五大新兴科学研究方法和项目，你相识几个？|《自然》技术特写

简介迅速展露头角的卓越研究者机器和这两项，我们可以推断出一些协同的出功途径。

当被问及现职时，Kaihang Wang的起程答很本来：“手艺人”。毕竟他在加州理工学院（California Institute of Technology）的大部秘密组出员织机构作都与造进去有关，尽管不是用锤兄和钉兄。Wang的实习团队开发所设计了分兄机器，都有一个子系统——昆虫学家可以通过编程，将长的多肽DNA链转为大肠杆菌细胞核[1]。便度探讨再一，Wang给出了一个非常科学的起程答：多肽脊椎动物学或遗传学物质工程。“无论如何问道，我们所有努力主要由一个也就是说目标倡导，那就是创造生命”，他问道。

和Wang一样，当手头的机器欠缺时，许多昆虫学家就会跨学科四处寻找材料、合作关系者或有所不同的一新方法。这促出了全部都是一新命名的一新方法或国家联盟，如“衰减电子显微镜激光（expansion microscopy）”或“遗传学物质编写构想要（Genome Project-write）”。其当中一些一新方法或国家联盟由于其核心技术潜能及名望的威望而在地质学家当中名声大噪。

即将到来：“进化细胞核图解”。缺少：改编自Getty。

一新墨西哥州立大学研究者科学修辞学的Erika Szymanski表示，为一个课题或机器取个琅琅上口的姓氏，可以为研究者者创始出探索的观念框架。“就像电子显微镜镜限制了我们用它能看到什么，我们只能‘看见’那些有姓氏的进去，”她问道，“在此之后以一新框架来探讨实习有时就会很有收效，因为它辟出密闭，让我们可以想要象原到时可能性。”

在本文当中，《自然》探索了只不过15年当中5项著名的核心技术。有些已经辟了原到时研究者课题或赢取了财力捐助；有些巩固了全部都是球合作关系，或者在研究者当中推断出了有所不同于那时候意欲的一新目标。无论是揭示了细胞核新功能，应运而生了一些公司和疗法，还是在传染病前夕为心理卫生决策给予了反馈，这5项核心技术都在与哲学上留下浓墨重彩的一笔。

表观遗传学物质理解组出员学

与遗传学物质DNA一样，旅行者RNA可以携带改变其新功能或命运的化学标示，例如氨基或甘氨酸。这种粘贴极为标准化，并且有推断出得出结论，某些mRNA高度位点而其他mRNA尚未，连到了这些标示的脊椎动物学起着。2012年，莱斯康奈尔医学院（Weill Cornell Medical College）的RNA昆虫学家Samie Jaffrey等开发所设计了一种一新方法来定位密切相关于遗传学物质理解组出员（细胞核或脊椎动物体当中遗传学物质理解出来的所有RNA）当中的博定mRNA位点标示，命取名为m6A[2]。

该研究者的协同作者Christopher Mason也在莱斯康奈尔医学院实习，他创造了“表观遗传学物质理解组出员学”这一该词来说明该实习团队的结论，即氨基标示调控mRNA遗传学物质理解本的活性，从而得出结论为什么核糖体准确度极为显然与编码器它们的遗传学物质理解本的原子量相匹配。“这可能是遗传学编码器的一新层面，这一点很吸引人。”Jaffrey问道。一新名称使其他人非常容易理解这个观念。

几年下来，表观遗传学物质理解组出员学已经工业发展出一个独立的课题，有专门的财力、就会议和合作关系需求。阿根廷毕尔巴鄂遗传学物质调控当中心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA昆虫学家Eva Maria Novoa Pardo问道：“在或许上，一个一新名词的创造引领了整个人才培养社群的显现。”

Jaffrey和Mason的20世纪一新方法是应用于m6AHIV来分立长为100-200个残基的粘贴RNA段落，然后他们通过核酸对其来进行鉴定。便，该实习团队将HIV与位点交联，然后水合HIV结合的RNA段落以精确出发点位点肽链，从而转换出第一个单残基准确度的位点mRNA图解。这适度定位另一类携带粘贴的分兄，叫作长丝RNA[3]。“我们今日开始尊重一个想要要：m6A的一个主要新功能是标示RNA以充分能用快速周转”，Jaffrey问道，这对细胞核改变和适应环境的潜能至关重要。

随后地质学家开发所设计了可以在博定脱氧核糖核酸上切割非位点RNA的肽。开发所设计者、以色列魏茨克尔科学研究者所（Weizmann Institute of Science）RNA昆虫学家Schraga Schwartz能用该机器，不仅能检测博定肽链是不是被改写，还可以检测携带位点基序的遗传学物质理解本的平均值。当Schwartz等将其应用于整个遗传学物质理解组出员时，他们推断出基于HIV的核心技术遗漏了有约75%的粘贴肽链，得出结论其持续性依赖于[4]。“这个结果令人惊喜，”他问道，“那时候就一种，今日有了两种一新方法，我们看难题非常全部都是面了。”

时至今日，表观遗传学物质理解组出员学研究者医务人员可以应用于纳米中空核酸仪这样一来读取粘贴过的 RNA。与传统核酸仪需要到时通过逆遗传学物质理解将RNA转换出为DNA有所不同，这些仪器将RNA分兄通过核糖体纳米中空并导致博定的电压，然后解码电压信号以获取RNA脱氧核糖核酸。只不过，解码电压信号的核酸插值常会误读位点的m6A残基。因此，2019年Novoa等人所设计了一种插值（明年早些时候有非常一新[5]），应用于这些严重错误来计算哪些肽链携带位点残基。“或许对天然RNA来进行核酸（而无需到时将其逆遗传学物质理解出DNA），为遗传学物质理解组出员辟了无正确的图景”，她问道。

进化细胞核图解

2003年进化遗传学物质核酸的已完出，以及研究者单细胞核的一新机器的显现，让地质学家开始畅想要是不是可以对每个进化细胞核的契合所在位置、行为和发育来进行绘图。英国维康贝克克尔研究者所（Wellcome Sanger Institute）遗传学学家Sarah Teichmann和美国南旧金山遗传学物质泰克（Genentech）的计算昆虫学家Aviv Regev就是其当中两位。

2016年底，Teichmann、Regev等相聚咨询这个想要要。进化细胞核图解构想要（Human Cell Atlas）由此诞生，这是一个应用于单细胞核途径插图每个进化细胞核、秘密组出员织和骨髓的内部结构、遗传学学和脊椎动物学的这两项。该小组出员强调开放、协作的一新方法：任何人都可以参与，并且该国家联盟应用于广泛的分兄和计算一新方法搜集反馈。

“尚未什么金标准核心技术可以充分能用所有借此，”在CRG 研究者单细胞核核酸核心技术并拥护该国家联盟标准和核心技术其下属的Holger Heyn问道，“每种一新方法都有正确。我们统合的核心技术越多，正确就越少。”

在2020年的一项研究者当中，Heyn等人在四组出员普通参考样本当中相当了13种单细胞核RNA核酸核心技术，并根据其推断出细胞核博异性标示物的潜能来进行评价[6]。他们推断出，结果差异的一个主要缺少是样本当中细胞核的个数。“我们的目标不是比个高下，而是决定通过每种核心技术能获取哪些反馈”，Heyn问道。

进化细胞核图解国家联盟今日在77个国家拥有有约2200名出员，他们总计统计分析了来自14个主要骨髓的约3900万个细胞核，并发表文章了有约80短文，而且这些数字还在迅速增加。

此外，这些数据库还适度发觉COVID-19的奥秘。2020年初，国家联盟出员主干了26个已发表文章和尚未发表文章的数据库集，以了解到冠状菌株SARS-CoV-2如何侵扰脾秘密组出员织。他们插图了菌株用于踏入秘密组出员织（都有鼻兄、嘴巴和眼睛等）的细胞核表面受体图[7]。此后，世界各地的研究者医务人员应用于该图解来了解到感染全部都是过程。Teichmann表示，它甚至适度为心理卫生决策给予反馈，例如要求人们戴防毒面具的税制。“这场传染病对进化细胞核图解构想要来问道毕竟是变革性的，”她问道，“它塑造了细胞核图解的价值——即使还是20世纪的、不完备的图解。”

衰减电子显微镜激光

尽管许多着迷于电子显微镜镜分辨率的研究者医务人员侧重于打造非常好的接口，但脑地质学家Ed Boyden回避了有所不同的方式而。他与斯坦福大学的同事一起，所设计了一种叫作衰减电子显微镜激光（expansion microscopy）的核心技术，它可以像给气球笑言一样增加细胞核和秘密组出员织。

该一新方法将一种叫作丙烯酸酯的复合注入容器当中。滴就会导致复合催化和衰减，随着其增加，细胞核出分被推开。20世纪在此之后时细胞核就会破裂或衰减不光滑。但通过在催化前添加肽来转化出秘密组出员织，研究者医务人员可以将活体腹腔增加到原始个数的4.5倍[8]。两年后，该实习团队将该一新方法延伸至十几种秘密组出员织类型，其当中一些可以增加16倍[9]。“能必要物理可视以此类推的比例无论如何，这个核心技术才引人注目，”Boyden问道。

明年，Boyden实习团队能用这个观念来出发点秘密组出员织当中的博定RNA，这是一个叫作密闭遗传学物质理解组出员学的兄课题。他们首到时扩展了活体腹腔的一部分，然后对锚定的RNA来进行了原位核酸[10]。

衰减电子显微镜激光联合RNA核酸(左)协同揭示了活体视觉皮层脑细胞的内部结构(任左)。 缺少：S. Alon et al./Science

德国马克斯普朗克人脑研究者所（Max Planck Institute for Brain Research）的脑地质学家Erin Schuman研究者核糖体在取名为脑细胞的脑细胞核末端如何多肽，长期以来他多年来借助金制着色等间接一新方法来可视化此全部都是过程。Schuman想要这样一来在脑细胞当中看到一新多肽的核糖体。但脑细胞是由长而细的纤维形出的，这些被叫作轴突的纤维忽视很差的分兄标示。“它们其实是那种最难研究者的进去”，她问道。

通过衰减电子显微镜激光核心技术，Schuman实习团队第一次看到，几乎所有的轴突末端都有多肽一新核糖体的机制[11]。“它毕竟小弟我们以高置信度注意到脑细胞，并来进行高通量统计分析”，她问道。

斯坦福大学（Stanford University）脊椎动物工程师Bo Wang应用于该机器创始了一张可视图形，展示出了常见十二指肠致病大肠杆菌如何与人体细胞核相互起着。在优化“转化出”方法时，Wang和同事推断出该一新方法可用于测大肠杆菌细胞核壁的抗腐蚀。这个坚硬的外层，是该致病对抗生素和宿主牵制的极其重要。测微型物体的机械博性很瓶颈，但衰减电子显微镜激光核心技术小弟助实习团队测了单个批次当中数千个细胞核壁的强度，以了解到大肠杆菌如何对宿主牵制机制这两项底物[12]。“类似于的方式而可以小弟助起程答真菌、真菌和许多有所不同物种的生理难题”，Wang问道。

脑闪亮

2007年，由哈佛大学脑地质学家Jeff Lichtman和Joshua Sanes拥护的实习团队开发所设计出一种一新方法来辨别活体脑当中纠缠的脑细胞[13]。研究者医务人员框架了一个子系统，其当中编码器少数紫外光蛋白的遗传学物质由脑细胞博有的调控脱氧核糖核酸控制，该脱氧核糖核酸外侧是标识，标识将便是重组出员肽对这些紫外光遗传学物质来进行随即理解。细胞核就会得到遗传学物质“盒”的多个副本，当研究者医务人员激活定位重组出员标识的核糖体时，它就会将这些遗传学物质改组出员为各种随机组出员合，并表现为如闪亮般的紫外光。他们称此机器为人脑虹（Brainbow）。

Gabriel Victora起程想要起自己在康奈尔大学（New York University）进修研究者生时，对那些如万花筒般灿烂的脑图片大感震撼，每个细胞核红色都不一样。但Victora的研究者集当中于正因如此当中心（淋巴结的一种微观内部结构，免疫细胞核在此分裂和生长）。“我们尚未赶紧想要到可以用这项核心技术，”时至今日已是布鲁克林洛克菲勒大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora问道，“我记得当时在想要，‘可惜是那是在脑内都’。”

Lichtman曾希望标示单个细胞核的潜能将适度解决精细尺度的技术细节难题，例如脑当中的脑细胞连接起来。但是小的细胞核内部结构紫外光分兄少，导致的紫外光信号星等不够——举例来说都太暗了没法用。Lichtman表示，他对结果感到惊讶，此后趋向了诸如整年切片读取电兄电子显微镜镜之类的核心技术，在这种核心技术当中，石头秘密组出员织被减法激光、切削、其后激光，以插图脑连接起来图。“你得为这项实习找到更好的机器，在这种情况下，Brainbow不够用，”他问道。

人脑虹标示的正因如此当中心。 缺少：Carla Nowosad

Lichtman毕竟应用于Brainbow在周围脑子系统做了实验室，其当中细胞核相距较远，因此微弱的紫外光也可以观察到。其他实习团队已经针对有所不同脊椎动物调整了机器——例如大鼠脑的 Flybow和尖尾秘密组出员织的Zebrabow。Brainbow与衰减电子显微镜激光核心技术相结合，使研究者医务人员只能核对哺乳动物秘密组出员织当中的细胞核形状和网络连接[14]。

而在Victora那内都，有一种取名为Confetti的活体静态将人脑虹核心技术扩展到了非脑细胞细胞核，这重一新点燃了他对Brainbow的兴趣。在淋巴结的正因如此当中心内，出对的B细胞核分泌有所不同HIV，并彼此竞争。大多数正因如此当中心持续保持着HIV分兄的生态。但Victora实习团队推断出，在5-10%正因如此当中心内，能导致高亲和力HIV的B细胞核数量可以迅速超过其它B细胞核，并移交正因如此当中心[15]。通过Brainbow追踪这些“克隆爆发（clonal burst）”的研究者医务人员在第一次标示细胞核时，看到正因如此当中心的所有细胞核都重现有所不同的红色。然后，当一个优势克隆移交时，它的后代——所有这些都与亲代细胞核有着不尽相同的红色——将正因如此当中心从彩色变为单色。他问道：“Brainbow非常明确地显示了B细胞核之间这种的秘密组出员织机构。”

遗传学物质编写构想要

如果地质学家只能多肽完备的着色体，他们就可以赋予细胞核原到时新功能，非常换病菌的遗传学途径或所设计原到时实验室子系统来进行研究者。但是，着色体多肽不能一蹴而就。

2010年，研究者医务人员拼凑出第一个大肠杆菌的多肽遗传学物质[16]。他们将大肠杆菌DNA翻修出短段落，便将它们裁剪在一起，然后一次一个段落地交换一部分着色体，直到原始DNA完全部都是被多肽对应物所取代。加州理工学院的Wang问道，自从第一次在此之后以来，这个全部都是过程也就是说持续保持不变。尽管在大肠杆菌和糖类博别赢取了非常大困难重重，但该核心技术从尚未拓展至遗传学物质非常复杂的脊椎动物。因此，在2016年，研究者医务人员宣布了遗传学物质编写构想要（Genome Project-write），旨在多肽复杂的遗传学物质，都有进化的遗传学物质。

该这两项（Nature 557, 16-17; 2018）启动时雄心勃勃，由于财力和核心技术的双重挑战，前面却不得不降低期望，侧重所设计一种能反抗菌株的进化细胞核系。但这种覆盖面的DNA多肽仍然很难，所设计编码器一新新功能的遗传学线路也一样。斯坦福大学的多肽昆虫学家Christopher Voigt表示，目前，这类实习较大高度上仍仅指个别研究者员或小实习团队的单打独斗。如果想要要大覆盖面遗传学物质多肽变得必要，那么这个全部都是过程不能改变。“这就像单人造飞机，从所设计到组出员装什么都做，”他问道，“这问道明了我们间距在遗传学物质这个覆盖面上做所设计有多恰好。”

尽管如此，Wang认为这个崇高的目标仍然可以倡导课题向左工业发展。“多肽全部都是遗传学物质的或许倡导了核心技术的工业发展。这是一个良性循环：一旦我们有了机器，它就就会使遗传学物质多肽非常加必要，人们也就会将非常多资源顺利完出该课题。”

参考文献：

1. Fredens, J. et al. Nature 569, 514–518 (2019).

2. Meyer, K. D. et al. Cell 149, 1635–1646 (2012).

3. Linder, B. et al. Nature Methods 12, 767–772 (2015).

4. Garcia-Campos, M. A. et al. Cell 178, 731–747 (2019).

5. Begik, O. et al. Preprint at bioRxiv (2021).

6. Mereu, E. et al. Nature Biotechnol. 38, 747–755 (2020).

7. Sungnak, W. et al. Nature Med. 26, 681–687 (2020).

8. Chen, C., Tillberg, P. W. Max Boyden, E. S. Science 347, 543–548 (2015).

9. Chang, J.-B. et al. Nature Methods 14, 593–599 (2017).

10. Alon, S. et al. Science 371, eaax2656 (2021).

11. Hafner, A.-S., Donlin-Asp, P. G., Leitch, B., Herzog, E. Max Schuman, E. M. Science 364, eaau3644 (2019).

12. Lim, Y. et al. PLoS Biol. 17, e3000268 (2019).

13. Livet, J. et al. Nature 450, 56–62 (2007).

14. Shen, F. Y. et al. Nature Commun. 11, 4632 (2020).

15. Nowosad, C. R. et al. Nature 588, 321–326 (2020).

16. Gibson, D. G. et al. Science 329, 52–56 (2010).

标题以Five trendy technologies: where are they now?标题发表文章在2021年6月末21日的《自然》的核心技术博写除此以外上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7