一、人類原始生殖細胞發育過程中基因表達網絡的表觀遺傳學調控
生殖細胞（精子和卵子）是人類維持生命延續、代代相傳的種子和紐帶。一個精子與一個卵子結合，發育為新的個體，那麼這個新生命是如何為他的下一代進行準備呢？其實早在媽媽的肚子裡，胎兒除了要完成自身的體格發育，已經開始為他自己的孩子做好計劃，形成原始生殖細胞（PGC）並進行性腺發育。這類特殊的細胞與其他細胞有何不同？經歷哪些重要的事件？除了遺傳序列本身，祖父輩及父母親還把哪些表觀遺傳記憶留在了PGC細胞中？人類對其還缺乏深刻的認識。
北京大學喬傑與湯富酬兩個研究團隊，克服重重技術難關，揭開了人類PGC神秘面紗的一角。研究顯示處於發育早期的人類PGC表達眾多的多能性相關的基因，同時表達生殖細胞發育特異的基因並且新報告一個人類特異的基因SOX15。特別有意義的是他們還發現人類PGC在發育過程中會經歷大規模的表觀遺傳記憶（DNA甲基化標記）擦除，最低時僅有7%左右保留，但一些特殊的重複序列元件上仍然殘留大量甲基化，這為人類隔代遺傳現象的表觀遺傳學分析提供了重要線索。
研究成果於2015年以封面文章形式發表在國際頂尖雜誌Cell，引起國內外專家的極大關注，並撰文發表述評，認為該項研究有助於加深對人類胚胎發育過程表觀遺傳學調控的認識，對研究胚胎發育基因重編程、疾病的遺傳或隔代遺傳等具有重要意義。
二、發現宇宙早期發光最亮、中心黑洞質量最大的天體
利用中國科學院雲南天文臺麗江2.4米望遠鏡首先觀測和國外4臺望遠鏡後續觀測，北京大學吳學兵領導的科研團隊發現了一個距離地球128億光年、發光強度是太陽的430萬億倍、中心黑洞質量為120億倍太陽質量的超亮天體，它是宇宙早期目前已知的發光最亮、中心黑洞質量最大的天體。研究論文作為四篇封面推薦論文之一發表在2015年2月26日的國際科學期刊《自然》上。該雜誌特為此作了題為「井噴式快速成長的年輕黑洞」的新聞發布，並邀請德國學者在同期的新聞與述評欄目撰寫專文「年輕宇宙裡的巨獸」介紹了這一發現。國內外數百家新聞媒體，包括美國有線電視新聞網(CNN)、時代周刊、華盛頓郵報、洛杉磯時報，英國路透社、衛報，德國明鏡周刊，中國中央電視臺、新華社、人民日報、光明日報等，都對此發現進行了報導。
近年來，吳學兵團隊發展了基於光學與紅外波段天文測光數據的有效選源方法，利用光譜觀測發現了許多宇宙早期的極亮天體，包括這一個發光最亮、中心黑洞質量最大的天體。它就像遙遠夜空中最明亮的燈塔，為研究宇宙早期結構提供了難得的機遇。其中心高達120億倍太陽質量黑洞的存在，對現有的宇宙早期黑洞形成與增長及星系演化理論提出了挑戰，引起了國際上廣泛關注。
三、空間基地生物再生生命保障系統地基綜合實驗裝置——月宮一號
生物再生生命保障系統是載人深空探測的十大關鍵技術之一，且由於其具有高複雜性和難度而優先級最高。北京航空航天大學生物與醫學工程學院劉紅教授帶領科研團隊經過十年努力，突破了系統核心單元技術、系統構建、啟動、運行與調控等系列關鍵技術，從無到有建立了我國空間生物再生生命保障技術體系，自主研製出我國第一個世界上第三個空間基地生物再生生命保障系統地基綜合實驗裝置「月宮一號」。為空間生命保障及其相關領域的科學技術研究建立了獨特的實驗平臺，填補了國內空白。成功完成了我國首次長期多人高閉合度密閉實驗，在「月宮一號」的人工閉合生態系統中實現了105天循環再生100%氧氣和水、55%食物，總閉合度達到了97%。標誌著我國成為繼俄美之後，第三個掌握該項技術的國家。
劉紅團隊提出了一系列原創性的新思路、方法和新技術，併集成於「月宮一號」系統中，與俄美的同類系統相比，「月宮一號」生物構成更複雜，系統的閉合度更高。該成果技術複雜、難度大，具有自主智慧財產權，技術先進，創新性顯著，在空間生物再生生命保障系統領域綜合技術水平進入世界領先行列。成果將為今後空間站作業、載人月球和火星探測等深空探測所需的生命保障提供理論和基礎技術。
四、炎症消退和免疫穩態調控的新機制研究
機體免疫系統能夠通過「發炎」的方式抗禦感染，但有時「發炎」過度會損傷自身機體而導致諸多炎症性疾病。如何及時終止炎症免疫反應是免疫學領域備受關注的重要科學問題。北京協和醫學院基礎醫學院曹雪濤院士課題組發現，在炎症免疫活化的晚期，即炎症消退期，表觀遺傳酶Tet2能反饋性抑制炎症因子的分泌。他們在急性內毒素休克與結腸炎模型中證實，Tet2可結合表觀抑制性調控分子HDAC2，選擇性地直接結合炎症因子的基因啟動子從而阻止其表達。該研究揭示了表觀修飾介導的轉錄調控是炎症消退期炎性細胞因子表達關閉的一個決定性因素，從而修正了以往廣泛認為的炎症信號轉導負調控分子起決定性作用的學術觀點，為炎症消退、抑制炎症持續反應、阻止自身免疫病等提出了新機制，為免疫學與表觀遺傳學交叉研究提出了新方向。此外，該課題組還進一步發現E3泛素連接酶Nrdp1能夠通過抑制T細胞過度和持續活化而及時阻滯了炎症相關疾病的發生發展。
以上研究結果分別發表在《Nature》和《Nature Immunology》上。課題組成員多次應邀在國際學術會議上作相關工作的大會報告，得到了國際免疫學界的高度評價。
五、1.1類原創新藥——口服重組幽門螺桿菌疫苗
幽門螺桿菌（Hp）是慢性胃炎、胃及十二指腸潰瘍的主要致病菌，WHO將其確定為胃癌的1級危險因子，我國胃病患者超過1億，每年因胃癌死亡者達20萬人，因此，Hp危害十分嚴重。Hp疫苗是控制其感染傳播、預防相關胃腸疾病發生的有效手段，但國外迄今未能成功研製。
第三軍醫大學鄒全明教授團隊歷時15年，完成了Hp疫苗5000餘人參加的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期臨床試驗，結果表明：安全、有效，保護率達71.8%；成功研發了具有完全自主智慧財產權的世界首個Hp 疫苗，獲國家1.1 類新藥證書。
該團隊發明了「Hp分子內佐劑黏膜疫苗」設計原理和安全高效的首個人用分子內黏膜免疫佐劑；設計與製造出全新的Hp疫苗組份；創立了黏膜疫苗製備及效力評價系列技術；研究出國際上首個Hp疫苗生產與檢定質量標準。
該研究結果於2015年發表在國際頂級醫學期刊《The Lancet》，並獲得同期專題正面評述，引起國際同行廣泛關注和高度評價。中央電視臺、《科技日報》等國內主流媒體和網站相繼進行了重點報導。該疫苗獲國家技術發明二等獎和重慶市技術發明一等獎，擁有4項國際發明專利和12項國家發明專利授權，已成功轉讓企業，獲成果轉讓費2.25 億元。企業已完成Hp疫苗產業化設施建設和試生產，正在報批生產批件，即將上市造福人類健康。
六、神光III雷射裝置中的靶場光電及控制系統
太陽的巨大能量來源於「聚變反應」，而聚變能源則被譽為「人造太陽」，一旦實現將從根本上解決人類能源問題。上世紀90年代開始啟動的「神光Ⅲ」大型雷射裝置研究是我國聚變能源領域宏偉的大科學工程，是我國綜合國力不斷上升的體現，對相關科學技術的發展具有極強的帶動作用。該裝置目前已建成並投入運行，可輸出48束雷射，總輸出能量為18萬焦耳，峰值功率高達60萬億瓦。其總體規模與性能位列亞洲之一、世界之二，達到國際先進水平。作為我國自主研發、全球第二臺已用於實驗運行的新一代高功率雷射驅動器，它將「種子」光源能量儘可能放大，使得高功率雷射瞬間聚集，最後穿過以微米計算的注入孔射向靶球中心的物質。
哈爾濱工業大學梁迎春、趙航、劉國棟教授率領的研究團隊在中國工程物理研究院牽引下，對「神光Ⅲ」大型雷射裝置靶場光電及控制系統的關鍵技術潛心研究10餘年，攻克了系統設計、安裝與集成調試等階段的若干重要難題，實現了打靶精度要求優於30微米、準備時間少於30分鐘的設計要求，在國內首次實現多靶型、智能化、甚多束雷射高精度控制與瞄準定位。其打靶精度要求之高，如同將高爾夫球從北京天安門打到石家莊市中心的球洞裡，且「一桿進洞」。該研究成果為下一步我國超多光束雷射裝置的研製奠定了堅實的技術基礎。
七、農業革新促使史前人類永久定居青藏高原
青藏高原是世界上海拔最高、面積最大的高原，其高寒缺氧的嚴酷環境對人類生存構成巨大挑戰，但藏族人主要生活在青藏高原高海拔地區。在沒有文字記錄的史前時代，人類什麼時間通過什麼方式常年居住到青藏高原高海拔地區是學術界和公眾關注的重大科學問題，對認識人類適應高寒缺氧環境的機理和藏族起源問題具有非常重要的意義。
蘭州大學陳發虎教授領導的中外研究團隊，過去十年對青藏高原和周邊地區的史前遺址開展了系統調查和研究。首次提出史前人類向青藏高原擴散的三步走模式，指出人類2萬年前開始到青藏高原季節性遊獵，5200年前由我國黃土高原大規模擴散並定居到青藏高原東北的河谷地帶，3600年前在氣候冷幹背景下進一步永久定居至高海拔地區。揭示史前歐亞大陸農業發展與傳播是促使人類向青藏高原高海拔地區擴張和定居的最主要因素。
該項研究工作為認識史前人類向青藏高原擴散和定居的過程和機制提供了全新觀點，為闡明藏族人起源於中國黃河流域提供了堅實的科學依據。成果發表在2015年1月的Science雜誌上，引起了廣泛關注，被紐約時報、人民日報等數十家國內外著名媒體報導。Science雜誌隨後以封面文章形式發表了題為「誰是藏族人?」的深度報導，認為該研究支持藏族人群源於中國北方。
八、酵母剪接體高解析度三維結構及其工作機理研究
「中心法則」是分子生物學中的關鍵定理，描述了細胞最核心的生命活動——遺傳信息的流動。在真核細胞中，蘊藏在基因組DNA序列中的遺傳信息轉錄給前體信使RNA，在其剪接成熟之後再翻譯為蛋白質，最終執行生物學功能。上述環節分別由RNA聚合酶、剪接體和核糖體執行。其中，RNA聚合酶和核糖體的結構解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學獎。剪接體（Spliceosome）是一個巨大而又複雜的動態分子機器，其結構的解析具有重大的科學意義，是國際結構生物學界公認的難題之一。
施一公研究組選擇極具挑戰性的剪接體作為研究目標，創新性地利用酵母細胞內源性蛋白提取獲得了性質良好的樣品，並利用前沿的單顆粒冷凍電子顯微鏡技術，首次解析了酵母剪接體近原子水平的高解析度三維結構，並在此基礎上進行了詳細分析，闡述了剪接體對前體信使RNA執行剪接的工作機理。
這一標誌性成果被著名的《科學》雜誌收錄，2015年9月11日以兩篇「背靠背」形式的長文正式發表，題目分別為「3.6埃的酵母剪接體結構」（Structure of a Yeast Spliceosome at 3.6 Angstrom Resolution）和「前體信使RNA剪接的結構基礎」（Structural Basis of Pre-mRNA Splicing）。該項目的完成首次在近原子解析度上看到了剪接體的細節，揭示了它的工作基礎，完善了分子生物學的中心法則，推動了中國生命科學領域的快速發展。
九、納米尺度量子精密測量
中國科學技術大學杜江峰教授領銜的研究團隊將量子技術與精密測量科學相結合，在納米尺度量子精密測量領域取得重大進展，率先實現了具備納米解析度和單分子靈敏度的磁共振探測技術，研究成果分別發表在2015年3月6日的《科學》和3月23日的《自然•通訊》雜誌。
磁共振技術能夠準確、快速和無破壞地獲取物質的組成和結構信息，被廣泛應用於基礎研究和醫學等各大領域。然而當前通用的磁共振譜儀受制於探測方式，其研究對象通常為數十億個分子，成像解析度僅為毫米量級，無法觀測到單個分子的獨特信息。中國科大研究團隊瞄準現代科學在單分子層面上對物質組成、結構和動力學性質進行探索的迫切需求，通過系列創新解決了通往單分子磁共振的若干關鍵問題。他們利用鑽石中的一類點缺陷作為量子探針，採用新穎的自旋量子幹涉儀探測原理，結合自主發展的量子操控技術和實驗裝置，成功將磁共振技術的解析度從毫米推進到了納米、靈敏度從數十億分子推進到單個分子，並用以完成了國際上首次獲取單個蛋白質分子的順磁共振譜及其動力學性質、微觀尺度上微波磁場矢量的重構等多項重要研究成果。
這標誌著在納米尺度上進行磁共振探測、無損地獲取單個分子的空間定位、結構和構象變化信息成為現實，將在物理、化學及生命科學等多個領域有廣泛應用前景。國際學術期刊《科學》將相關成果選為研究亮點發表並配發專文報導，稱其「實現了一個崇高的目標」，「是通往活體細胞中單蛋白分子實時成像的重要裡程碑」。
十、鎳、鉬、鎢資源高效利用
鎳、鉬、鎢等都是重要的稀有金屬資源，是我國重大戰略工程、國民經濟諸多領域的關鍵原料。近幾年，我國鎳進口均超過50%。我國新型礦種黑色巖系鎳鉬礦資源量大，僅湖南西部鎳、鉬資源量分別達300萬噸和200萬噸，但極難處理，被認為「不可選」。我國儲量豐富的鎢礦，資源優勢也在逐步失去，而且，採用傳統的粗精礦加溫浮選工藝，綜合利用率低、成本高及礦山環境汙染。
該項成果提出了通過強靜電、氫鍵或化學鍵作用於礦物表面不同位點的浮選劑分子組裝設計原理，設計開發了對不同礦物有選擇性作用的雙極性基高效浮選劑和組合物捕收劑。提出了浮選劑與礦物表面作用最佳溶液化學條件調控的方法。提出了強化微細顆粒與氣泡碰撞效率及礦化作用的方法。
該項成果開發出鎢礦常溫浮選新工藝，對柿竹園礦提高了鎢和螢石回收率約10%。而且，既可以徹底取代已使用近百年的「彼得羅夫法」白鎢加溫精選工藝，又可在原工藝基礎上，精礦加溫量減少80%的情況下，獲得高品質鎢精礦，新技術還有利於廢水回用。開發出了黑色巖系鎳鉬礦浮選新技術，建立了該礦種發現近60年來，世界上的第一個鎳鉬礦浮選廠,為經濟利用黑巖系鎳鉬礦資源提供了技術支撐。
該項成果對其它複雜有色金屬礦高效清潔利用具有重要示範作用。