五大新兴科学研究原理和项目，你认识几个？|《自然》技术特写

回去顾短时间崭露头角的杰不止成就研究社会活动工具箱和工程项目，我们可以见到一些一同的成功途径。

当被他指专攻时，Kaihang Wang的反问很于是便：“手艺人”。毕竟他在耶鲁大学（California Institute of Technology）的大部分社会活动都与造外面有关，尽管不是用锤子和钉子。Wang的的小小组整合了水分子工具箱，最主要一个种系统——生物科学家可以通过Smalltalk，将长的多肽DNA链转往大肠杆菌细胞内[1]。再度思考过后，Wang给不止了一个越远来越远科学的反问：多肽生物科学或DNA工程。“从根本上说道，我们所有努力主要由一个也就是说远距离推展，那就是建构永生”，他说道。

和Wang一样，当手头的工具箱不足时，许多生物科学家或许会跨学科寻找材料、合作整合者或有所不同的工具箱。这造就了全早先命名的工具箱或三巨头，如“减慢放射显像（expansion microscopy）”或“DNA编撰计划书（Genome Project-write）”。其中所一些工具箱或三巨头由于其电子技术意志力及显赫的名气而在地质学家中所轰动一时。

即将到来：“永生细胞内图集”。缺较少：改编自Getty。

科罗拉多杜克的学校研究社会活动科学修辞学的Erika Szymanski暗示，为一个应用或工具箱取个琅琅上口的名字，可以为研究社会活动者创建不止聚焦的术语方法论。“就像放射镜限制了我们用它能碰到什么，我们只能‘望著’那些有名字的外面，”她说道，“试图以早先方法论来思考社会活动有时或许会很有成效，因为它另辟不止自由空间，让我们可以打算象早先的或许性。”

在本文中所，《自然》聚焦了以前15年中所5项著名的电子技术。有些并未另辟了早先的研究社会活动应用或取得了资金投入资助；有些加强了亚太地区合作整合，或者在研究社会活动中所见到了有所不同于早先意图的早先远距离。无论是揭示了细胞内动态，催生了公司和疗法，还是在禽流感期间为预防管理者提供了电子邮件，这5项电子技术都在科学史上留下浓墨重彩的一笔。

表观核苷酸小组学

与DNADNA一样，早先RNA可以携带改变其动态或命运的化学上标，例如羟基或糖基。这种；也未必实质上，并且有见到得不止结论，某些mRNA相对于核苷酸而其他mRNA没有，看成了这些上标的生物科学作用。2012年，尼尔斯坦福医学院（Weill Cornell Medical College）的RNA生物科学家Samie Jaffrey等整合了一种工具箱来辨认普遍存在于核苷酸小组（细胞内或生物体中所核苷酸不止来的所有RNA）中所的特定mRNA核苷酸上标，命名为m6A[2]。

该研究社会活动的一同作者Christopher Mason也在尼尔斯坦福医学院社会活动，他建构了“表观核苷酸小组学”这一术语来解释该的小小组的推论，即羟基上标恒定mRNA核苷酸本的活性，从而得不止结论为什么核酸高水平未必总是与编码它们的核苷酸本的丰度相匹配。“这或许是基因编码的早先层面，这一点很带给人。”Jaffrey说道。早先名称使其他人越远来越远容易理解这个术语。

几年下来，表观核苷酸小组学并未演进成一个独立的应用，有都由的资金投入、或许会议和合作整合需求。西班牙巴塞罗那DNA调控中所心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA生物科学家Eva Maria Novoa Pardo说道：“在某种程度上，一个专有名词的建构引领了整个科研群体的显现不止来。”

Jaffrey和Mason的后期工具箱是常用m6AHIV来分离长为100-200个核苷酸的；也RNA片段，然后他们通过高通量对其同步进行深入研究。后来，该的小小组将HIV与底物聚合，然后水合HIV结合的RNA片段以精确定位核苷酸DNA座，从而生成第一个单核苷酸高水平的核苷酸mRNA图集。这有效地辨认另一类携带；也的水分子，称认真胚芽RNA[3]。“我们以前开始肯定一个打算法：m6A的一个主要动态是上标RNA以借助快速周转”，Jaffrey说道，这对细胞内改变和适应环境的意志力至关重要。

随后地质学家整合了可以在特定DNA小组上挤压非核苷酸RNA的酶。整合者、以色列魏茨曼科学研究社会活动所（Weizmann Institute of Science）RNA生物科学家Schraga Schwartz来进行该工具箱，不仅能显像特定DNA座是否被修改，还可以显像携带核苷酸基序的核苷酸本的百分比。当Schwartz等将其运用整个核苷酸小组时，他们见到基于HIV的电子技术遗漏了多达75%的；也DNA座，得不止结论其敏感性有限[4]。“这个结果更让人惊喜，”他说道，“以前就一种，以前有了两种工具箱，我们看情况越远来越远全面性了。”

如今，表观核苷酸小组学研究社会活动医护人员可以常用单晶孔高通量仪直接复制到；也过的 RNA。与传统高通量仪需要必先通过逆核苷酸将RNA转化为DNA有所不同，这些仪器将RNA水分子通过核酸单晶孔并造成了特定的电容，然后解码电容讯号以提供RNADNA小组。以前，解码电容讯号的高通量算法常误读核苷酸的m6A核苷酸。因此，2019年Novoa等人设计者了一种算法（去年在在有越远来越远早先[5]），常用这些错误来预测哪些DNA座携带核苷酸核苷酸。“有或许对天然RNA同步进行高通量（而无需必先将其逆核苷酸成DNA），为核苷酸小组另辟了无偏差的；还有”，她说道。

永生细胞内图集

2003年永生DNA高通量的进行，以及研究社会活动单细胞内的早先工具箱的显现不止来，让地质学家开始畅打算是否可以对每个永生细胞内的独特位置、行为和受精同步进行绘制。英国克尔研究社会活动所（Wellcome Sanger Institute）基因学家Sarah Teichmann和美国南旧金山DNA泰克（Genentech）的计算生物科学家Aviv Regev就是其中所两位。

2016年底，Teichmann、Regev等聚在四人研讨这个打算法。永生细胞内图集计划书（Human Cell Atlas）由此诞生，这是一个常用单细胞内途径绘制每个永生细胞内、该小组织和器官的构造、基因学和生物科学的工程项目。该的小小组务实对外开放、协作的工具箱：任何人都可以参与，并且该三巨头常用广泛的水分子和计算工具箱收集电子邮件。

“没有什么金标准化电子技术可以借助所有目的，”在CRG 研究社会活动单细胞内高通量电子技术并主导该三巨头标准化和电子技术社会活动小组的Holger Heyn说道，“每种工具箱都有误差。我们整合的电子技术越远多，误差就越远较少。”

在2020年的一项研究社会活动中所，Heyn等人在两小组普通参考采样中所比较了13种单细胞内RNA高通量电子技术，并根据其见到细胞内特异性上标物的意志力同步进行评论[6]。他们见到，结果相异的一个主要缺较少是采样中所细胞内的大小。“我们的远距离不是比个高下，而是决定通过每种电子技术能提供哪些电子邮件”，Heyn说道。

永生细胞内图集三巨头以前在77个国家所拥有多达2200名成员，他们总共分析了来自14个主要器官的约3900万个细胞内，并发表了多达80篇文章，而且这些数字还在不断增高。

此外，这些许多现代数据还有效地解开COVID-19的奥秘。2020年初，三巨头成员汇集了26个已发表和没发表的许多现代数据集，以认识到冠状感染SARS-CoV-2如何入侵肺该小组织。他们绘制了感染常用进入该小组织（最主要鼻子、嘴巴和眼睛等）的细胞内表面受体图[7]。自此，全世界的研究社会活动医护人员常用该图集来认识到感染过程。Teichmann暗示，它甚至有效地为预防管理者提供电子邮件，例如允许人们戴口罩的政策。“这场禽流感对永生细胞内图集计划书来说道或许是变革性的，”她说道，“它塑造了细胞内图集的价值——即使还是后期的、不也就是说的图集。”

减慢放射显像

尽管许多困惑于放射镜分辨率的研究社会活动医护人员投身于于打造越远来越远好的硬件，但大脊髓地质学家Ed Boyden采取了有所不同的战略。他与麻省理工学院的同事四人，设计者了一种称认真减慢放射显像（expansion microscopy）的电子技术，它可以像给火球打气一样不断扩大细胞内和该小组织。

该工具箱将一种称认真丙烯酸酯的复合注入样品中所。加水或许会导致复合聚合和减慢，随着其不断扩大，细胞内成分被推开。后期试图时细胞内或许会破裂或减慢不光滑。但通过在聚合前去掉酶来软化该小组织，研究社会活动医护人员可以将果蝇脊髓该小组织不断扩大到许多现代大小的4.5倍[8]。两年后，该的小小组将该工具箱延伸至十几种该小组织类别，其中所一些可以不断扩大16倍[9]。“能确保物理放大位数的比例正确，这个电子技术才有价值，”Boyden说道。

去年，Boyden的小小组来进行这个术语来定位该小组织中所的特定RNA，这是一个称认真自由空间核苷酸小组学的子应用。他们首必先扩展了果蝇脊髓该小组织的一部分，然后对锚定的RNA同步进行了原位高通量[10]。

减慢放射显像联合RNA高通量(右方)一同揭示了果蝇视觉效果皮层大脊髓元的构造(右)。 缺较少：S. Alon et al./Science

瑞士马克斯普朗克脊髓研究社会活动所（Max Planck Institute for Brain Research）的大脊髓地质学家Erin Schuman研究社会活动核酸在名为大脊髓的大脊髓细胞内相互连接处如何多肽，向来他长期以来依靠银染色等间接工具箱来三维此过程。Schuman打算直接在大脊髓中所碰到早先多肽的核酸。但大脊髓是由长而细的纤维过渡到的，这些被称认真小脑的纤维缺乏较佳的水分子上标。“它们其实是那种最难研究社会活动的外面”，她说道。

通过减慢放射显像电子技术，Schuman的小小组第一次碰到，几乎所有的小脑末端都有多肽早先核酸的机制[11]。“它或许小弟我们以高置信度接触大脊髓，并同步进行许多现代数据处理分析”，她说道。

斯坦福的学校（Stanford University）生物设计者者Bo Wang常用该工具箱创建了一张高分辨率三维，示范了较少用肠道流感感染沙门氏菌如何与人**内相互作用。在构建“软化”步骤时，Wang和同事见到该工具箱可常用测量大肠杆菌细胞内壁的熔点。这个坚硬的外层，是该流感感染对抗生素和宿主防御的这两项。测量微型物体的链条功能性很困难，但减慢放射显像电子技术小弟助的小小组测量了单个批次中所数千个细胞内壁的强度，以认识到大肠杆菌如何对宿主有机体认真不止质子化[12]。“类似的战略可以小弟助反问变种、真菌和许多有所不同生境的生理情况”，Wang说道。

大脊髓彩虹

2007年，由哈佛的学校大脊髓地质学家Jeff Lichtman和Joshua Sanes主导的的小小组整合不止一种工具箱来分辨果蝇大脊髓中所纠结的大脊髓元[13]。研究社会活动医护人员构建了一个种系统，其中所编码较少数发射光谱蛋白的DNA由大脊髓元特有的恒定DNA小组控制，该DNA小组两侧是标签，标签将引导分拆酶对这些发射光谱DNA同步进行随即表达。细胞内或许会得到DNA“盒”的多个副本，当研究社会活动医护人员介导辨认分拆标签的核酸时，它或许会将这些DNA改小组为各种随机复合，并表现为如彩虹般的发射光谱。他们称此工具箱为脊髓虹（Brainbow）。

Gabriel Victora回去打算起自己在纽约的学校（New York University）攻读研究社会活动生时，对那些如万花筒般绚烂的大脊髓图片大感震撼，每个细胞内颜色都不一样。但Victora的研究社会活动集中所于----中所心（肿瘤的一种巨观构造，免疫细胞内在此对立和生长）。“我们没有随即打算到可以用这项电子技术，”如今已是纽约市洛克菲勒的学校（Rockefeller University）免疫学家的Victora说道，“我记得当时在打算，‘可惜是那是在大脊髓里’。”

Lichtman曾想上标单个细胞内的意志力将有效地解决精细尺度的细节情况，例如大脊髓中所的大脊髓相互连接。但是小的细胞内构造发射光谱水分子较少，造成了的发射光谱讯号亮度不够——通常都太暗了没法用。Lichtman暗示，他对结果感到不快，自此方向移动了诸如连续薄片显像电子放射镜之类的电子技术，在这种电子技术中所，上面该小组织被以此类推显像、切削、再一显像，以绘制大脊髓相互连接图。“你得为这项社会活动找不止恰当的工具箱，在这种情况下，Brainbow不够用，”他说道。

脊髓虹上标的----中所心。 缺较少：Carla Nowosad

Lichtman或许常用Brainbow在周围消化种系统认真了试验中，其中所细胞内相距较远，因此微弱的发射光谱也可以观察到。其他的小小组并未针对有所不同生物调整了工具箱——例如果蝇大脊髓的 Flybow和啮齿动物该小组织的Zebrabow。Brainbow与减慢放射显像电子技术相结合，使研究社会活动医护人员都能核对灵长目该小组织中所的细胞内形状和外延[14]。

而在Victora那里，有一种名为Confetti的果蝇模型将脊髓虹电子技术扩展到了非大脊髓元细胞内，这重早先点燃了他对Brainbow的兴趣。在肿瘤的----中所心内，成群的B细胞内分泌有所不同HIV，并彼此竞争。大多数----中所心保持良好着HIV水分子的多样性。但Victora的小小组见到，在5-10%----中所心内，能造成了高亲和力HIV的B细胞内数量可以短时间多达其它B细胞内，并接收----中所心[15]。通过Brainbow这些“沃克爆发（clonal burst）”的研究社会活动医护人员在第一次上标细胞内时，碰到----中所心的所有细胞内都看出有所不同的颜色。然后，当一个优势沃克接收时，它的先祖——所有这些都与亲代细胞内兼具相近的颜色——将----中所心从彩色转成单色。他说道：“Brainbow非常可信地显示了B细胞内中间这种的分工。”

DNA编撰计划书

如果地质学家都能多肽也就是说的线粒体，他们就可以彰显细胞内早先的动态，越远来越远换致病的基因途径或设计者早先的试验中种系统同步进行研究社会活动。但是，线粒体多肽只能一蹴而就。

2010年，研究社会活动医护人员拼凑不止第一个大肠杆菌的多肽DNA[16]。他们将大肠杆菌DNA改扩建成短片段，再将它们剪裁在四人，然后一次一个片段地交换一部分线粒体，直到许多现代DNA完全被多肽对应物所取代。耶鲁大学的Wang说道，自从第一次试图以来，这个过程也就是说保持良好不变。尽管在大肠杆菌和糖类方面取得了非常大进展，但该电子技术从没扩张至DNA越远来越远精细的生物。因此，在2016年，研究社会活动医护人员月了DNA编撰计划书（Genome Project-write），旨在多肽精细的DNA，最主要永生的DNA。

该工程项目（Nature 557, 16-17; 2018）启动时困难重重，由于资金投入和电子技术的双重挑战，后面却迫使提高盼望，投身于设计者一种能反抗感染的永生细胞内系。但这种规模的DNA多肽依然较难，设计者编码早先动态的基因线路也一样。麻省理工学院的多肽生物科学家Christopher Voigt暗示，目前，这类社会活动很大程度上仍归入个别研究社会活动员或小的小小组的单打独斗。如果打算要大规模DNA多肽变得难以借助，那么这个过程必须改变。“这就像单人造飞机，从设计者到小组装什么都认真，”他说道，“这说道明了我们距离在DNA这个规模上认真设计者有多远在。”

尽管如此，Wang相信这个崇高的远距离依然可以推展应用向前演进。“多肽全DNA的动机推展了电子技术的演进。这是一个良性循环：一旦我们有了工具箱，它就或许会使DNA多肽越远来越远加难以借助，人们也或许会将越远来越远多天然资源投入该应用。”

的有：

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. Bell 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. Bell 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).

注解以Five trendy technologies: where are they now?标题发表在2021年6月21日的《自然》的电子技术特写版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7