2023年度中国科学十大进展发布！多项成果由高校主导或参与联合攻关
2月29日，国家自然科学基金委员会发布2023年度“中国科学十大进展”。
2023年度“中国科学十大进展”主要分布在生命科学和医学、人工智能、量子、天文、化学能源等科学领域，分别为：人工智能大模型为精准天气预报带来新突破、揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制、发现大脑“有形”生物钟的存在及其节律调控机制、农作物耐盐碱机制解析及应用、新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵、揭示人类细胞DNA复制起始新机制、“拉索”发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子、玻色编码纠错延长量子比特寿命、揭示光感受调节血糖代谢机制、发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制。
国家自然科学基金委员会有关负责人在接受新华社记者专访时表示，多项入选成果由高校、科研院所、企业等主体等联合攻关完成。研究成果充分体现了“四个面向”的战略导向，体现了研究方向向宏观、微观与极端条件拓展，体现了大数据和智能化促进基础研究新范式形成。
据不完全统计，共有7项入选成果由我国高校主导或参与联合攻关。相关成果共涉及13所高校，分别为：中国科学技术大学、中国农业大学、清华大学、上海交通大学、厦门大学、扬州大学、华中农业大学、南方科技大学、南京信息工程大学、香港大学、香港科技大学、福州大学与北京化工大学。
据不完全统计，其中4项成果由我国高校主导攻关。
一是由南方科技大学和深圳国际量子研究院的俞大鹏院士以及徐源带领研究团队，联合福州大学郑仕标、清华大学孙麓岩等团队完成的“玻色编码纠错延长量子比特寿命”。
（量子纠错过程）
量子计算机利用量子相干和量子纠缠等量子资源，从理论上讲，具有超越经典计算机的算力。但量子计算受噪声干扰，容易出现量子退相干，错误率比经典计算机至少要高十多个量级。要解决这个问题，就必须进行量子纠错，通过量子编码使得一个被保护的逻辑量子比特的相干寿命超过量子电路中最好的物理比特的相干寿命。当这种情况出现的时候，我们说这种纠错过程超越了量子纠缠的盈亏平衡点。超越盈亏平衡点是构建逻辑量子比特的必要条件。
但是，由于量子态具有不可克隆性，量子计算机无法像经典计算机一样通过备份来纠正错误，量子纠错过程，本身也会引入新的错误，造成误差的累积，甚至出现越纠越错的局面，这就是量子纠错所面临的挑战，也是量子计算面临的关键性技术挑战之一。
研究团队基于玻色编码量子纠错方案，解决了量子纠缠过程中出现的大量技术问题，并开发了基于频率梳控制的低错误率的宇称探测技术，大幅延长逻辑量子比特的相干寿命，超越盈亏平衡点达16%，实现了量子纠错增益。
该成果展示了玻色编码在容错量子计算中的潜力，是通往容错量子计算道路上的一项重要成果。
二是是由中国科学技术大学薛天研究团队揭示的“光感受调节血糖代谢机制”。
（“眼-脑-棕色脂肪轴”介导光调节血糖代谢神经机制）
光是生命产生的源动力，也是生命体最重要的感知觉输入之一。光不仅提供给我们视觉图像感知，还调节着诸如节律、睡眠、情绪等一系列生理病理过程。国内外多项公共卫生调查研究显示夜间过多光暴露显著增加罹患糖尿病、肥胖等代谢疾病风险。然而，光是否以及如何调节机体的血糖代谢，是尚未解决的重要科学问题。
中国科学技术大学薛天研究团队发现光暴露显著降低小鼠的血糖代谢能力。哺乳动物感光主要依赖于视网膜上的视锥、视杆细胞和对蓝光敏感的自感光神经节细胞（简称ipRGC）。利用基因工程手段，发现光降低血糖代谢由ipRGC感光独立介导。进一步研究发现光信号经由视网膜ipRGC，至下丘脑视上核、室旁核，进而到达脑干孤束核和中缝苍白核，最后通过交感神经连接到外周棕色脂肪组织，并最终确定了光降低血糖代谢的原因，是光经由这条通路抑制棕色脂肪组织消耗血糖的产热。进一步研究表明，光同样可利用该机制降低人体的血糖代谢能力。
这项研究发现了全新的“眼—脑—外周棕色脂肪”通路，回答了长久以来未知的光调节血糖代谢的生物学机理，拓展了光感受调控生命过程的新功能。提示现代人生活应关注健康的光线环境，控制夜间光线的波长、强度和暴露时长。这项工作发现的感光细胞、神经环路和外周靶器官，为防治光污染导致的糖代谢紊乱提供了理论依据与潜在的干预策略。
三是由厦门大学廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等发现的“锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制”。
（电化学原位透射电子显微镜技术研究锂硫电池界面反应）
锂硫电池具有极高的能量密度（2600Whkg-1）和较低的成本，然而，锂硫电池的广泛应用还未能实现，因为它在充放电过程中，电池性能会快速下降，每块电池就像一个神秘的“黑匣子”。受限于传统原位显微研究技术的时空分辨率低及锂硫体系不稳定等因素，人们对其内部发生的化学反应过程尚不清楚，无法针对性解决问题，严重阻碍其应用。
厦门大学廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等开发高分辨电化学原位透射电镜技术，耦合真实电解液环境和外加电场，实现对锂硫电池界面反应原子尺度动态实时观测和研究。发现电池活性材料表面分子聚集成为分子团进行反应，电荷转移可以首先存储在聚集分子团中，分子团得到电子但不会发生转化，直到获得足够电子后瞬时结晶转化。而没有活性的材料表面遵循经典的单分子反应途径，多硫化锂分子逐步得到电子，分步转化，最后转化为Li2S。模拟计算表明，活性中心与多硫化锂之间的静电作用促进了Li+和多硫分子的聚集，并证实分子聚集体中的电荷可以自由转移。
近百年来，电化学界面反应通常被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”单分子途径。该研究揭示出电化学界面反应存在第三种“电荷存储聚集反应”机制，加深了对多硫化物演变及其对电池表界面反应动力学影响的认识，为下一代锂硫电池设计提供指导。
四是由香港科技大学联同香港大学与其他研究所领导的“DNA复制起始新机制研究”。
（人体MCM2-7双六聚体（MCM-DH）冷冻电镜结构及DNA复制起始调控步骤）
人体大约有30万亿个细胞，都由一个微小的受精卵细胞经过无数次细胞分裂产生。所有细胞的DNA遗传信息都是完全相同的。DNA是遗传信息的“携带者”。每次细胞分裂时，它都要被准确复制。
DNA复制过程受到严格的控制。这里，我们可以看到复制是从染色体上多个地方开始，这些地方被称为复制起始位点。
这个过程分两步：首先，在起始点上组装MCM双六聚体。其次，激活MCM双六聚体，成为复制体，启动复制。如果这个过程出现问题，会导致严重的疾病，比如癌症、早衰和侏儒症等。
为了深入了解人体细胞DNA复制是如何开始的，该项研究解析了人体内的MCM双六聚体复合物的冷冻电镜结构。
在这个结构中，复制起点DNA，被固定在MCM的中央通道里，形成一个初始开口结构。形成该结构，DNA双链需要被拉伸和解开。这为进一步复制做好准备，在激活MCM过程中，DNA会被进一步打开，就像打开了一本书。然后，形成复制体，它们会沿着DNA模板进行复制，就像用复印机复印文件一样。
该项研究还发现，如果初始的开口结构被破坏，那么所有的MCM-DH就无法稳定地结合在DNA上，导致DNA复制完全被抑制，就像是复印机坏了，无法开始复印文件一样。这一发现，对癌症治疗有重要的应用价值。
因为癌症细胞，在生长过程中必须进行DNA复制。在不影响正常细胞运作的情况下，通过阻止癌细胞在DNA上组装MCM双六聚体，将会是一种全新的、有效的而且非常精准的抗癌疗法，为抗癌药物的研发开辟了新的道路。
据中国新闻网报道，该项研究的联合研究团队成员包括香港大学生物科学学院助理教授翟元梁、香港科技大学生命科学部助理教授党尚宇与香港科技大学高等研究院资深成员戴杨碧瓘教授。团队的研究成果有望被应用于研发新型、高效及更具针对性的抗癌药物，有望可以选择性地杀死癌细胞。
翟元梁表示，透过研究DNA的复制过程，我们不仅可以更深入地理解生命的基本过程，还可能为治疗癌症等疾病提供新的思路和方法。科学家们不断努力，希望未来能揭开DNA复制的神秘面纱，为人类健康和医学发展做出更大的贡献。
党尚宇说：“如何提高化疗药物作用的针对性，一直是研发抗癌化合物的重要考量。我们十分欣喜是次研究突破得到国家的肯定。我们期望未来继续在此领域作进一步研究，谱写癌症治疗的新希望。”
据介绍，“中国科学十大进展”年度评选活动自2005年启动已成功举办19届。2023年度“中国科学十大进展”由相关学科领域专家先从600多项科学研究成果中遴选出30项成果，在此基础上评选出10项重大科学研究成果。
（本报记者张滢根据新华社、中国新闻网、《科学通报》、《科技日报》、《光明日报》相关报道整理，图片来源为“中国科学杂志社”微信公众号）