五大新兴科学研究方法和项目，你重新认识几个？|《自然》技术特写

概述迅速崭露头角的杰显现出科学研究工具箱和重大项目，我们可以推测一些主导的显现出乎意料捷径。

当被问起商学时，Kaihang Wang的问道很干脆：“手艺人”。毕竟他在加州理工学院（California Institute of Technology）的大部分岗位都与造两边有关，尽管不是用来用和钉子。Wang的一个团队整合了原子工具箱，包括一个控制系统——生物体科学科学研究家可以通过程序语言，将长的小原子DNA支链转入病菌细胞膜[1]。再进一步度探讨过后，Wang给显现出了一个更科学科学研究的问道：小原子生物体科学科学研究或DNA建筑工程。“某种程度说道，我们所有努力主要由一个整体前提倡议，那就是带入永生”，他说道。

和Wang一样，当显然的工具箱太低时，许多生物体科学科学研究家时会跨学科寻找材料、合作者或完同类型相同的作法。这更进一步了同类型原再命名的作法或Alliance，如“衰减超声超声（expansion microscopy）”或“DNA编纂计划书（Genome Project-write）”。其中所一些作法或Alliance由于其技术开发战斗能力及显赫的名声而在科学科学研究家中所一举成名。

即将预示：“有机体细胞膜概要”。来源：改编自Getty。

密歇根州州立的大学科学研究科学科学研究哲学的Erika Szymanski表示，为一个应用或工具箱取个琅琅上口的名字，可以为科学研究者创始显现出追寻的概念框架。“就像超声镜限制了我们用它能看见什么，我们只能‘听见’那些有名字的两边，”她说道，“试图以原再框架来探讨岗位有时时会很有成效，因为它开辟显现出密闭，让我们可以想象原再可能性。”

在本文中所，《连续性》追寻了依然15年中所5项闻名于世的技术开发。有些已经开辟了原再科学研究应用或赢取了经费捐助；有些遏制了亚太地区合作，或者在科学研究中所推测了完同类型相同于最初意布的原再前提。无论是揭示了细胞膜功用，推波助澜了公司和疗法，还是在疫情期间为卫生议程透过了的资讯，这5项技术开发都在科学科学研究史上留下浓墨重彩的一笔。

表观雅异性组学

与DNADNA一样，信使RNA可以携带改变其功用或命运的化学上面，例如N-或糖基。这种；也相当实质上，并且有推测得显现出结论，某些mRNA高度突变而其他mRNA很难，指向了这些上面的生物体科学科学研究功用。2012年，威尔康奈尔该学院（Weill Cornell Medical College）的RNA生物体科学科学研究家Samie Jaffrey等整合了一种作法来比对普遍存在于雅异性组（细胞膜或生物体体中所雅异性显现出来的所有RNA）中所的雅定mRNA突变上面，命名叫m6A[2]。

该科学研究的主导作者Christopher Mason也在威尔康奈尔该学院岗位，他带入了“表观雅异性组学”这一专有名词来说明该一个团队的假设，即N-上面调节mRNA雅异性本的活性，从而得显现出结论为什么核酸水平相当总是与编码它们的雅异性本的丰度近似于。“这可能是遗传编码的原再不仅仅，这一点很吸引人。”Jaffrey说道。原再名称使其他人更容易理解这个概念。

几年下来，表观雅异性组学已经持续发展成一个独立的应用，有专门的经费、时会议和合作需求。意大利巴塞罗那DNA调控的中所心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA生物体科学科学研究家Eva Maria Novoa Pardo说道：“在某种程度上，一个原再词的带入引领了整个科研群体的显现。”

Jaffrey和Mason的早期作法是适用m6A病原体来复合长为100-200个核糖的；也RNA短片，然后他们通过原子生物体学对其完成认定。后来，该一个团队将病原体与残基交联，然后沉淀病原体结合的RNA短片以精确相对于突变位点，从而生成第一个单核糖水平的突变mRNA概要。这最大限度比对另一类携带；也的原子，专指雅罗斯季亚涅齐RNA[3]。“我们从前开始看法一个想法：m6A的一个主要功用是上面RNA以借助于快速周转”，Jaffrey说道，这对细胞膜改变和专一的战斗能力至关重要。

随后科学科学研究家整合了可以在雅定DNA上研磨非突变RNA的激酶。整合者、以色列魏茨曼科学科学研究科学研究中心（Weizmann Institute of Science）RNA生物体科学科学研究家Schraga Schwartz能用该工具箱，不仅能检测雅相对于点是否是被修改，还可以检测携带突变基序的雅异性本的百分比。当Schwartz等将其应用整个雅异性组时，他们推测基于病原体的技术开发缺失了将近75%的；也位点，得显现出结论其敏感性受限[4]。“这个结果令人开心，”他说道，“以以前就一种，从前有了两种作法，我们看难题更同类型面了。”

从前，表观雅异性组学科学研究职员可以适用纳米圆孔原子生物体学仪直接读取；也过的 RNA。与传统原子生物体学仪需要再通过逆雅异性将RNA转化为DNA完同类型相同，这些仪器将RNA原子通过核酸纳米圆孔并造成雅定的阻抗，然后读取阻抗接收机以获取RNADNA。依然，读取阻抗接收机的原子生物体学算法经常误传突变的m6A核糖。因此，2019年Novoa等人外观设计了一种算法（今年早些时候有更原再[5]），适用这些错误来预测哪些位点携带突变核糖。“确实对天然RNA完成原子生物体学（而无需再将其逆雅异性成DNA），为雅异性组开辟了无偏差的情景”，她说道。

有机体细胞膜概要

2003年有机体DNA原子生物体学的完成，以及科学研究单细胞膜的原再工具箱的显现，让科学科学研究家开始畅想是否是可以对每个有机体细胞膜的独雅位置、行为和发育完成绘布。法国维格科学研究中心（Wellcome Sanger Institute）遗传学家Sarah Teichmann和American南加州基因梅西（Genentech）的测算生物体科学科学研究家Aviv Regev就是其中所两位。

2016年底，Teichmann、Regev等聚在一齐咨询这个想法。有机体细胞膜概要计划书（Human Cell Atlas）由此开端，这是一个适用单细胞膜捷径插图每个有机体细胞膜、有组织和器官的构件、遗传学和生物体科学科学研究的重大项目。该小组强调开放、协同工作的作法：任何人都可以参与，并且该Alliance适用广泛的原子和测算作法收集的资讯。

“很难什么金标准技术开发可以借助于所有目的，”在CRG 科学研究单细胞膜原子生物体学技术开发并主导该Alliance标准和技术开发岗位组的Holger Heyn说道，“每种作法都有误差。我们整合的技术开发越多，误差就越少。”

在2020年的一项科学研究中所，Heyn等人在一组普通参考样本中所比较了13种单细胞膜RNA原子生物体学技术开发，并根据其推测细胞膜雅异性上面物的战斗能力完成评价[6]。他们推测，结果差异的一个主要来源是样本中所细胞膜的大小。“我们的前提不是比个高下，而是决定通过每种技术开发能获取哪些的资讯”，Heyn说道。

有机体细胞膜概要Alliance从前在77个国家拥有将近2200名成员，他们总共分析了来自14个主要器官的约3900万个细胞膜，并显现出版了将近80篇文章，而且这些数字还在慢慢增高。

此外，这些原始数据还最大限度解开COVID-19的探究。2020年底，Alliance成员主干了26个已显现出版和未显现出版的原始数据集，以了解到冠状病毒感染SARS-CoV-2如何入侵肺有组织。他们插图了病毒感染运用于进入有组织（包括鼻子、耳朵和耳朵等）的细胞膜表面受体布[7]。其后，世界各地的科学研究职员适用该概要来了解到感染过程。Teichmann表示，它甚至最大限度为卫生议程透过的资讯，例如要求人们戴眼罩的政策。“这场疫情对有机体细胞膜概要计划书来说道不太可能是变革性的，”她说道，“它展现了细胞膜概要的价值——即使还是早期的、不完整的概要。”

衰减超声超声

尽管许多着迷于超声镜分辨率的科学研究职员专注于打造更好的硬件，但神经元科学科学研究家Ed Boyden采取了完同类型相同的方式而。他与史丹佛的大学的同僚一齐，外观设计了一种专指衰减超声超声（expansion microscopy）的技术开发，它可以像给气球请到一样增高细胞膜和有组织。

该作法将一种专指丙烯酸酯的过氧化物汇入探针中所。加水时会随之而来过氧化物催化和衰减，随着其增高，细胞膜组分被推入。早期试图时细胞膜时会破裂或衰减不均匀。但通过在催化以前填充激酶来软化有组织，科学研究职员可以将动物数学模型神经元有组织增高到原始大小的4.5倍[8]。两年后，该一个团队将该作法延伸至十几种有组织各种类型，其中所一些可以增高16倍[9]。“能确保物理转换成倍数的比例准确，这个技术开发才有价值，”Boyden说道。

今年，Boyden一个团队能用这个概念来相对于有组织中所的雅定RNA，这是一个专指密闭雅异性组学的子应用。他们首再扩展到了动物数学模型神经元有组织的一部分，然后对锚定的RNA完成了原位原子生物体学[10]。

衰减超声超声联合RNA原子生物体学(左)主导揭示了动物数学模型视觉脑神经元控制系统的构件(赞善)。 来源：S. Alon et al./Science

德国马克斯相对论性神经元科学研究中心（Max Planck Institute for Brain Research）的神经元科学科学研究家Erin Schuman科学研究核酸在名叫神经元细胞的神经元细胞膜连接处如何小原子，长期以来他一直借助银上色等间接作法来可视化此过程。Schuman想直接在神经元细胞中所看见原再小原子的核酸。但神经元细胞是由长而细的纤维形成的，这些被专指轴突的纤维缺乏更佳的原子上面。“它们实际上是那种最难科学研究的两边”，她说道。

通过衰减超声超声技术开发，Schuman一个团队第一次看见，几乎所有的轴突下侧都有小原子原再核酸的机制[11]。“它不太可能帮我们以高置信度接触神经元细胞，并完成数据采集分析”，她说道。

斯坦福的大学（Stanford University）生物体建筑技术人员Bo Wang适用该工具箱创始了一张高分辨率布像，展示了常见肠道病原体大肠杆菌如何与人生殖细胞膜相互功用。在优化“软化”步骤时，Wang和同僚推测该作法可运用于探测病菌细胞膜壁的硬度。这个坚硬的外层，是该病原体对抗生素和寄生物体防御的决定性。探测微型物体的液压雅性很困难，但衰减超声超声技术开发尽力一个团队探测了单个批次中所数千个细胞膜壁的准确度，以了解到病菌如何对寄生物体免疫细胞做到显现出反应[12]。“值得注意的方式而可以尽力问道植物、地衣和许多完同类型相同生境的生物体难题”，Wang说道。

神经元彩虹

2007年，由纽约的大学神经元科学科学研究家Jeff Lichtman和Joshua Sanes主导的一个团队整合显现出一种作法来区分开动物数学模型神经元中所纠缠的神经元控制系统[13]。科学研究职员重构了一个控制系统，其中所编码少数发光蛋白的基因由神经元控制系统雅有的调节DNA控制，该DNA两侧是标签，标签将引导重组激酶对这些发光基因完成立即表达。细胞膜时会获得基因“盒”的多个副本，当科学研究职员激活比对重组标签的核酸时，它时会将这些基因改组为各种随机混搭，并乏善可陈为如彩虹般的发光。他们称此工具箱为神经元虹（Brainbow）。

Gabriel Victora回想起自己在纽约的大学（New York University）完成学业硕士生时，对那些如万花筒般灿烂的神经元布片大感震撼，每个细胞膜橙色都不一样。但Victora的科学研究集中所于亦非的中所心（淋巴结的一种微观构件，免疫细胞膜在此分化和生长）。“我们很难马上想到可以用这项技术开发，”从前已是新奥尔良桑德斯的大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora说道，“我记得当时在想，‘但他却是那是在神经元里’。”

Lichtman曾希望上面单个细胞膜的战斗能力将最大限度解决精细宏观的细节难题，例如神经元中所的神经元细胞连接。但是小的细胞膜构件发光原子少，造成的发光接收机光度欠缺——通常都太暗了没法用。Lichtman表示，他对结果感到后悔，其后转为了诸如整年切片扫描电子超声镜之类的技术开发，在这种技术开发中所，一块有组织被多次重复超声、切削、再进一步次超声，以插图神经元连接布。“你得为这项岗位找到合适的工具箱，在这种情况下，Brainbow欠缺用，”他说道。

神经元虹上面的亦非的中所心。 来源：Carla Nowosad

Lichtman不太可能适用Brainbow在周围神经元控制系统做到了实验，其中所细胞膜相距较远，因此微弱的发光也可以观察到。其他一个团队已经针对完同类型相同生物体调整了工具箱——例如果蝇神经元的 Flybow和斑马鱼有组织的Zebrabow。Brainbow与衰减超声超声技术开发相结合，使科学研究职员必须检查哺乳动物有组织中所的细胞膜形状和连通性[14]。

而在Victora那里，有一种名叫Confetti的动物数学模型数学模型将神经元虹技术开发扩展到到了非神经元控制系统细胞膜，这重原再点燃了他对Brainbow的兴趣。在淋巴结的亦非的中所心内，成群的B细胞膜分泌完同类型相同病原体，并彼此竞争。大多数亦非的中所心保持着病原体原子的多样性。但Victora一个团队推测，在5-10%亦非的中所心内，能造成高亲和力病原体的B细胞膜数量可以迅速超过其它B细胞膜，并接管亦非的中所心[15]。通过Brainbow这些“奎尔爆发（clonal burst）”的科学研究职员在第一次上面细胞膜时，看见亦非的中所心的所有细胞膜都呈现完同类型相同的橙色。然后，当一个优势奎尔接管时，它的氏族——所有这些都与亲代细胞膜具备相同的橙色——将亦非的中所心从彩色换成单色。他说道：“Brainbow非常清楚地显示了B细胞膜密切关系这种的分工。”

DNA编纂计划书

如果科学科学研究家必须小原子完整的碱基，他们就可以等同于细胞膜原再版本，更换传染病的遗传捷径或外观设计原再实验控制系统完成科学研究。但是，碱基小原子不能一蹴而就。

2010年，科学研究职员拼凑显现出第一个病菌的小原子DNA[16]。他们将病菌DNA改造成短短片，再进一步将它们拼接在一齐，然后一次一个短片地交换一部分碱基，直到原始DNA完同类型被小原子对应物所过渡到。加州理工学院的Wang说道，自从第一次试图以来，这个过程整体保持不变。尽管在病菌和菌种不足之处赢取了显著进展，但该技术开发从未拓展至DNA更适合于的生物体。因此，在2016年，科学研究职员无限期了DNA编纂计划书（Genome Project-write），旨在小原子适合于的DNA，包括有机体的DNA。

该重大项目（Nature 557, 16-17; 2018）启动时雄心勃勃，由于经费和技术开发的双重显现出乎意料，后面却迫使减缓希望，专注外观设计一种能反击病毒感染的有机体细胞膜系。但这种规模的DNA小原子仍然很难，外观设计编码原再版本的遗传线路也一样。史丹佛的大学的小原子生物体科学科学研究家Christopher Voigt表示，目以前，这类岗位很大程度上仍总称个别科学讲师或小一个团队的显现出乎意料。如果想要大规模DNA小原子愈发难以借助于，那么这个过程必须改变。“这就像单人造飞机，从外观设计到组装什么都做到，”他说道，“这说道明了我们距离在DNA这个规模上做到外观设计有多很久以前。”

尽管如此，Wang认为这个崇高的前提仍然可以倡议应用向以前持续发展。“小原子同类型DNA的动机倡议了技术开发的持续发展。这是一个良性循环：一旦我们有了工具箱，它就时会使DNA小原子更加难以借助于，人们也时会将更多教育资源投入该应用。”

注解：

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?副标题显现出版在2021年6月底21日的《连续性》的技术开发雅写版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7