《科学美国人》2007年全球科技领袖揭晓

《科学美国人》2007年全球科技领袖揭晓

从人工智能到飞行汽车,众多事例表明,对技术发展过分乐观,始终是职业观察家和业余爱好者都容易犯的一个错误。然而,有时候,新的技术成就却又不负众望,甚至超出了人们对它最疯狂的想象。

创新的真谛就在于开创前无古人的全新境界,在2007年全球科技领袖中,接近这一境界者比比皆是。随便举个例子:一位研究者发明了一台仪器,测量液体体积时精度可达1仄升(zeptoliter,毫微微微升,即10-21升)。

另一位创新者设计了一种方法,无须插上电源,即可给手机充电。你只须坐在餐桌旁,几尺之外便有一只充电线圈藏在天花板内,不声不响地给你放在口袋里的手机充电。还有一位富于想象的创新者,为治疗神秘的致死性朊病毒疾病(prion diseases,如疯牛病和库鲁病)铺平了道路。

如果只是做一些枝节性工作,比如又推出一种可以调节5-羟色胺水平的抗抑郁药,或者让微处理器的处理速度又有些许提升,那就远远没有发挥《科学美国人》2007年全球科技领袖的潜力——他们有能力在卫生保健、消费电子等众多领域,为人类做出非凡贡献。他们所做的,是完完全全的创新。

全基因组扫描(Genome-wide scan)可让我们观察到与疾病相关的基因变异,图中染色体上绿色标注部分,即为与Ⅰ型糖尿病相关的基因变异。

遗传学研究不断进步,几乎每天都有新发现,科学家揭示人类所有疾病背后的基因缺陷似乎指日可待。然而,事实并非我们想的那么简单。许多常见疾病的遗传学基础错综复杂,使得疾病的预测、诊断和治疗更加繁琐。

威康信托基金会病例控制协会(Wellcome Trust Case Control Consortium,简称WTCCC)是一个由50余家英国科研机构组成的团体。面对巨大的挑战,他们最终揭开了那些受到多种基因影响的疾病的神秘面纱。研究者对17,000名英国人体内的某些特定基因变异进行了扫描,并于2007年6月公布了研究结果。

受试者被分为双向障碍组(bipolar disorder)、冠心病组、克罗恩氏病组(Crohn’s disease,又称节段性回肠炎)、类风湿性关节炎组、高血压组以及Ⅰ型糖尿病组和Ⅱ型糖尿病组,每个疾病组的受试者多达2,000人,此外还有由3,000名健康者组成的对照组。通过这项规模空前的大型实验,研究人员在人体基因组中找到24处位点,这些位点与上述7种疾病中的6种有关。

WTCCC的研究者将每一个疾病组中患者的基因与健康组的基因进行对照,并锁定了两组人群间DNA碱基有差异的位点。如此大规模的研究,可以让研究者辨识出罕见的基因异常。研究发现:有的位点存在于基因的编码区;有的位于非编码区,这些区域可能具有调控其他基因功能的作用;还有一些位点则落在了“基因荒漠”之中,也就是非编码区内功能尚不明确的地方。上述基因变异本身可能并非这些疾病的诱因,但它们如同一个个路标,可以指引其他研究者在更精细的尺度上对DNA进行研究。

人类基因组共有60亿个核苷酸,两套染色体各贡献30亿个,而每个人都有自己独特的版本,这就是基因组的多态性(polymorphism)。在这一领域内的研究,如WTCCC开展的相关研究,可为内科医师提供基因变异情况的统计模式谱,帮助他们估测患者遗传性疾病的发病几率。这一工作的最终目标是实现个性化医疗(personalized medicine)——只要提供一份血样,让医生分析整套基因,就能确定他容易患哪些慢性疾病,并制订出最有利于健康的食谱及锻炼计划。一旦患病,医生也能知道,哪种药物、多大剂量对他最为有效。

乙醇并非蕴能最丰富的燃料,而且价格不菲。位于美国加利福尼亚州埃默里维尔市的阿米瑞斯生物技术公司(Amyris Biotechnologies)提出了一个也许更好的解决方案。阿米瑞斯公司先列出一长串有机化合物作为候选,这些化合物具有替代汽油、柴油和航空燃油的潜力,可以在现代发动机中燃烧,并与现有的石油基础设施兼容;而后,公司设计改造了一些微生物,它们可以使制造乙醇的常规原料发酵,从而得到新型燃料。

构建新的酵母菌株是基因科学的一个壮举。要实现这一目标,就得对酵母菌基因组进行实质性改造。研究者把来自一种原始植物和另外两种生物的基因植入到酵母中,并对此前已存在的一条生化途径(biochemical pathway)进行精细调整。由此得到的基因工程酵母燃料产量提高了100万倍。

作为新兴的合成生物学的领导者,阿米瑞斯公司因培育出了一株酵母菌而声名鹊起,该酵母菌可大规模生产抗疟药物青蒿素(artemisinin)的前体物质。在此之前,青蒿素的生产依赖于一种供应紧缺的亚洲植物。阿米瑞斯公司被世界经济论坛(World Economic Forum)评选为2006年度技术先锋。向发展中国家提供价格低廉、实现工业化生产的青蒿素,是该公司的目标之一。目前,这一目标即将实现。

阿米瑞斯公司坚信,凭借他们的专长,在生物燃料领域也能够获取同样的利润。他们开始寻求一种燃料,可以在实验室中生产,并能达到能值、挥发性及水溶性的标准。

药物和生物燃料都可以用经过基因工程改造的细菌来生产,但二者又有区别,药物可以很昂贵,但生物燃料要用于现实生活就必须足够便宜。所以,阿米瑞斯公司需要对每一菌株进行优化,使产生的燃料对微生物自身无毒无害,而且产量必须足够高,使燃料经济实用。在大规模化工生产的历史上,这一计划涉及的精深专业技术是史无前例的。2007年6月,阿米瑞斯公司邀请了几位石油工业领域的专家加盟管理团队。这项技术从实验室向商业化的跨越已隐约可见。

重赏之下,必有勇夫。数百万美元高额奖金的诱惑,使发明家们争先恐后地投身到太空旅行、DNA测序、汽车节油及机器人技术等领域的突破性研发热潮之中。

1927年,查尔斯·A·林白(Charles A. Lindbergh)从纽约起飞,不着陆直抵巴黎的壮举,令当时的航空业界惊叹不已。林白冒此大险不光是为了寻求刺激,他还看中了奖金达25,000美元的奥泰格大奖(Orteig Prize)。今天,类似情节再度上演:已有12年历史的非营利机构艾克斯大奖基金会策划并组织了形形的科技擂台赛,吸引众多创新好手们积极参与。

该基金会设计的游戏方案是,确定一个造福全人类、激动人心的目标,以一笔丰厚的奖金为诱饵,从参赛的民间团队中选拔出拥有最佳设计和发明的优胜者。按照他们的设想,冲着艾克斯大奖的声望,参赛者们必将全力以赴,投入甚至会远远超过该基金会在授奖仪式上颁发的奖金。

事实验证了这一预见。基金会在1995年定下了一个目标:“开创个人航空业,让太空旅行成为人人都能享受的时尚消遣——不但安全可靠,而且花费低廉。”2004年,莫哈维航空航天冒险公司(Mojave Aerospace Ventures)率先制造出一架能够抵达低地轨道、返回地球,并在两周内再次飞入太空的太空飞机,勇夺安萨里艾克斯大奖(Ansari X Prize)。参与此项竞争的团队多达26个,花在研究开发上的费用总计超过一亿美元。

基金会在2006年底设立了第二项大奖,名为阿康艾克斯大奖(Archon X Prize),奖金高达1,000万美元。这项大奖将颁给第一个能在10天以内,用不到100万美元的费用,完成100个人类基因组序列分析的民间团队。至少4个团队报名参加了这场角逐,他们面临的艰巨任务是,发明一种能够正确测出每条基因组上98%的基因序列,且错误数不超过6万处的仪器。

获奖的技术可望大大加快某些新发现的推广应用,比如全基因组关联研究(Genome-Wide Association Study),这类研究通过分析大型患者群体,鉴别可能导致复杂遗传疾病的基因。阿康艾克斯大奖有一位声名显赫的支持者——著名理论物理学家霍金,他正在遭受肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis)的折磨。

2007年4月,艾克斯大奖基金会还设立了汽车艾克斯大奖(Automotive X Prize),征求第一种能够只花1加仑(约4.55升)汽油跑满100英里(约160千米)的量产型汽车。2007年9月,基金会又宣布推出奖金为3,000万美元的谷歌月球艾克斯大奖(Google Lunar X Prize),准备奖给第一个发射飞船降落月球的民间团队。可能有些人的确是冲着钱来的,但毫无疑问,艾克斯大奖基金会摆下的众多擂台,已经让全球无数创新者跃跃欲试。

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以下为《科学美国人》2007年全球科技领袖全部名单

18.南希·R·索托斯、斯科特·R·怀特,美国伊利诺伊大学香槟分校(研究)

24.斯蒂娜·M·塔克、埃斯特·奥、胡安·C·特龙科索,美国约翰·霍普金斯大学医学院(研究)

47.劳伦斯·C·罗梅,美国宾夕法尼亚大学、马萨诸塞州伍兹霍尔市海洋生物学实验室(研究)

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