七大新兴科学研究方法和项目，你认识几个？|《自然》技术特写

谈及短时间一举成名的杰单单研究者辅助工具和项目，我们可以推断单单一些主导的顺利都能。

当被问及特长时，Kaihang Wang的问到很这样一来：“手艺人”。或许他在普林斯顿大学（California Institute of Technology）的仅有实习都与造好像有关，尽管不是用锤次子和石头。Wang的制作团队联合开发了分次子辅助工具，还包括一个操控系统——学家可以通过程序语言，将长的多肽DNA链转至薄菌薄胞[1]。再度反思过后，Wang计算单单来了一个更为科学的问到：多肽微生物学学或DNA分组工程施工。“彻底感叹，我们所有期望主要由一个基本目的推广，那就是造就生命”，他感叹。

和Wang一样，当本来的辅助工具不足时，许多学家但会跨学科寻找材料、合笔记或完均一致的方法有。这促成了均一新名为的方法有或Alliance，如“变大成像光学（expansion microscopy）”或“DNA分组汇编原先（Genome Project-write）”。其中但会一些方法有或Alliance由于其技术联合开发能够及显要的威望而在科学家中但会引起轰动。

紧接著到来：“有机体薄胞三幅集”。举例来说：改编自Getty。

科罗拉多州立大学研究者科学和哲学的Erika Szymanski透露，为一个科技领域或辅助工具取个琅琅上口的名字，可以为研究者者创设单单探寻的种概念基本种概念。“就像成像镜限制了我们用它能注意到什么，我们只能‘看见’那些有名字的好像，”她感叹，“无论如何以一新基本种概念来反思实习有时但会很有经济效益，因为它修筑单单空间，让我们可以想象一在此之后可能性。”

在本文中但会，《自然现象》探寻了无论如何15年中但会5项著名的技术联合开发。有些之前修筑了一在此之后研究者科技领域或赢取了财力资助；有些遏制了均球合作伙伴，或者在研究者中但会推断单单了完均一致于最初三幅谋的一新目的。无论是阐述了薄胞基本功能，有鉴于了Corporation和疗法，还是在非典期间为卫生协调给予了个人信息，这5项技术联合开发都在世界史上遗留下浓墨重彩的一笔。

一般感叹来mRNA分组学

与DNA分组DNA一样，信使RNA可以运载忽略其基本功能或命运的化学标识，例如烷基或酰基。这种粘贴非常统一，并且有推断单单说明，某些mRNA高度磷酸化而其他mRNA无法，看成了这些标识的微生物学学起到。2012年，尼尔托马斯医科（Weill Cornell Medical College）的RNA学家Samie Jaffrey等联合开发了一种方法有来鉴别由来已久于mRNA分组（薄胞或动物细胞中但会mRNA单单来的所有RNA）中但会的特定mRNA磷酸化标识，名为叫m6A[2]。

该研究者的主导笔记Christopher Mason也在尼尔托马斯医科实习，他造就了“一般感叹来mRNA分组学”这一词来解释该制作团队的假设，即烷基标识平衡mRNAmRNA本的活性，从而说明为什么酶水平非常常常与编码方式它们的mRNA本的丰度相一致。“这可能是突变编码方式的一新层面，这一点很慕名而来人。”Jaffrey感叹。一新称谓使其他人更为容易理解这个种概念。

几年下来，一般感叹来mRNA分组学之前转变成一个脱离的科技领域，有专门的财力、但会议和合作伙伴生产力。西班牙毕尔巴鄂DNA分组调控的中但会心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA学家Eva Maria Novoa Pardo感叹：“在仅仅上，一个一新名词的造就引领了整个科研成果群体的单单现。”

Jaffrey和Mason的20世纪方法有是常用m6A血清来剥离长为100-200个多肽的粘贴RNA图片，然后他们通过DNA对其开展鉴定。后来，该制作团队将血清与底物聚合，然后沉淀血清结合的RNA图片以精确取向磷酸化核糖体，从而聚合第一个单多肽水平的磷酸化mRNA三幅集。这有助于鉴别另一类运载粘贴的分次子，特指胚芽RNA[3]。“我们现今开始认同一个想法：m6A的一个主要基本功能是标识RNA以充分借助加速周转”，Jaffrey感叹，这对薄胞忽略和适应环境的能够至关重要。

随后科学家联合开发了可以在特定氨基酸上切割非磷酸化RNA的酶。联合开发者、约旦魏茨曼科学研究者所（Weizmann Institute of Science）RNA学家Schraga Schwartz借助该辅助工具，不仅能检查特取向点是否被修订，还可以检查运载磷酸化基序的mRNA本的百分比。当Schwartz等将其应用于整个mRNA分组时，他们推断单单基于血清的技术联合开发遗漏了仅有75%的粘贴核糖体，说明其诱因有限[4]。“这个结果令人惊喜，”他感叹，“实际上就一种，现今有了两种方法有，我们看问题更为均面了。”

现在，一般感叹来mRNA分组学研究者技术联合开发人员可以常用激光盖DNA仪非常只能加载粘贴过的 RNA。与现代DNA仪只能先行通过突变物质将RNA转化为DNA完均一致，这些器材将RNA分次子通过酶激光盖并造成特定的线圈，然后编码线圈讯号以获取RNA氨基酸。无论如何，编码线圈讯号的DNA算法常常误读磷酸化的m6A多肽。因此，2019年Novoa等人一新设计了一种算法（当年早些时候有更为一新[5]），常用这些错误来预测哪些核糖体运载磷酸化多肽。“有可能对天然RNA开展DNA（而无需先行将其突变物质成DNA），为mRNA分组修筑了无偏差的表现形式”，她感叹。

有机体薄胞三幅集

2003年有机体DNA分组DNA的未完成，以及研究者单薄胞的一新辅助工具的单单现，让科学家开始畅想是否可以对每个有机体薄胞的截然不同左边、行为和发育开展绘三幅。美国维格研究者所（Wellcome Sanger Institute）突变学家Sarah Teichmann和美国南加州DNA哈维（Genentech）的计算学家Aviv Regev就是其中但会两位。

2016下半年，Teichmann、Regev等相约讨论这个想法。有机体薄胞三幅集原先（Human Cell Atlas）由此诞生，这是一个常用单薄胞都能画每个有机体薄胞、分许多组织和器官的在结构上、突变学和微生物学学的项目。该小分组强调封闭、密切合作伙伴的方法有：任何人都可以策划，并且该Alliance常用广泛的分次子和计算方法有得来个人信息。

“无法什么金标准技术联合开发可以充分借助所有借此，”在CRG 研究者单薄胞DNA技术联合开发并领导该Alliance标准和技术联合开发实习分组的Holger Heyn感叹，“每种方法有都有标准差。我们构建的技术联合开发越多，标准差就越少。”

在2020年的一项研究者中但会，Heyn等人在一分组大多参考样品中但会相对了13种单薄胞RNADNA技术联合开发，并根据其推断单单薄胞特异性标识物的能够开展称赞[6]。他们推断单单，结果差异的一个主要举例来说是样品中但会薄胞的微小。“我们的目的不是比个高下，而是决定通过每种技术联合开发能获取哪些个人信息”，Heyn感叹。

有机体薄胞三幅集Alliance现今在77个第三世界拥有仅有2200名团员，他们总共量化了来自14个主要器官的约3900万个薄胞，并刊单单了仅有80篇文章，而且这些数字还在急剧降低。

此外，这些个人信息还有助于解开COVID-19的奥秘。2020年初，Alliance团员汇集了26个已刊单单和从未刊单单的个人信息集，以了解冠状接种SARS-CoV-2如何入侵脾分许多组织。他们画了接种用于进入分许多组织（还包括嘴唇、嘴巴和嘴巴等）的薄胞内层受体三幅[7]。在此之后，世界各地的研究者技术联合开发人员常用该三幅集来了解接种每一次。Teichmann透露，它甚至有助于为卫生协调给予个人信息，例如要求人们戴口罩的外交政策。“这场非典对有机体薄胞三幅集原先来感叹显然是变革性的，”她感叹，“它展现了薄胞三幅集的价值——即使还是20世纪的、不非常简单的三幅集。”

变大成像光学

尽管许多着迷于成像镜解析度的研究者技术联合开发人员专注于构筑更为好的硬件，但脑科学家Ed Boyden采取了完均一致的策略。他与斯坦福大学的同事一起，一新设计了一种特指变大成像光学（expansion microscopy）的技术联合开发，它可以像给气球拍手一样增加薄胞和分许多组织。

该方法有将一种特指丙烯酸酯的单体注入器材中但会。加水但会导致单体聚合和变大，随着其增加，薄胞分混合物被推入。20世纪无论如何时薄胞但会软化或变大不均匀。但通过在聚合前添加酶来转化成分许多组织，研究者技术联合开发人员可以将人体内脑分许多组织增加到重构微小的4.5倍[8]。两年后，该制作团队将该方法有延展至十几种分许多组织类型，其中但会一些可以增加16倍[9]。“能保障物理放大倍数的比例正确，这个技术联合开发才值得注意，”Boyden感叹。

当年，Boyden制作团队借助这个种概念来取向分许多组织中但会的特定RNA，这是一个特指空间mRNA分组学的次子科技领域。他们首先行引入了人体内脑分许多组织的一部分，然后对锚定的RNA开展了移置DNA[10]。

变大成像光学联合RNADNA(右边)主导阐述了人体内视觉神经纤维脑元的在结构上(右)。 举例来说：S. Alon et al./Science

瑞士马克斯普朗克脑研究者所（Max Planck Institute for Brain Research）的脑科学家Erin Schuman研究者酶在名叫皮质的脑薄胞连通处如何多肽，长期以来他一直依靠银染等间接方法有来可视化此每一次。Schuman想非常只能在皮质中但会注意到一新多肽的酶。但皮质是由长而薄的纤维形成的，这些被特指神经的纤维缺乏良好的分次子标识。“它们本来是那种最难研究者的好像”，她感叹。

通过变大成像光学技术联合开发，Schuman制作团队第一次注意到，几乎所有的神经末端都有多肽一新酶的功能[11]。“它显然大哥我们以高置信度接触皮质，并开展高通量量化”，她感叹。

哥伦比亚大学（Stanford University）生物学工程施工师Bo Wang常用该辅助工具创设了一张高解析度缩放，重现了常见肠道病原体致病如何与人体薄胞相互起到。在优化“转化成”步骤时，Wang和同事推断单单该方法有可用于量度薄菌薄胞壁的硬度。这个粗糙的数层，是该病原体对药剂和寄主防御的关键性。量度微型内层的机械功能性很麻烦，但变大成像光学技术联合开发期望制作团队量度了单个批次中但会数千个薄胞壁的强度，以了解薄菌如何对寄主寄生物学继续做单单反应[12]。“类似的策略可以期望问到植物、真菌和许多完均一致物种的环境因素问题”，Wang感叹。

脑彩虹

2007年，由耶鲁大学脑科学家Jeff Lichtman和Joshua Sanes领导的制作团队联合开发单单一种方法有来区分人体内人脑中但会周旋的脑元[13]。研究者技术联合开发人员构筑了一个操控系统，其中但会编码方式少数萤光亚基的DNA由脑元特有的平衡氨基酸操控，该氨基酸两侧是ID，ID将引导重分组酶对这些萤光DNA开展随即表达。薄胞但会得到DNA“盒”的多个副本，当研究者技术联合开发人员抑制鉴别重分组ID的酶时，它但会将这些DNA改分组为各种随机分组合，并表现为如彩虹般的萤光。他们称此辅助工具为脑虹（Brainbow）。

Gabriel Victora回说起自己在耶鲁大学（New York University）攻读研究者生时，对那些如万花筒般绚烂的人脑三幅片大感震撼，每个薄胞色调都不一样。但Victora的研究者集中但会于无用的中但会心（淋巴结的一种微观在结构上，免疫薄胞在此瓦解和生长）。“我们无法立即说起可以用这项技术联合开发，”现在已是一新奥尔良赫伯特大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora感叹，“我那时候当时在想，‘幸好是那是在人脑里’。”

Lichtman曾期望标识单个薄胞的能够将有助于彻底解决精薄宏观的薄节问题，例如人脑中但会的皮质连通。但是小的薄胞在结构上萤光分次子少，造成的萤光讯号亮度实在——有时候都太暗了没法用。Lichtman透露，他对结果令人失望，在此之后转为了诸如紧接著切开显像电次子成像镜之类的技术联合开发，在这种技术联合开发中但会，一块分许多组织被重复光学、钻头、再次光学，以画脑连通三幅。“你得为这项实习找到合适的辅助工具，在这种情况下，Brainbow实在用，”他感叹。

脑虹标识的无用的中但会心。 举例来说：Carla Nowosad

Lichtman显然常用Brainbow在周遭脑操控系统继续做了实验，其中但会薄胞相距较远，因此微小的萤光也可以观察到。其他制作团队之前针对完均一致生物学调整了辅助工具——例如大鼠人脑的 Flybow和斑马鱼分许多组织的Zebrabow。Brainbow与变大成像光学技术联合开发相结合，使研究者技术联合开发人员能够体检哺乳动物分许多组织中但会的薄胞外观和操控点[14]。

而在Victora那里，有一种名叫Confetti的人体内模型将脑虹技术联合开发引入到了非脑元薄胞，这重一新点燃了他对Brainbow的兴趣。在淋巴结的无用的中但会心内，成群的B薄胞分泌完均一致血清，并彼此竞争。大多数无用的中但会心保持着血清分次子的生态。但Victora制作团队推断单单，在5-10%无用的中但会心内，能造成高亲和力血清的B薄胞生产量可以短时间超过其它B薄胞，并接管无用的中但会心[15]。通过Brainbow这些“乔纳森挑起（clonal burst）”的研究者技术联合开发人员在第一次标识薄胞时，注意到无用的中但会心的所有薄胞都呈现完均一致的色调。然后，当一个占优势乔纳森接管时，它的后代——所有这些都与亲代薄胞具有完均一致的色调——将无用的中但会心从彩色变为单色。他感叹：“Brainbow非常似乎地显示了B薄胞之间这种的分工。”

DNA分组汇编原先

如果科学家能够多肽非常简单的线粒体，他们就可以赋予薄胞一在此之后基本功能，改用致病的突变都能或一新设计一在此之后实验操控系统开展研究者。但是，线粒体多肽只能一蹴而就。

2010年，研究者技术联合开发人员拼凑单单第一个薄菌的多肽DNA分组[16]。他们将薄菌DNA改造成图片段，再将它们剪裁在一起，然后一次一个图片地交换一部分线粒体，直到重构DNA仅仅被多肽对应物所取代。普林斯顿大学的Wang感叹，自从第一次无论如何以来，这个每一次基本保持保持稳定。尽管在薄菌和糖类方面赢取了显著进展，但该技术联合开发早已扩大至DNA分组更为复杂的生物学。因此，在2016年，研究者技术联合开发人员月了DNA分组汇编原先（Genome Project-write），旨在多肽复杂的DNA分组，还包括有机体的DNA分组。

该项目（Nature 557, 16-17; 2018）启动时雄心勃勃，由于财力和技术联合开发的双重挑战，后面却不得不降低期望，专注一新设计一种能反击接种的有机体薄胞系。但这种规模的DNA多肽始终很难，一新设计编码方式一新操控系统的突变线路也一样。斯坦福大学的多肽学家Christopher Voigt透露，迄今，这类实习很大程度上仍属于个别研究者员或小制作团队的单打独斗。如果期望大规模DNA分组多肽更加可行，那么这个每一次必须忽略。“这就像单人造飞机，从一新设计到分拼装什么都继续做，”他感叹，“这感叹明了我们距离在DNA分组这个规模上继续做一新设计有多很远。”

尽管如此，Wang视为这个高贵的目的始终可以推广科技领域向前转变。“多肽均DNA分组的动机推广了技术联合开发的转变。这是一个良性循环：一旦我们有了辅助工具，它就但会使DNA分组多肽更为加可行，人们也但会将更为多资源投入该科技领域。”

以下内容：

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. Simon 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. Simon 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).

原文以Five trendy technologies: where are they now?末尾刊单单在2021年6月21日的《自然现象》的技术联合开发特写的会上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7