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11月2日上午,中国科学院科技战略咨询研究院、中科院文献情报中心与科睿唯安公司在北京向全球发布了《2017研究前沿》报告和《2017研究前沿热度指数》报告。

《2017研究前沿》突出显示了等10个高度聚合的大学科领域中的100个热点前沿和43个新兴前沿。在143个前沿中,“冷冻电镜技术在生物大分子三维结构解析中的应用”是今年诺贝尔化学奖的主题,“双黑洞等双致密天体的形成及并合”与今年诺贝尔物理学奖主题引力波研究密切相关。

在《2017研究前沿》基础上,《2017研究前沿热度指数》评估了世界主要国家在上述前沿领域中的研究活跃程度。报告称,美国、中国、英国在这些前沿领域研究最为活跃。在10个领域中,美国在8个领域得分排名第一。中国在化学与材料科学领域和数学、计算机科学与工程学领域得分排名第一,显示出中国学者在这两个领域的研究前沿最为活跃。但中国在临床医学领域、天文学与天体物理领域和经济学、心理学及其他社会科学领域等3个领域得分较为靠后。

以下为大家介绍生物科学Top 10 热点前沿及重点前沿。

生物科学领域位居前10 位的热点前沿主要集中于RNA 相关研究和技术方法的突破与应用,前者主要包括环状RNA、mRNA 和lncRNA 等相关研究,技术方法的突破与应用包括冷冻电镜技术、3D 生物打印方法和脑结构的光学成像技术等。从研究内容上看,生物科学领域仍聚焦于生命科学与人类健康研究。相比其他领域,生物科学领域的热点前沿核心论文的平均出版年最年轻,均是2014 年以来。

根据核心论文数量和被引频次等指标,生物科学共遴选出两个重点热点前沿:“冷冻电镜技术在生物大分子三维结构解析中的应用”和“基于高通量的染色质构象捕获及其衍生技术应用”。

生物科学Top 10 热点前沿

中科院等发布《2017研究前沿》,生物科学领域是


生物科学Top10 热点前沿的施引论文

中科院等发布《2017研究前沿》,生物科学领域是

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重点热点前沿——冷冻电镜技术在生物大分子三维结构解析中的应用

虽然冷冻电子显微镜技术(cryo-electron microscopy,Cryo-EM)和X 射线晶体学、核磁共振被称作结构生物学研究的三大利器,但冷冻电镜技术一直是三者当中最弱的一种技术手段。冷冻电镜技术是在20 世纪70 年代提出的,但直到21 世纪初,冷冻电镜的分辨率水平依然没有得到突破,这限制了冷冻电镜在生物大分子结构解析领域的应用。

最近几年,冷冻电镜技术有了革命性的进步,空间分辨率突破原子级别,可以应用于很多以前不

能解决的生物大分子的结构研究,有越来越多的冷冻电镜技术具有里程碑意义的方法学突破和重要生物大分子结构解析成果发表在高水平的期刊上。该热点前沿的38 篇核心论文记录了这些具有里程碑意义的成果。

冷冻电镜技术之所以取得了革命性的进步,其中最主要的原因之一是电子直接探测器 (direct

electron-detector device,DDD) 的发展。2013 年10 月加州大学旧金山分校程亦凡和David Julius 的研究组,成功利用新一代DDD 相机(Gatan K2 camera) 拍摄了近九万张单颗粒图像,解析得到了瞬时受体电位(TRP)通道蛋白(TRPV1) 四聚体的3.4 Å(1Å 是1nm 的十分之一)近原子级别高分辨率三维结构,两篇论文发表在Nature 上,是该热点前沿的Top5 高被引论文,被引频次达到384 和229 次。蛋白质TRPV1 结构的确定标志着冷冻电镜技术正式跨入“原子分辨率”时代。在此之后,冷冻电镜技术取得了令人难以置信的飞速发展和广泛应用。许多难以利用传统的X 射线晶体学方法获得的重要生物大分子及复合物的结构得以解析。

2014 年,英国医学研究委员会(MRC)分子生物学实验室的Sjors Scheres 等通过改进电子显微镜技术,成功获得了酵母菌的线粒体核糖体大亚基的图像,分辨率达到3.2 Å。2015 年,清华大学生命学院施一公教授研究团队在该前沿中贡献了两篇核心论文,首次在世界上揭示了分辨率高达3.4 埃的人体γ- 分泌酶的电镜结构,为理解γ- 分泌酶的工作机制及阿尔茨海默症的发病机理提供了重要基础。随后的研究分辨率逐步提高到 2.8 Å,2.6 Å和2.2 Å。2016 年,美国国家癌症研究所的Sriram Subramaniam 等科学家们发布的谷氨酸脱氢酶结构的分辨率甚至已经达到了1.8 Å。

冷冻电镜技术之所以取得了革命性的进步,除了图像处理硬件的突破,还得益于图像处理软件的