星科學(xué)家漢娜?威克福德表示：“與我們在所有科幻小說中看到的外星世界不同，這些行星將更加特殊?！?/p>

一屋子DNA裝下全世界DNA數(shù)據(jù)存儲新法問世

人類正面臨著一個數(shù)據(jù)存儲的問題——全世界在過去兩年中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比之前的數(shù)據(jù)總和還要多，并且這種信息迸發(fā)的趨勢很快就將超過硬盤能夠承載的能力。如今，研究人員報告說，他們想出了一種新的方式將數(shù)據(jù)編碼進(jìn)脫氧核糖核酸(DNA)，從而創(chuàng)造出迄今最高密度大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲方案。

研究人員創(chuàng)建了一種在DNA中存儲數(shù)據(jù)的新方法(圖片來源：Novi Elisa/shutterstock)

在這套系統(tǒng)中，1 g DNA具有存儲215拍字節(jié)(2.15億千兆字節(jié))的能力。原則上，它可以將人類有史以來的所有數(shù)據(jù)存儲在一個大小和重量相當(dāng)于兩輛小貨車的容器中。然而這項(xiàng)技術(shù)能否起飛主要取決于成本。

用DNA存儲數(shù)據(jù)有很多優(yōu)勢。它是超級壓縮的，并且在寒冷干燥的地方可以保存數(shù)十萬年。同時只要人類社會還在讀取和書寫DNA，他們就能夠解碼這些信息。

美國哥倫比亞大學(xué)計算機(jī)學(xué)家Yaniv Erlich表示：“DNA不會像卡式錄音帶和CD那樣隨著時間而降解，并且它也不會過時?！贝送獠煌谄渌呙芏鹊姆椒?，如在一個表面上操縱單個原子，新技術(shù)可以一次書寫和讀取大量DNA，從而使其按比例擴(kuò)增。

科學(xué)家從2012年便開始將數(shù)據(jù)存儲于DNA中。當(dāng)時，哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家George Church、Sri Kosuri和同事，利用由4個字母A、G、T和C組成的DNA鏈編碼0和1的數(shù)字化文件，從而將一本具有52 000個單詞的書籍編碼到數(shù)千個DNA片段中。

然而當(dāng)時特殊的編碼方案效率相對低下——每克DNA僅能夠存儲1.28拍字節(jié)的數(shù)據(jù)。其他方法或許做得更好。但是，沒有人能夠存儲超過研究人員認(rèn)為DNA理論上可以實(shí)際處理的一半數(shù)量的信息——大約每個DNA核苷酸編碼1.8比特數(shù)據(jù)。

Erlich認(rèn)為他能夠接近這一極限。因此他與紐約基因組中心科學(xué)家Dina Zielinski分析了用于編碼和解碼數(shù)據(jù)的算法。他們從6個文件入手，包括一個完整的計算機(jī)操作系統(tǒng)、一種計算機(jī)病毒、1895年拍攝的一部叫做《拉西約塔來了一輛火車》的法國電影和由信息理論家Claude Shannon在1948年進(jìn)行的一項(xiàng)研究。

研究人員首先將文件轉(zhuǎn)換為0和1的二進(jìn)制字符串，并將其壓縮成一個主文件，然后將數(shù)據(jù)分割成二進(jìn)制代碼的短字符串。他們設(shè)計了一種被稱為DNA噴泉的算法，能夠?qū)⒆址S機(jī)打包為所謂的水滴，之后他們又增加了額外的標(biāo)簽以便以后能夠按照正確的順序重新組裝這些字符串。總的來說，研究人員生成了由72 000個DNA鏈組成的數(shù)字列表，每個DNA鏈的長度為200個堿基。

研究人員把這些文本文件交給了Twist Bioscience，這是一家位于加利福尼亞州舊金山的初創(chuàng)企業(yè)，后者對這些DNA鏈進(jìn)行了合成。兩個星期后，Erlich和Zielinski收到了一封郵件，里面有一個小瓶子，而瓶中便是編碼了他們的文件的一點(diǎn)點(diǎn)DNA。為了解碼這些DNA，兩人使用了現(xiàn)代DNA測序技術(shù)。這些序列被輸入計算機(jī)，在這里遺傳編碼被重新轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，并使用標(biāo)簽重組為6個原始文件。

研究人員在3月2日出版的《科學(xué)》雜志上報告說，這種方法工作得很好，新文件不包含任何錯誤。他們還可以通過聚合酶鏈反應(yīng)(一種標(biāo)準(zhǔn)DNA復(fù)制技術(shù))為這些文件制作幾乎不受數(shù)量限制的無差錯文件副本。Erlich說，此外，他們能夠在每個核苷酸編碼1.6比特的數(shù)據(jù)，這比之前其他的任何方法多了60%，并且是理論極限值的85%。

“我愛這項(xiàng)工作?！蹦壳肮┞氂诩永Ｄ醽喆髮W(xué)洛杉磯分校的生化學(xué)家Kosuri說，“我認(rèn)為這從本質(zhì)上是一項(xiàng)決定性研究，表明你可以用這個規(guī)模在DNA中存儲數(shù)據(jù)?！?/p>

新型口腔免疫接種技術(shù)無需打針注射

美國研究人員3月8日在《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志報告說，他們研制出一種口腔疫苗推送技術(shù)，可將疫苗噴射到動物口腔中的免疫細(xì)胞里，未來有望讓人免受注射之苦。

(圖片來源：Kiana Aran)

新型口腔疫苗推送裝置名為“黏膜噴射”，由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研究人員研發(fā)?！梆つ娚洹笔且粋€外形與普通膠囊藥相似的3D打印可降解塑料裝置，內(nèi)部存有疫苗溶液。使用者把“黏膜噴射”抵住臉頰內(nèi)側(cè)，可直接將疫苗噴射到頰區(qū)。該技術(shù)無需針頭注射器，便于攜帶，操作簡便，有望將來使人們自行進(jìn)行無痛免疫接種。

研究人員說，頰區(qū)有豐富的免疫細(xì)胞，但在免疫學(xué)上沒有得到充分利用，其原因在于現(xiàn)有技術(shù)難以讓疫苗有效滲透較厚的口腔黏膜層。

研究人員通過動物實(shí)驗(yàn)證明，“黏膜噴射”裝置釋放的高壓液體狀疫苗可以滲透口腔黏膜層，刺激頰區(qū)產(chǎn)生免疫反應(yīng)。用“黏膜噴射”向兔子口腔推送能刺激免疫的卵清蛋白，兔子的血清和口腔組織都出現(xiàn)了抗體，而且血液中的主要抗體多于用點(diǎn)滴器的方法向兔子口腔推送卵清蛋白。

“黏膜噴射”裝置包含內(nèi)外兩個隔室。外隔室儲水；內(nèi)隔室則分為相鄰兩部分，一部分裝疫苗溶液，另一部分裝化學(xué)推進(jìn)劑檸檬酸和小蘇打，中間由具有滲透性的塑料薄膜和一個可移動活塞隔開。當(dāng)使用者按動“黏膜噴射”，薄膜溶解，水遇化學(xué)推進(jìn)劑產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，氣體壓力推動活塞使液體疫苗從噴嘴中噴射出來。

研究人員說，由于壓力非常集中，噴射流的直徑非常小，因此疫苗可滲入黏膜層。噴射流壓力與牙醫(yī)所使用的水牙線相當(dāng)，不會造成太多不適感。

研究人員準(zhǔn)備下一步在較大型動物身上測試用“黏膜噴射”推送真正的疫苗產(chǎn)品。他們希望“黏膜噴射”能在5年至10年內(nèi)投放市場。

許多傳染病從口腔進(jìn)入人體，口腔疫苗推送可在口腔頰區(qū)激發(fā)免疫力。研究人員說，“黏膜噴射”技術(shù)有望加快無創(chuàng)口腔免疫接種的發(fā)展。另外，這種技術(shù)可使人自我施行免疫接種，并以粉末形式儲存疫苗，將來方便偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行免疫接種。

中國科學(xué)家在健康人中發(fā)現(xiàn)超級耐藥基因變體

中國研究人員發(fā)布最新報告稱，在健康人中發(fā)現(xiàn)可抵抗多黏菌素的超級耐藥基因mcr-1變體，而多黏菌素被視為抗生素中“最后一道防線”。這一發(fā)現(xiàn)意味著健康人能在不被覺察的情況下傳播超級耐藥基因，提示健康人中的耐藥基因攜帶情況值得關(guān)注。

這項(xiàng)研究發(fā)表在2017年3月出版的美國《抗微生物制劑與化學(xué)療法》月刊上。論文通信作者、中國疾病預(yù)防控制中心傳染病預(yù)防控制所研究員闞飆說，耐藥菌株不只存在于病人中，健康人也同樣可能攜帶耐藥基因，這是一個應(yīng)對耐藥細(xì)菌容易被忽視的公共衛(wèi)生問題。此次報告從數(shù)名健康人攜帶的沙門氏菌中找到了mcr-1基因的變異形式，與之前的耐藥基因有諸多不同。

首先，這個變體是從健康人攜帶的沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)的。以前報告攜帶mcr-1的細(xì)菌，主要是大腸桿菌、克雷伯桿菌等容易造成院內(nèi)感染的細(xì)菌，僅有少量病人體內(nèi)的沙門氏菌攜帶mcr-1耐藥基因的報告。沙門氏菌是常見的食源性致病菌，健康人攜帶含mcr-1耐藥基因的沙門氏菌，意味著他們具有傳播引起他人感染的可能性。由于健康人不會到醫(yī)院就醫(yī)和使用抗生素，因此他們會在不被覺察的情況下傳播耐藥基因。

其次，此次報告的mcr-1基因變體有兩個位點(diǎn)的變異，造成了氨基酸的改變，檢測顯示它同樣具有對多黏菌素的耐藥性。這一結(jié)果意味著，雖然這一基因變體目前尚未造成耐藥程度的升高，但這已顯示mcr-1基因也在發(fā)生變異，因此提示要持續(xù)關(guān)注不同菌株中mcr-1基因的變異，以及變異是否會造成耐藥性增強(qiáng)。

闞飆說：“這個研究發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前高度關(guān)注的mcr-1基因介導(dǎo)的多黏菌素抗性傳播的一種新途徑，即通過健康人攜帶含mcr-1基因的沙門氏菌不知不覺地傳播。”

2015年，中國首次報告在牲畜和人身上發(fā)現(xiàn)了帶mcr-1基因的細(xì)菌。這種基因由細(xì)胞中的質(zhì)粒攜帶，可以通過質(zhì)粒在不同細(xì)菌間傳播。換句話說，該基因賦予細(xì)菌的耐藥性可以傳播給其他細(xì)菌，從而可能導(dǎo)致出現(xiàn)能對抗多種抗生素的細(xì)菌，因此引起極大關(guān)注。此后，歐盟與北美也相繼發(fā)現(xiàn)了帶有mcr-1基因的細(xì)菌。

隨著抗生素使用愈加頻繁，細(xì)菌的耐藥性問題也日益凸顯，目前抗菌能力最強(qiáng)的多黏菌素被視為抗生素“最后一道防線”。當(dāng)青霉素、四環(huán)素等傳統(tǒng)抗生素逐漸失效時，醫(yī)護(hù)人員只能選擇多黏菌素。鑒于農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)中普遍使用多黏菌素，研究人員建議，應(yīng)盡可能限制多黏菌素一切不必要的使用。

科學(xué)家合成酵母染色體探尋進(jìn)化秘密

是人類首次嘗試改造并從頭合成真核生物

進(jìn)化生物學(xué)家Stephen Jay Gould曾經(jīng)尋思，如果盒式磁帶中的“生命磁帶”倒回去重新播放將會發(fā)生什么。通過從頭開始將工程染色體添加到酵母中，并觀察修飾后的生物體是否仍能正常工作，合成生物學(xué)家測試了這一概念的一個方面。

“人工合成酵母基因組計劃”研究人員2017年3月9日宣布，他們又完成了真核生物釀酒酵母5條染色體的從頭設(shè)計與全合成工作，且分析顯示全合成染色體具備完整的生命活性。至此，這一項(xiàng)目的進(jìn)程已經(jīng)過半，科學(xué)家在合成復(fù)雜人工生命的道路上取得了重大進(jìn)展。

最新研究成果當(dāng)天以7篇論文的?？胺饷嫖恼滦问皆诿绹犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表。

“人工合成酵母基因組計劃”是人類首次嘗試改造并從頭合成真核生物，旨在重新設(shè)計并合成釀酒酵母的全部16條染色體，其中第一條已于2014年宣布完成。

由于染色體有大有小，已設(shè)計并合成的染色體條數(shù)雖不及總數(shù)的一半，但整體工作量已經(jīng)過半。

該項(xiàng)目由美國國家科學(xué)院院士Jef Boeke發(fā)起，美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作，希望通過對釀酒酵母的改造，更加透徹地了解機(jī)體的生物學(xué)機(jī)制、生物學(xué)反應(yīng)、對環(huán)境的適應(yīng)性、進(jìn)化過程等，從而更好地解決人類面臨的身體健康、能源短缺、環(huán)境污染等問題。

在最新發(fā)布的成果中，中國科學(xué)家領(lǐng)銜完成了5條染色體中的4條。其中，天津大學(xué)元英進(jìn)教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成了5號、10號染色體的化學(xué)合成，并開發(fā)了高效的染色體點(diǎn)突變修復(fù)技術(shù)。

清華大學(xué)戴俊彪研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成了當(dāng)前已合成染色體中最長的12號染色體的全合成。深圳華大基因研究院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了2號染色體的合成及有關(guān)分析。

元英進(jìn)此次以唯一通信作者身份發(fā)表了兩篇論文。他在一份聲明中說：“作為真核生物的重要模式生物，化學(xué)合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株?！?/p>

釀酒酵母能夠用來制造啤酒和面包(圖片來源：Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library)

華大基因與愛丁堡大學(xué)共同完成2號染色體的從頭設(shè)計與全合成，并成功將其導(dǎo)入酵母細(xì)胞。合成酵母菌株展現(xiàn)出與野生型高度相似的生命活性。他們的分析還表明，人工設(shè)計合成的釀酒酵母基因組具有可增加、可刪減的高度靈活性。

Boeke說：“似乎我們真的可以用復(fù)雜的方式‘折磨’酵母，酵母經(jīng)常會‘聳聳肩’，然后像正常一樣生長?！?/p>

“考慮到他們在染色體中合成了536 024個堿基對，并且采用CRISPR技術(shù)對其中的45個點(diǎn)突變進(jìn)行了修復(fù)，這真是一件很振奮人心的事情?！瘪R薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家George Church表示，“它讓你覺得這可能是下一個大事件。”

項(xiàng)目國際協(xié)調(diào)人、英國愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)帶頭人蔡毅之教授表示，他們的工作是邁向設(shè)計并合成復(fù)雜人工生命目標(biāo)的一大步。簡單來講，就好像重新設(shè)計計算機(jī)的操作系統(tǒng)，但沒有改變屏幕、鼠標(biāo)等硬件。

2010年，美國科學(xué)家Craig Venter曾宣布，以支原體基因組為模板，培育出第一個由人工合成基因組控制的細(xì)胞，引起廣泛關(guān)注。蔡毅之說，他們工作的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Venter的工作。

Venter單槍匹馬獨(dú)自做，基本上是復(fù)制支原體基因組，成果并不開源；而他們是國際合作，從頭設(shè)計酵母染色體，有許多編輯刪改工作，成果對所有人開放。

蔡毅之還透露，最新發(fā)布的論文是2015年投寄的，他們目前實(shí)際上已經(jīng)完成了70%的酵母染色體設(shè)計及合成工作，預(yù)計接下來一兩年就能完成整個項(xiàng)目，“這是一個將來會進(jìn)入教科書的里程碑式工作”。

這些科學(xué)家的最新研究結(jié)果將鼓勵別人產(chǎn)生更大的夢想，Church說：“他們已經(jīng)能夠誘導(dǎo)編碼產(chǎn)生徹底的改變，從而促使你有膽量變得更加激進(jìn)?！?/p>

酵母是一些單細(xì)胞真菌，并非系統(tǒng)演化分類的單元。它是子囊菌、擔(dān)子菌等幾科單細(xì)胞真菌的通稱，一般泛指能發(fā)酵糖類的各種單細(xì)胞真菌，可用于釀造生產(chǎn)，有的為致病菌，是遺傳工程和細(xì)胞周期研究的模式生物。酵母菌是人類文明史中被應(yīng)用得最早的微生物，可在缺氧環(huán)境中生存。酵母菌在自然界分布廣泛，主要生長在偏酸性的潮濕的含糖環(huán)境中，而在釀酒中，它也十分重要。

(2017年3月23日收稿)■

(編輯：溫文)

更正啟事

本刊2017年第1期《對色彩的認(rèn)識：從感性到科學(xué)的過程》一文中有一處錯誤需要更正：文中的“坦卡門面具”應(yīng)改為“圖坦卡門面具”。在此向讀者致歉。

Exciting discovery of 7 Earth-like planets

GUAN Yi

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.02.009