南方周末研究院发布《2025年度十大科创突破》｜2025科创大会

罗仙仙 南方周末研究院研究员

今天，科创已成为推动社会发展的核心驱动力。

它不仅重塑着我们的生活方式，从智能家居到自动驾驶，让日常更加便捷高效，还深刻改变着经济发展模式，催生新兴产业，更在应对气候变化、资源短缺、疾病威胁等全球性挑战上发挥着至关重要的作用。

每一年都有众多令人瞩目的科创突破，不断拓展着人类认知的边界，推动着社会迈向新的高度。2025年，南方周末科创力研究中心连续第四年发布“年度十大科创突破”，围绕“生存”“发展”“去未来”三个维度，选取在2024-2025年度发生的重大科创事件，探寻那些即将改变我们生活、推动社会进步的科创力量。

生存

1. 多器官衰老时空图谱

2024年11月27日，中国科学院动物研究所、北京基因组研究所以及华大生命科学研究院的合作研究团队，在《Cell》发表研究论文，Spatial Transcriptomic Landscape Unveils Immunoglobin-associated Senescence as a Hallmark of Aging。该研究利用时空组学技术，构建了全球首个多器官衰老时空图谱（命名为Gerontological Geography，简称GG）。

研究团队通过对数百万空间位点的精细解析，构建了小鼠9种组织器官（海马体、脊髓、心脏、肺、肝脏、小肠、脾脏、淋巴结、睾丸）的高精度衰老空间地图，揭示了72种细胞类型的分布特征。同时，通过开发新的空间组织结构熵分析方法，评估了衰老过程中组织器官结构混乱程度的变化，发现了跨组织器官水平的空间结构失序和细胞身份丢失是系统性衰老的共性特征。研究团队还进一步证实，免疫球蛋白IgG能直接引起人类和小鼠的巨噬细胞及小胶质细胞衰老，并释放炎症因子。

▲空间转录组图谱揭示免疫球蛋白相关衰老表型。图片来源：cell

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.019

价值与影响：该研究成果为理解衰老如何在不同器官中异步、非线性地发生提供了关键线索，同时拓展了传统衰老标志物的范畴，为延缓衰老及防治相关疾病开辟了新路径。

1. AlphaGenome预测DNA变异对基因调控的影响

2025年6月25日，DeepMind推出DNA序列模型AlphaGenome，能够精准预测人类DNA序列如何调控生物过程。该模型能够一次性输入100万个碱基对，并在单碱基对的精度上预测数千种表征其调控活性的分子特性，还可通过比较突变序列与未突变序列的预测值，来评估基因变异或突变的影响。预测的属性包括不同细胞类型和组织中基因的起始和终止位置、基因的剪接位置、产生的RNA水平，以及哪些DNA基因座是可及的、彼此靠近的或被某些蛋白质结合的。

AlphaGenome架构使用卷积层初步检测基因组序列中的短模式，利用Transformer 在序列的所有位置之间传递信息，并通过最终的一系列层将检测到的模式转化为不同模态的预测。训练数据来自大型公共联盟（包括ENCODE、GTEx、4D Nucleome、FANTOM5）。相关研究的预印版同日发布，题为AlphaGenome: advancing regulatory variant effect prediction with a unified DNA sequence model。另外，DeepMind向非商业用途开放API接口。

▲AlphaGenome，Modeloverview.图片来源：googleapis.com

https://deepmind.google/blog/alphagenome-ai-for-better-understanding-the-genome/

https://storage.googleapis.com/deepmind-media/papers/alphagenome.pdf

价值与影响：AlphaGenome是DNA领域的里程碑式突破，意味着人类向理解生命本质又迈进一大步，其预测能力能够助力基础研究、疾病理解、合成生物学等多个研究方向，有望助力科学家解决“基因组如何影响人类疾病”这一难题。

1. AI从头设计新型抗生素

2025年8月14日，Broad研究所/麻省理工学院James Collins团队在《细胞》（Cell）发表论文A generative deep learning approach to de novo antibiotic design。研究团队开发了一种生成式人工智能框架，通过基于片段的方法（CReM）和无约束的从头化合物生成法（VAE），并使用遗传算法和变异自动编码器，共生成了超过3600万种从未被记录具有预测抗菌活性的化合物。

经过筛选，研究团队合成了生成的24种化合物，有7种表现出选择性抗菌活性，最终他们成功设计出两种新型抗生素分子，能够快速、精准地杀灭淋病奈瑟菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等耐药菌，显著降低小鼠体内细菌的负荷量，且对人类细胞具有安全性。

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https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00855-4

价值与影响：耐药菌增加了人们治疗感染性疾病的难度，耐药菌在持续进化，研制新的抗生素成为当务之急。这一生成式人工智能框架，开拓了抗生素生成设计的新局面。

1. 单个体细胞发育成完整植株

2025年9月16日，山东农业大学、荷兰拉德堡德大学、北京华大生命科学研究院的研究团队联合在《细胞》（Cell）发表论文Time-resolved reprogramming of single somatic cells into totipotent states during plant regeneration，首次完整揭示了单个植物体细胞如何通过基因重编程“改变命运”、最终发育为完整植株的全过程。

研究团队利用单细胞测序、显微切割转录组测序和活体成像等前沿技术，完整记录了细胞命运重塑的完整路径，揭示了关键的命运分岔点：一条路径是气孔前体细胞继续分化为气孔；另一条路径是在大量合成内源生长素的推动下，单个体细胞被重编程为全能干细胞，走上胚胎发育之路。研究人员将这一关键过渡状态命名为“GMC-auxin”中间态。在GMC-auxin中间态下，大量转录因子形成高度耦合的调控网络，进而激活下游的胚胎发生程序。

▲模式图展示气孔前体细胞的两条发育路径。图片来源：cell

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01020-7

价值与影响：2005年，《科学》（Science）杂志将“单个体细胞如何发育成完整植株”列为最具挑战的125个关键科学问题之一。上述研究不仅回答了这道世纪之问，也为精准调控植物再生和定向改良作物性状提供了全新思路。

发展

1. 海水中的二氧化碳变生物塑料

2025年10月6日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所高翔团队联合电子科技大学夏川团队在《自然·催化》（Nature Catalysis）发表论文Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers，团队首次提出并验证了一种基于“电催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循环系统”。该系统可捕获天然海水中的二氧化碳，并转化为可直接进入生物制造的中间体，再进一步升级为多类高价值化学品和材料。该研究以可降解塑料单体为示范案例，有望为燃料、医药和食品配料等更广谱的产品提供生物制造平台。

为了验证整个系统的碳流向和产业可行性，研究人员通过碳同位素标记实验，证实了最终生成的琥珀酸分子中的碳原子来自最初捕获的二氧化碳。在此基础上，他们在1升和5升的发酵罐中完成了放大实验，成功实现了该研究从实验室摇瓶级到中试水平的过渡。值得注意的是，实验中产品乳酸的产生，也为拓展可降解塑料的多样性提供了新的可能。

▲海水中的二氧化碳变生物塑料。图片来源：Nature Catalysis

https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4

价值与影响：人工海洋碳循环系统建构了“绿色工厂”的雏形：先依托电催化装置将从海水中捕获的二氧化碳转化为甲酸，再通过生物催化，利用发酵罐中的工程菌，将甲酸高效转化为绿色塑料的原料。这一生产链条将有效缓解海水酸化问题，为绿色低碳材料产业提供关键的技术支持。

1. 谷歌Willow芯片实现量子计算突破

2025年10月22日，谷歌在《自然》（Nature）发表论文Observation of constructive interference at the edge of quantum ergodicity，报告他们在Willow（柳树）芯片上实现了首次可验证的量子优势算法，该算法运行速度比目前世界上最好的超级计算机快1.3万倍。这款名为“量子回声（Quantum Echoes）”的新算法运作方式相当于一种高度先进的回声。通过向量子系统（Willow芯片上的量子比特）发送精心设计的信号，扰动其中一个量子比特，随后精确逆转信号的演化过程，以“聆听”返回的“回声”。这种量子“回声”的特别之处在于，它会通过“相长干涉”（量子力学中的波动叠加效应）得到放大，极大地提高了测量的灵敏度。

在与加州大学伯克利分校合作开展的一项原理验证实验中，谷歌在Willow芯片上运行 “量子回声”算法，对两个分子（分别包含15个原子和28个原子）进行了研究，以验证该方法的有效性。量子计算机得出的结果与传统核磁共振技术的结果一致，且揭示了传统核磁共振通常无法获取的信息，这对验证该方法的有效性至关重要。

▲Willow。图片来源：Google

https://blog.google/technology/research/quantum-echoes-willow-verifiable-quantum-advantage/

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6

价值与影响：这一次谷歌对于“量子可验证性”的确认，超越了以往对“量子速度神话”的竞逐，使量子计算离实际应用更近了一步，未来有望为药物发现和先进材料设计提供强大助力。

1. 破解芳香胺百年应用难题

2025年10月27日，国科大杭州高等研究院张夏衡团队、中国科学院上海有机化学研究所薛小松团队合作，在《自然》（Nature）发表论文，Direct deaminative functionalization with N-nitroamines，突破性地提出了一种借助N-硝胺实现直接脱氨官能团化的全新方法，能够高效地将惰性芳香族碳-氮键直接转化为多种重要化学键（包括碳-卤素键、碳-氧键、碳-氮键及碳-碳键等）。该方案仅需使用实验室中常见普通的试剂，即能高效实现目标产物公斤级的规模化合成。

为了进一步提高操作便捷性，团队还开发出一种名为“一锅法脱氨交叉偶联”的策略，仅需在脱氨反应中间体之中直接加入相应的偶联试剂，就能在同一反应体系中完成多种交叉偶联反应，包括Negishi偶联、还原交叉偶联、Ullmann-Ma反应、Buchwald-Hartwig反应、金属光氧化还原催化、Hirao反应及磺酰化反应等。

▲芳香胺的直接脱氨官能团化反应。图片来源：国科大杭州高等研究院

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09791-5

价值与影响：芳香胺是药物、农药和材料分子中最常见的结构单元之一，工业领域百年来沿用“先制成重氮盐再进行后续转化”的技术路线，该技术重氮盐易爆，同时需消耗大量化学计量铜盐、产生高污染废水。上述研究成果解决了困扰行业百年的安全与效率问题，未来有望在制药、农药、材料等领域广泛应用，将对全球化学工业产生深远影响。

去未来

1. “人造太阳”EAST首次实现“亿度千秒”

2025年1月20日，中国科学院合肥物质院等离子体所开发的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST成功实现了上亿度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，较EAST此前403秒纪录延长约1.5倍，再次创造了新的世界纪录。

聚变三重积‌（等离子体温度、密度和约束时间的乘积）是衡量聚变效果的参数。由于地球上难以形成太阳内部的压强（控制密度），核聚变装置须将等离子体加热至1亿度以上，并且维持足够长的时间以触发核聚变反应。

托卡马克利用磁约束实现受控核聚变，也被誉为“人造太阳”。自2006年建成运行以来，EAST等离子体运行次数超过15万次，并在2012年、2016年、2017年和2023年，陆续实现30秒、60秒、101秒和403秒高约束模。

▲亿度千秒高约束模等离子体运行现场。图片来源：中国科学院合肥物质院

http://www.hf.cas.cn/zhxw/jrtt/202501/t20250120_7520699.html

价值与影响：研制“人造太阳”的目标是复制太阳核聚变过程，为人类提供更为丰富的清洁能源。EAST实现“亿度千秒”的新成绩，验证了高约束模式稳态运行的可行性，是聚变研究从基础科学迈向工程实践的重要进展。

1. 仿星器W7-X创下聚变三乘积纪录

2025年6月3日，德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）宣布仿星器Wendelstein 7-X（简称“W7-X”）在最新实验中创下等离子体持续时间40s以上的聚变三乘积纪录，远超托卡马克在这个时间尺度上的三乘积纪录。此前聚变三重积的最高值曾由日本JT-60U（2008年退役）和英国JET（2023年退役）创下。

仿星器是核聚变装置之一，利用磁约束来保持等离子体，等离子体被一个复杂而强大的磁场困住，飘浮在一个“甜甜圈”形的真空室中。早在1951年，美国普林斯顿大学的Lyman Spitzer首次提出仿星器的概念，并在1953年建成了首台仿星器原型机Model A。仿星器的磁场位形完全是由外部的线圈电流提供，不会产生等离子体破裂的风险，运行也就更加稳定，但其结构复杂，对设计和工程制造方面提出了更高的要求，发展比托卡马克缓慢。该实验活动在2025年5月22日结束，新型氢粒喷射器周期在其中发挥了关键作用，它将冷冻氢粒喷射到等离子体中，通过持续加氢实现了长等离子体持续时间。该喷射器由美国能源部（DOE）的橡树岭国家实验室（ORNL）开发。

▲Wendelstein 7-X实验大厅。图片来源：德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所

https://www.ipp.mpg.de/5532945/w7x?c=14226

价值与影响：此次实验的结果表明，仿星器能够实现理论预测的出色性能，有望成为未来可控核聚变发电的技术路线之一。这个案例也表明，随着多领域科学技术的齐头并进、跨国科技协作的开展，人类有可能更快找到无尽能源的终极解决方案。

10，常温高效转化甲烷为甲醇

2025年8月19日，海南大学徐月山、邓培林团队在《自然·通讯》(Nature Communications)发表论文Pd nanocatalysts engineering for direct oxidation methane-to-methanol with 99.7% selectivity，研究团队采用一步种子介导生长法，成功合成一系列尺寸不同（5nm~48nm）、以{111}晶面为主导的八面体（o-Pd）Pd纳米晶和以{100}晶面（c-Pd）为主导的六面体Pd纳米晶，并将其作为模型系统来研究观察到的结构-活性差异的根源。

团队提出了{111}和{100}晶面Pd纳米催化剂的普适合成策略，通过晶面精准调控破解了Pd催化剂结构-性能关系的长期争议，明确了d带中心驱动的弱吸附效应为提升DOMM（甲烷直接氧化制甲醇）性能的核心机制。最终实验结果显示，甲醇的选择性达99.7%，几乎实现了“零损耗”的转化，且整个过程仅需70℃的低温。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63067-0

▲DOMM性能。图片来源：Nature Communications

价值与影响：这一成果破解了长期制约可燃冰利用的世界性难题，在甲烷直接催化转化领域取得颠覆性突破，为构建具有高效、稳定和高选择性的催化体系，在相对温和的条件下实现甲烷的定向转化制甲醇奠定基础。

回望这些凝聚着无数科研人员心血与智慧的成果，我们满怀敬畏与期待。

我们也将继续带着对科创的执着与热爱，向着下一个未知的目的地，无畏探索、大胆发现、用心记录、持续学习。

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