国家重大科学研究计划对中国的四项重要科学研究所涉及的领域分别作了详细说明，四个项目分别是蛋白质研究，量子调控研究，纳米研究，发育与生殖研究。

蛋白质研究

量子调控研究

纳米研究

发育与生殖研究

蛋白质研究

一、重要组织和细胞的动态蛋白质组学研究

在细胞和组织等层次上，发现一批具有重要功能的蛋白质以及与疾病相关的蛋白质，并揭示其在生理病理过程中的作用机制。重点研究内容：

1．研究人类血液等组织、水稻等重要农作物、结核杆菌等病原微生物的蛋白质组。

2．研究细胞周期、细胞分化、细胞凋亡、细胞病变等细胞基本生命活动的动态蛋白质组学和亚细胞蛋白质组学。

二、蛋白质功能的三维结构基础的研究

结合本研究计划，完成一批具有重要生理功能的蛋白质和蛋白质复合体的三维结构测定和功能研究。重点研究内容：

1．与肿瘤发生与转移、基因转录调控、信号传导、生物体胁迫与响应相关的蛋白质及蛋白质复合体的三维结构、研究膜上受体蛋白及通道蛋白的三维结构。

2．在原子分辨率水平上研究动态蛋白质复合物形成过程，以及蛋白质相互识别和蛋白质动力学。

三、蛋白质质量控制、翻译后修饰和动态相互作用研究

阐明蛋白质折叠、组装、转运、翻译后修饰、动态相互作用以及异常折叠的机制，深入认识蛋白质发挥功能的分子基础。重点研究内容：

1．新生肽链的折叠和组装、蛋白质异常折叠的发生和后果；细胞内蛋白质降解的机理；胁迫条件下蛋白质的行为和命运。

2．蛋白质在细胞内的定位、跨膜转运和动态转位的机理、调节和效应。

3．蛋白质翻译后修饰的发生、调节及生理效应。

4．蛋白质分子之间的动态相互作用机制及其与蛋白质发挥功能的关系。

四、细胞分化和肿瘤发生发展过程中的转录组研究

获取细胞分化和肿瘤发生发展过程中的转录组信息；研究蛋白质-RNA作用机制，揭示蛋白质在非编码RNA参与分化过程和肿瘤发生发展过程中的调节作用。重点研究内容：

1．研究细胞水平的转录组信息，包括基因不同剪切方式的转录本，反义转录本以及小RNA (microRNA)和其它可转录片段的信息。

2．研究蛋白质在基因转录、转录后加工和翻译水平的作用机制；开展非编码RNA分子在转录调控中的作用机制研究。

3．开展参与分化过程和肿瘤发生发展过程中相关的基因表达或调控因子的研究；开展与转录调控相关的特定基因簇/蛋白质群的转录组和蛋白质组比较研究。

五、蛋白质功能与代谢性疾病发生发展相关的代谢组学研究

开展蛋白质功能与代谢性疾病发生发展的代谢组学研究，阐明与蛋白功能相关的重要代谢途径，寻找疾病分子标志物和诊断方法。重点研究内容：

1．研究基因、蛋白质和小分子代谢物对代谢网络的调控机理，研究代谢性疾病的分子机理。

2．利用代谢组学的技术和方法，发现与蛋白质代谢异常的疾病小分子标志物。

3．建立高通量的多肽组学方法和检测功能肽的研究体系，寻找多肽激素或配体信号的受体复合体，研究多肽信号转导及其生物学意义。

六、模式生物与细胞等功能系统的系统生物学

发展生物系统的结构与功能的高通量定量数据获取的新技术方法；并建立系统生物学数据的整理与挖掘方法，以及新的建模算法，获得模式生物和细胞的系统知识库和模型。重点研究内容：

1．采用模式生物与细胞分化模型为研究对象，发展高通量和定量分析功能元件之间相互作用的普适性技术；发展在体蛋白质相互作用的规模化定量检测技术；开展蛋白质动态修饰的大规模检测。

2．结合模式生物或细胞分化模型的实验数据，发展有效识别网络结构和功能模块的新算法；发展和完善对海量数据系统化、规模化的综合分析方法，以及发展可用于各类组学及其它实验数据进行对接与整合的方法与平台。

七、蛋白质研究的新技术与新方法

发展具有自主知识产权的蛋白质科学研究的新技术和新方法。重点研究内容：

1．研究高丰度蛋白质的去除新技术和低丰度蛋白的分离富集新技术；研究蛋白质高效分离和高灵敏鉴定的新技术；研究蛋白质翻译后修饰的鉴定新技术。

2．研究活细胞内蛋白质-蛋白质动态相互作用实时检测技术、细胞内蛋白质分子水平的可视化和动态三维成像新技术和新方法、多靶标和多配体的适配体分子工程技术。

3．研究蛋白质等生物大分子三维结构测定的新技术和新方法。

八、人类肝脏蛋白质组重要科学问题研究（委托军事医学科学院牵头的人类肝脏蛋白质组研究团队）

开展蛋白质组成和调控网络的研究，完善研究器官、组织、细胞水平的蛋白质组成与动态行为的技术体系。重点研究内容：

1、规模化分离鉴定肝组织和亚细胞蛋白质组，重点是鉴定低丰度表达蛋白。规模化分析肝脏翻译后修饰蛋白质，发掘一批具有重要功能的蛋白质并探讨其功能。

2、规模化研究肝脏重要蛋白质的相互作用和不同类型细胞的蛋白定位图，揭示肝脏重要功能的调控网络及细胞活动过程中蛋白质的转位。

3、重点发展蛋白质组数据的整合、分析和预测新方法。研究人肝脏蛋白质抗体及芯片制备、规模化蛋白质定量等新技术、新方法。

九、膜蛋白和蛋白质复合体的功能与结构研究（委托中国科学院生物物理所）

建立膜蛋白、蛋白质复合物制备、结构解析及其在亚细胞、细胞、活体等层次功能分析的研究体系，选择具有重大科学意义的膜蛋白和蛋白质复合体的功能与结构基础开展探索研究。重点研究内容：

1．与能量代谢、病毒感染、免疫识别、基因组稳定、膜转运、蛋白质生物合成和降解等过程相关的重要蛋白质复合体的功能、结构和相互作用分子机制研究；

2．建立膜蛋白与蛋白质复合体功能与结构的研究平台，重点探索膜蛋白、蛋白质复合物高效制备与结晶，冷冻电镜，分子成像等新方法。

量子调控研究

一、量子计算的物理实现和关键量子器件

量子计算具有很强的并行处理数据能力，采用适当量子算法可以解决现有电子计算机无法实现的某些难解问题，如大数因子分解和量子体系演化的模拟等。目前量子计算无法实现的主要瓶颈是尚未找到适合于制作量子计算机的物理体系。本方向重点研究基于量子点和线性光学的量子计算，以及关键的量子器件。申请者可选择以下部分内容：

1．基于量子点量子计算的物理实现

2．连续变量线性光学的量子计算

3．冷原子系综的量子信息存储和处理

4．可控单光子源

5．单光子探测原理和技术

二、关联电子态研究和新型信息载体探索

关联电子系统中电荷、自旋、轨道等自由度和有序相之间存在复杂的共存与竞争关系，通过调节外界参量，可以实现不同有序相之间的转换和调控，由此导致新的量子临界现象。这些新的量子态具有许多非寻常的特性。研究这些新奇量子态的性质，寻找新的信息载体，探索新的信息传输过程和调控机制，可以为开发下一代信息技术打下物理基础。申请者可选择以下部分内容：

1．在半导体、铁磁/半导体、稀磁半导体/半导体结构中自旋产生、注入和调控的物理原理，发展适合器件应用的自旋极化产生与注入的有效方法，探索自旋电子器件。

2．关联系统中多种有序相之间的竞争和量子相变，包括电子或原子的电荷密度、自旋和轨道自由度的相互作用与竞争所导致的非常规超导态及赝能隙效应；冷原子系统中的玻色－爱因斯坦凝聚(BEC)及BCS-BEC转变；电荷与自旋的量子霍耳效应；超流体、金属与绝缘体之间的相变；重费米子体系中的量子相变现象等。研究低维电子系统中由于量子涨落和量子相干导致的基态简并、阻挫、纠缠、序竟争和量子相变，探索实现量子调控的可能途径。

3．探索和制备具有新奇量子特性的新材料，发展新的实验测试手段。要注重和加强过渡金属氧化物、镧系和锕系化合物, 巨热电效应材料、巨光学非线性材料、超导、半金属（half metal）材料等新材料的探索。

4．发展有效的解析和数值研究方法，紧密结合实验研究，探索微观关联系统的物理规律，预测材料的结构和物理性质及其相互关系，预言新的实验现象，为新奇量子现象的探索和新型功能材料的开发应用提供科学依据，指导新材料和新器件原理的探索。

三、受限小量子体系的行为及调控

发现受限小量子体系中的新现象和新效应, 探索对受限小量子体系进行能级和波函数调控的方法和规律,建立受限小量子体系的量子调控理论,为未来的信息技术提供科学基础。申请者可选择以下部分内容：

1．通过物理和化学方法对小量子体系进行结构调整，构筑特定构型和性能的新体系。

2．通过结构调控和外场调控，实现对能级、波函数的量子调控，并研究体系的量子输运特性。

3．操纵分子体系的自旋态以调控自旋极化磁学等性质。

4．研究小量子体系的发光性质、光谱特性和分子体系光电效应中的电荷输运及能量转化动力学。

5．耦合体系以及体系与环境间相互作用的调控，探索信息控制检测、存储与读取的方法。

四、人工带隙材料

通过物理和化学的手段，人工制造带隙材料，实现可控制的诸如具有矢量特性的光子态和张量特性的声子态等，研究微结构导致的新现象以及交互作用带来的新效应，研制各类新型器件，针对未来信息技术目标，为实现人工带隙材料的能带和带隙调控奠定科学基础。申请者可选择以下部分内容：

1．人工带隙材料的设计和制备，包括基于光子带隙的光子调控材料、基于声子带隙的声子调控材料、基于极化激元带隙的极化激元调控材料等。

2．人造材料结构与物理特性的关系，“晶格”周期、“缺陷”、无序、界面以及单元结构等对波传播的作用等。

3．利用人工带隙材料实现对材料物理特性的调制。

4．基于人工带隙材料的原型器件。

五、委托南京大学固体微结构国家重点实验室围绕以下研究方向组织项目

1．量子信息学

研究超导量子比特中宏观量子干涉现象，超导量子比特的设计与加工。环境因素对宏观量子干涉的影响，超导量子比特的消相干机制、量子比特的集成以及利用超导量子比特演示量子算法。

2．关联电子

揭示电荷、自旋、轨道自由度之间的竞争导致的丰富的物态及其量子相变规律，研究通过外参量实现不同状态间的转换与调控方案。研究关联电子系统中，在一定条件下具有的拓扑简并的量子基态及其激发态可能具有的拓扑稳定性，探讨作为量子信息载体的可能性以及控制内禀噪声的量子计算新方案，将量子计算作为广义关联系统，提出减少量子退相干的新方案，设计新型量子比特。

3．受限小量子

实现小量子系统电子自旋寿命的最大化和纳米尺度上自旋关联的检测，研究自旋载流子在异质结中的传输，揭示电子自旋系统中的新规律、新效应，研究铁磁-超导异质结上的Andreev反射，探讨传统自旋电子学的扩展。

4．人工带隙材料

研究介电体超晶格中的光子带隙、声子带隙、微波与超晶格振动耦合产生的极化激元带隙以及电磁波与金属电子耦合产生的表面等离极化激元带隙，发现其新规律、新效应、新应用。

基于多重准位相匹配理论、对产生纠缠光子的多个光参量过程，实现全固态集成，研制高效新光源。

六、委托中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室围绕以下研究方向组织项目

1．量子计算的物理实现

（1）基于半导体量子点的量子计算。实现单自旋的制备、控制和测量；探索电子自旋回波等相干控制机理与技术；自组织单电子点中光学波函数的制备与相干操作，两自旋量子比特的耦合等。

（2）基于固态微腔的量子计算。高品质微球腔制备、腔模与外部激光器的锁定，单原子注入腔的核心技术，腔模与原子的强耦合，单个量子比特的任意操作，两个微球腔的耦合和基于微球腔的量子芯片设计和制备等。

（3）基于多光子纠缠态的线性光学量子计算。高性能多光子量子纠缠的制备和调控，适合于单向量子计算的光子Cluster态的制备、测量和特性等。

（4）量子计算物理基础。消相干机制和有效克服的办法，量子编码和容错量子计算，分布式量子计算模型，单向量子计算的原理，多体系的量子纠缠及量子调控原理和方法，核磁共振量子计算等。

2．量子通信

（1）城域网量子密钥分配系统。包括高性能光纤量子密钥分配系统，量子路由器，城域网和广域网的构造和网络协议等。

（2）基于原子系综的量子中继原理和方法。包括光子与原子系综之间的量子信息转换，量子纠缠的纯化、交换和存储等。

（3）基于纠缠的远程量子通信。包括研究高亮度的多光子纠缠源，基于纠缠的量子密钥分配和量子通信等。

3．分子尺度的量子行为和调控

（1）通过各种物理与化学手段，实现对分子尺度物质的结构控制，特别利用高分辨检测与操纵技术，实现对特定化学键的选择性剪裁，构筑特定构型和性能的新分子。

（2）通过结构调控和外场调控，实现对单分子能级、波函数的调控。研究单分子－电极体系中的量子输运特性和分子体系与环境间相互作用的调控。构筑具有双能级结构的核（或电子）自旋态的单分子体系及其并联耦合体系，调制并联耦合单分子间的波函数叠加状态，探讨基于分子间量子纠缠态的量子比特制作及其运算原理。研究光电转化过程中电子转移和能量传递的机制，实现特定的单分子光化学效应；突破荧光淬灭效应的限制，探索可控电泵单分子光源和单光子光源。

（3）发展分子尺度上的表征、检测与调控方法和技术，实现从空间、能量、时间三个方面来对分子量子体系进行高分辨、高灵敏表征、检测和调控。基于激光冷却和冷原子阱技术，以及高灵敏的荧光检测方法，实现高效率单原子捕获与检测。

（4）针对不同实验分子体系的复杂性、分子－电极接触结构的不确定性、以及电荷输运的多体量子特性等导致的理论计算挑战，对分子量子体系的形成过程、电子结构和输运性质等进行理论与计算研究，澄清分子尺度结构的特异物理性质与量子效应之间的关系。

纳米研究

一、纳米器件中量子效应的临界尺寸和影响

发展基于纳米材料奇特性质的高灵敏度纳米传感器、光电探测器与相关纳米器件；发展有特色的纳米加工与可控组装技术；以CMOS技术为基础，探讨纳米器件中量子效应的临界尺寸及其对器件结构、性能的影响。支持以下两个重点方向：

1．纳米传感器件：新原理、高增益的化合物半导体光电传感器； Thz产生和探测技术。

2．纳米存储和逻辑器件：基于磁半导体的自旋存储器件；基于量子效应的纳米存储和逻辑器件。基于一维纳米材料的新原理器件：纳米碳管为基的纳米器件。

二、非生物纳米物质与生物体相互作用

开展非生物纳米物质与生物体系相互作用的研究，为发展我国纳米生物学和纳米医学奠定基础。支持以下三个重点方向：

1．具有重要生物医学应用前景的纳米物质进入退出细胞的过程与机理，纳米材料在细胞内的分布、存留、清除以及与胞内物质的相互作用；

2．发展导向性纳米药物，阐明其输运过程与作用机理；

3．病原与宿主的相互作用及其在细胞中实时观测的纳米检测技术。

三、 有重要应用前景的纳米材料的可控生长及宏观尺度的应用

以重要的应用背景为牵引，通过构筑具有特定功能的纳米材料宏观结构，为纳米材料和纳米结构的宏观尺度应用奠定基础。支持以下三个重点方向：

1．具有特定性质的纳米材料结构、尺寸、形貌的控制合成和宏量制备；

2．以零维和一维纳米材料为单元构筑具有特定功能的宏观尺度纳米结构；

3．具有重要应用背景的纳米材料的设计、组装和功能化。

四、大尺寸自组织材料的生长机理、性能和应用

开展纳米材料与纳米结构的可控制备和大尺寸的自组织生长和性能调控研究；结合微加工技术，发展定向、定点、多维、大尺寸的自组装工艺。该方向重点研究内容：

1．有特定性能的纳米材料和结构的大尺寸、高有序度的自组织生长技术和机理研究；

2．碳纳米管结构类型、生长技术和机制研究，实现性能调控、自组织和应用。

五、委托国家纳米科学中心围绕以下方向组织项目

（一）纳米结构性能探测的技术标准和检测用标准样品

开展纳米计量技术、测试方法和材料合成与加工技术方面的基础性技术标准的研究与制定。包括:

1．纳米标准物质的可控化学合成及微加工方法标准化研究；检测用纳米标准样品的研制和量产；

2．发展纳米检测技术的量值溯源校准的方法及比对测量、检测方法标准化

（二）纳米器件中量子效应的临界尺寸和影响

发展基于纳米材料奇特性质的高灵敏度纳米传感器、光电探测器与相关纳米器件；发展有特色的纳米加工与可控组装技术；以CMOS技术为基础，探讨纳米器件中量子效应的临界尺寸及其对器件结构、性能的影响。包括：

1．纳米存储和逻辑器件：基于磁半导体的自旋存储器件；基于量子效应的纳米存储和逻辑器件；

2．基于一维纳米材料的新原理器件：纳米碳管为基的纳米器件。

（三）有重要应用前景的纳米材料的可控生长及宏观尺度的应用

以重要的应用背景为牵引，通过构筑具有特定功能的纳米材料宏观结构，为纳米材料和纳米结构的宏观尺度应用奠定基础。包括：具有特定性质的纳米材料结构、尺寸、形貌的控制合成和宏量制备。

（四）大尺寸自组织材料的生长机理、性能和应用

开展纳米材料与纳米结构的可控制备和大尺寸的自组织生长和性能调控研究；结合微加工技术，发展定向、定点、多维、大尺寸的自组装工艺。包括：

1．有特定性能的纳米材料和结构的大尺寸、高有序度的自组织生长技术和机理研究；

2．碳纳米管结构类型、生长技术和机制研究，实现性能调控、自组织和应用。

发育与生殖研究

一、胚胎与器官发育

支持以下两个重点研究方向：

1．胚胎早期发育的调控

重点研究新的功能基因在胚胎中对细胞增殖、分化、迁移的影响，确定它们在胚胎图式形成中的作用，阐明它们所涉及的信号调控网络。

2．重要组织器官的发育

重点研究正常组织器官和组织工程化组织器官的形成机理，鉴定相应的关键因子及调控网络，阐明它们在组织器官发育过程中的作用机制，为治疗组织与器官的功能障碍提供理论基础。

二、生殖调控与生殖健康

支持方向是：雄性生殖细胞发生、成熟及其重要疾病的基础研究

重点研究雄性配子发生、成熟、减数分裂、精子变形和顶体形成相关的基因/蛋白质的网络调节机制，探讨精子功能相关蛋白质与疾病的关系，进行新型男性避孕技术的基础性和创新性研究。

三、干细胞与体细胞重编程

支持以下两个重点研究方向：

1．干细胞自我更新调控机制

重点研究调控干细胞自我更新的转录因子和细胞因子及其表面受体的结构与功能，确立该类基因在干细胞内的相关信号传导通路，从而探索胚胎干细胞自我更新与全能性的基因调控网络。

2．胚胎干细胞向组织干细胞分化的调控

重点研究新的功能基因在调节胚胎干细胞向生殖干细胞、神经干细胞、肝脏干细胞、造血干细胞和胰岛干细胞等分化中的作用，特别是重要转录因子和细胞表面受体；探讨胚胎干细胞定向分化为生殖干细胞、神经干细胞、肝脏干细胞、造血干细胞和胰岛干细胞的信号传导通路。

四、委托中国科学院动物研究所围绕以下研究方向组织项目

1．母胎识别与免疫豁免的机制研究

重点研究动物同种、种间妊娠识别前后功能基因组和蛋白质组的变化特点，比较其与妊娠免疫豁免和排斥之间的关系，阐明母胎识别、免疫豁免和蜕膜化过程调节的分子机制，为探明植入障碍及妊娠相关疾病的病因学提供理论基础，为研究设计新型女性避孕药提供科学依据。

2. 生殖细胞健康的分子基础

重点研究卵泡生长及卵子发生和分化的分子基础；研究雌性生殖细胞与体细胞的对话及调控的机制，研究生殖细胞操作与辅助生殖技术对人类健康的长期影响；为设计、研发生殖干预药物、完善辅助生殖技术，促进治疗性克隆和再生医学的发展奠定基础。

3．发育与生殖研究的伦理学指导原则

制定发育与生殖研究的伦理学指导原则，规范辅助生殖和干细胞技术在发育和生殖领域的研究和应用，为进行宏观管理提供政策、法律和伦理学依据。

五、委托中国科学院上海生命科学研究院围绕以下研究方向组织项目

1．发育研究的模式动物平台

依托现有的斑马鱼研究设施，完善共享的斑马鱼资源和技术平台，建立与发育、生殖研究相关的突变体库，完善相关研究技术，为国内同行提供资源和技术支持。

2．干细胞全能性与定向分化的细胞信号网络

采用多学科系统整合的方法，从细胞、组织、器官、个体水平上探讨干细胞全能性与定向分化的分子机制和调控网络。