原文作者：Zeeya Merali
今年，奖金最高的科学奖项被授予mRNA疫苗先驱和下一代测序技术等。
科学家用来对付COVID-19的技术摘得了今年五个“科学突破奖”（Breakthrough Prize）中的两个大奖。每个奖项的奖金为300万美元，被认为是科学和数学领域最“阔绰”的奖项。一个大奖颁给了两位生物化学家，表彰两人发现了将信使RNA这种遗传物质导入细胞的方法，并由后人在此基础上创造出了一种新型疫苗；另一个大奖被授予开发出下一代测序技术的三位化学家，这项技术已被用于快速发现新冠病毒（SARS-CoV-2）的变异。获奖名单于9月9日公布。
芝加哥大学的化学生物学家Yamuna Krishnan说：“这两个大奖表彰的研究对世界产生了如此巨大的影响，以至于给它们颁奖反而抬高了科学突破奖的地位。它们拯救了千千万万的生命。”
生物化学家Katalin Karikó协助开发了将mRNA递送进细胞但又不触发多余免疫反应的方法。来源：Hannah Yoon/Bloomberg/Getty
今年，辉瑞-BioNTech和Moderna的疫苗在全球接种，这种疫苗递送的mRNA能指导细胞制造新冠病毒刺突蛋白，从而调动身体产生抗体。但曾有几十年的时间里，mRNA疫苗被认为是不可行的，因为注射mRNA会诱发不必要的免疫反应，导致mRNA被即刻降解。该奖项的两位获奖者分别为就职于宾夕法尼亚大学和德国BioNTech的Katalin Karikó，以及同样来自宾大的Drew Weissman，两人在2005年前后发现，将mRNA中一种称为尿苷（uridine）的分子替换成类似的分子假尿苷（pseudouridine），就能避免这种免疫反应的发生[1]。
诺贝尔奖得主、哈佛大学化学生物学家、Moderna的科学顾问Jack Szostak说：“对于开启了这一切的研究而言，这个奖项是众望所归的，而且非常及时。最励志的是，一开始居然没人相信它有用。”
屡遭拒绝
Karikó还记得她的研究在90年代常被质疑，导致她错失了无数研究经费，稿件屡屡被拒（包括如今为她赢得大奖的那篇05年的论文），为此她不得不被迫降职减薪。她说：“那时候肯定不是什么‘曲速’（暗指美国的疫苗“曲速行动”）”。Karikó希望能将部分奖金投入到今后对mRNA疫苗和疗法的研究中，比如针对癌症的研究。“我很高兴能成为对此（疫苗）有贡献的一员，但这几十年来能走到今天，还需要很多领域取得的无数不可思议的进展，我敬佩参与其中的数百位工作者。”
第二个生命科学大奖被授予剑桥大学的Shankar Balasubramanian和David Klenerman，以及研究公司Alphanosos的Pascal Mayer，表彰他们在00年代中期发明的一种技术，这种技术能平行成像和读取数十亿个DNA片段，将测序速度提高了几千万倍。得奖者Balasubramanian说：“我很震惊，我对我们可以得奖深感荣幸。”
他回忆起自己在90年代对人类基因组计划充满热情，当时该计划主要依赖桑格（Sanger）测序——最早的基因测序方法——一次测一个DNA片段。但他很快意识到，基因测序需要发生巨大转变，提升规模，以更快、更平价的方式实现医疗获益。
从桑格测序到下一代测序的飞跃，Krishnan将其比作是从莱特兄弟的飞机到波音飞机。她指出，快速高效的测序技术对于遗传医学，以及揭示蛋白质结构及动力学、CRISPR基因编辑技术、RNA生物学的根本性进展来说都是不可或缺的。
第三个生命科学大奖颁给了美国加州斯克里普斯研究所（Scripps Research）的化学生物学家Jeffrey Kelly，表彰他揭示了蛋白质错误折叠在淀粉样变性中的作用——这种病理情况会影响心脏在内的器官并导致神经退变，奖项还表彰他研发出了对此的有效疗法。
完美计时
基础物理学突破奖颁给了东京大学光物理学家香取秀俊（Hidetoshi Katori）和美国国家标准与技术研究院的叶军，表彰他们发明了光晶格钟。这种钟在逾150亿年里的误差不超过1秒[2,3]，将时间测量的精确性提高了1万倍。
英国国家物理实验室的光物理学家Helen Margolis说，这一奖项“实至名归”。
香取秀俊（左）和叶军发明了光晶格钟。来源：东京大学/叶军
过去最先进的铯钟，其原理基于测量铯原子在两种能态间转换时释放的微波，该过程由微波轰击铯原子云触发。光晶格钟则利用可见光轰击锶原子，再测量释放的可见光，其频率比微波频率高10万倍。叶军说：“这意味着你可以测量更快的走时。”
这种钟还使用激光让数千个原子在晶格结构中保持静止，从而实现更高的准确度，但这也带来了新的挑战。叶军说：“囚禁原子的行为本身就可能会扰乱它。”每一个能态通常受到不同程度的干扰，所以关键是要找到两个被干扰程度相同的能态，这样在测到其差异时就能抵消这种影响。
Margolis说，多亏了准确度和稳定性的提升，“光晶格钟可以探测前所未见的效应。” 香取秀俊和同事在2020年报道，他们使用了两个钟，一个放在东京晴空塔脚下，另一个放在塔顶450米高的地方，从而对广义相对论进行了迄今为止最精确的地面测试[4]。与此同时，叶军团队正在探寻某种暗物质候选体的存在对光学钟走时的影响[5]——暗物质被认为是组成宇宙绝大部分的神秘物质。这些钟还可以用于改进对地震和火山活动的早期预测，以及对海平面上升的精确测量。
数学突破奖颁给了日本京都大学的望月拓郎（Takuro Mochizuki），以表彰他拓展了对名为“holonomic D- modules”的代数结构（与特定类型微分方程有关）的理解，以处理这类方程中尚无明确定义的地方。
俄籍以色列裔亿万富翁Yuri Milner于2012年创立了科学突破奖。如今，这些奖项由Milner和其他互联网企业家赞助，包括Facebook的首席执行官Mark Zuckerberg。
参考文献：
1. Karikó, K., Buckstein, M., Houping, N. & Weissman, D.Immunity23, 165–175 (2005).
2. Nicholson, T.L.et al. Nature comms.6, 6896 (2015).
3. Ushijima, I.et al. Nature Photon.9, 185–189 (2015).
4. Takamoto, M.et al. Nature Photon.14, 411–415 (2020).
5. Kennedy, C. J.et al. Phys. Rev. Lett.125, 201302 (2020).
原文以COVID advances win US$3-million Breakthrough prizes为标题发表在2021年9月9日的《自然》的新闻版块上
nature
doi: 10.1038/d41586-021-02449-y
