七大新兴科学研究方法和项目，你认识几个？|《自然》技术特写

回去顾很快崭露头角的杰出研究者应用软件和新项目，我们可以推测一些都由的成功捷径。

当被问及专长时，Kaihang Wang的问很干脆：“手艺人”。毕竟他在加州私立大学伯克利分校（California Institute of Technology）的大部份兼职都与造两边有关，尽管不是用锤叔父和钉叔父。Wang的制作团队开发方案了分叔父应用软件，有数一个该系统——动物学家可以通过编程，将长的催化DNA链转入病原体细胞内[1]。紧接著理解进行时，Wang给出了一个不够科学的问：催化生物学或性状组建筑工程。“从根本上话说，我们所有努力主要由一个基本最终目标促进，那就是孕育生命”，他话说。

和Wang一样，当起初的应用软件不足时，许多动物学家亦会跨学科寻觅塑料、沃尔夫或基本上相同的作法。这促成了全在此之后命名的作法或新联盟，如“减小细胞学超声（expansion microscopy）”或“性状组重写方案（Genome Project-write）”。其中的一些作法或新联盟由于其核心技术意志力及显赫的名声而在科学界中的引起轰动。

即将到来：“进化细胞内所示集”。举例来说：一部Getty。

科罗拉多州立私立大学研究者科学修辞学的Erika Szymanski对此，为一个应用或应用软件取个琅琅上口的名字，可以为研究者者创始人出追寻的表达方式开放性。“就像电叔父细胞学镜受到限制了我们用它能看到什么，我们并不需要‘看见’那些有名字的两边，”她话说，“无论如何以在此之后开放性来理解兼职有时亦会很有成效，因为它开拓出自由空间，让我们可以自已象在此之后的可能性。”

在本文中的，《自然》追寻了过去15年中的5项著名的核心技术。有些已经开拓了在此之后的研究者应用或取得了财力资助；有些加强了世界性都由，或者在研究者中的推测了基本上相同于最初意所示的在此之后最终目标。无论是阐述了细胞内功能，催生了公司和麻醉药，还是在非典型肠胃炎进行时为公共卫生对政府给予了接收者，这5项核心技术都在自然科学上留下浓墨重彩的一笔。

表观基因表达组学

与性状组DNA一样，信使RNA可以载有转变其功能或结局的化学标示，例如羟基或糖基。这种剪裁十分统一，并且有推测表明，某些mRNA很低度底物而其他mRNA没有，连到了这些标示的生物学作用。2012年，威尔康奈尔附属医院（Weill Cornell Medical College）的RNA动物学家Samie Jaffrey等开发方案了一种作法来识别普遍存在于基因表达组（细胞内或细胞内中的基因表达出来的所有RNA）中的的特定mRNA底物标示，命名为m6A[2]。

该研究者的都由作者Christopher Mason也在威尔康奈尔附属医院兼职，他孕育了“表观基因表达组学”这一术语来解释该制作团队的假设，即羟基标示通气mRNA基因表达本的活性，从而表明为什么抗原质水平十分总是与UTF-它们的基因表达本的丰度值得注意。“这可能是遗传UTF-的在此之后层面，这一点很吸引人。”Jaffrey话说。在此之后名称使其他人不够容易表达出来这个表达方式。

几年下来，表观基因表达组学已经其发展成一个独立的应用，有专门的财力、全亦会和都由所需。西班牙巴塞罗那性状组调控中的心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA动物学家Eva Maria Novoa Pardo话说：“在或多或少上，一个在此之后词的孕育开创了整个科研群体的出现。”

Jaffrey和Mason的早期作法是适用m6A特异性来分立长为100-200个氨基酸的剪裁RNA影片，然后他们通过人类基因组计划对其同步进行鉴定。后来，该制作团队将特异性与羧酸交联，然后沉淀特异性建构的RNA影片以精确出发点底物位点，从而生成第一个单氨基酸水平的底物mRNA所示集。这最大限度识别另一类载有剪裁的分叔父，叫做核仁RNA[3]。“我们如今开始认同一个自已法：m6A的一个主要功能是标示RNA以实现慢速周转”，Jaffrey话说，这对细胞内转变和个体区别的意志力至关重要。

随后科学界开发方案了可以在特定基因序列上切割非底物RNA的羧酸。开发方案者、巴勒斯坦人魏茨弗科学研究者院（Weizmann Institute of Science）RNA动物学家Schraga Schwartz利用该应用软件，不仅能检测特出发点点否被修改，还可以检测载有底物基序的基因表达本的百分比。当Schwartz等将其广泛应用整个基因表达组时，他们推测基于特异性的核心技术值得注意了左右75%的剪裁位点，表明其敏感性依赖于[4]。“这个结果令人惊喜，”他话说，“以前就一种，如今有了两种作法，我们看弊端不够全面了。”

现今，表观基因表达组学研究者兼职人员可以适用固态上端人类基因组计划仪十分需要读取剪裁过的 RNA。与传统人类基因组计划仪需要再行通过逆基因表达将RNA转化为DNA基本上相同，这些仪器将RNA分叔父通过抗原质固态上端并显现出特定的阻抗，然后解码阻抗路径以利用RNA基因序列。过去，解码阻抗路径的人类基因组计划线性常会误读底物的m6A氨基酸。因此，2019年Novoa等人设计者了一种线性（上周几天后有不够在此之后[5]），适用这些错误来计算哪些位点载有底物氨基酸。“或许对天然RNA同步进行人类基因组计划（而无需再行将其逆基因表达成DNA），为基因表达组开拓了无偏差的所示景”，她话说。

进化细胞内所示集

2003年进化性状组人类基因组计划的已完成，以及研究者单细胞内的在此之后应用软件的出现，让科学界开始畅自已否可以对每个进化细胞内的与众不同位置、使用暴力和发育同步进行绘所示。法国维格研究者院（Wellcome Sanger Institute）遗传学家Sarah Teichmann和宾夕法尼亚州南旧金山性状泰克（Genentech）的计算动物学家Aviv Regev就是其中的两位。

2016下半年，Teichmann、Regev等聚在一齐公开发表意见这个自已法。进化细胞内所示集方案（Human Cell Atlas）由此迈入，这是一个适用单细胞内捷径素描每个进化细胞内、许多组织和脑部的骨架、遗传学和生物学的新项目。该工作小组强调开放、协作的作法：任何人都可以参与，并且该新联盟适用广为的分叔父和计算作法收集接收者。

“没有什么金准则核心技术可以实现所有目的，”在CRG 研究者单细胞内人类基因组计划核心技术并主导该新联盟准则和核心技术兼职组的Holger Heyn话说，“每种作法都有标准差。我们整合的核心技术越大多，标准差就越大少。”

在2020年的一项研究者中的，Heyn等人在一组普通参考抽样中的相当了13种单细胞内RNA人类基因组计划核心技术，并根据其推测细胞内特异性标示物的意志力同步进行评价[6]。他们推测，结果区别的一个主要举例来说是抽样中的细胞内的不等。“我们的最终目标不是比个很低下，而是同意通过每种核心技术能利用哪些接收者”，Heyn话说。

进化细胞内所示集新联盟如今在77个各地区拥有左右2200名在此之后成员，他们总共分析了来自14个主要脑部的约3900万个细胞内，并公开发表了左右80篇文章，而且这些小数点还在慢慢减少。

此外，这些数据资料还最大限度找出COVID-19的现代科学。2020月末，新联盟在此之后成员汇流了26个已公开发表和仍未公开发表的数据资料集，以了解到冠状病原体SARS-CoV-2如何入侵肠胃许多组织。他们素描了病原体用于带入许多组织（有数脖叔父、嘴巴和眼睛等）的细胞内微小复合物所示[7]。此后，世界各地的研究者兼职人员适用该所示集来了解到感染现实生活。Teichmann对此，它甚至最大限度为公共卫生对政府给予接收者，例如要求人们戴口罩的政策。“这场非典型肠胃炎对进化细胞内所示集方案来话说确实是变革性的，”她话说，“它展现了细胞内所示集的价值——即使还是早期的、不值得注意的所示集。”

减小细胞学超声

尽管许多着迷于电叔父细胞学镜分辨率的研究者兼职人员专注于打造不够好的操作该系统，但脊髓科学界Ed Boyden采取了基本上相同的策略。他与加州私立大学伯克利分校的室友一齐，设计者了一种叫做减小细胞学超声（expansion microscopy）的核心技术，它可以像给气球打气一样扩展到细胞内和许多组织。

该作法将一种叫做丙烯酸酯的单体注入样品中的。加水亦会导致单体支链和减小，随着其扩展到，细胞内组分被推开。早期无论如何时细胞内亦会破裂或减小不各向同性。但通过在支链前添加羧酸来渗入许多组织，研究者兼职人员可以将大鼠神经许多组织扩展到到类似不等的4.5倍[8]。两年后，该制作团队将该作法延伸至十几种许多组织类型，其中的一些可以扩展到16倍[9]。“能必要物理变形倍数的比例恰当，这个核心技术才有价值，”Boyden话说。

上周，Boyden制作团队利用这个表达方式来出发点许多组织中的的特定RNA，这是一个叫做自由空间基因表达组学的叔父应用。他们首再行扩展了大鼠神经许多组织的一部分，然后对锚定的RNA同步进行了原位人类基因组计划[10]。

减小细胞学超声建立联系RNA人类基因组计划(左)都由阐述了大鼠视觉效果皮层脊髓元的骨架(右)。 举例来说：S. Alon et al./Science

奥地利马克斯普朗克脑研究者院（Max Planck Institute for Brain Research）的脊髓科学界Erin Schuman研究者抗原质在名为动作电位的脊髓细胞内直达处如何催化，长期以来他一直依靠铜染色等间接作法来可视化此现实生活。Schuman自已十分需要在动作电位中的看到在此之后催化的抗原质。但动作电位是由长而细的织物形成的，这些被叫做轴突的织物缺乏良好的分叔父标示。“它们其实是那种最难研究者的两边”，她话说。

通过减小细胞学超声核心技术，Schuman制作团队第一次看到，几乎所有的轴突末端都有催化在此之后抗原质的机制[11]。“它确实帮手我们以很低置信度接触动作电位，并同步进行很低通量分析”，她话说。

斯坦福私立大学（Stanford University）生物建筑工程师Bo Wang适用该应用软件创始人了一张很低分辨率所示像，重现了常见肠道病原体沙门氏菌如何与人体细胞内相互作用。在优化“渗入”工序时，Wang和室友推测该作法可用于测量病原体细胞内壁的延展性。这个厚实的外层，是该病原体对抗生素和宿主防御的最重要。测量微型物体的机械设计属性很艰难，但减小细胞学超声核心技术帮手助制作团队测量了单个批次中的数千个细胞内壁的强度，以了解到病原体如何对宿主防御机制要用出反应[12]。“类似的策略可以帮手助问植物、真菌和许多基本上相同鸟类的荷尔蒙弊端”，Wang话说。

脊髓彩虹

2007年，由哈佛私立大学脊髓科学界Jeff Lichtman和Joshua Sanes主导的制作团队开发方案出一种作法来区分大鼠脑部中的纠缠的脊髓元[13]。研究者兼职人员构建了一个该系统，其中的UTF-少数样品抗原的性状由脊髓元特有的通气基因序列控制，该基因序列两边是关键字，关键字将引导整合羧酸对这些样品性状同步进行马上表达。细胞内亦会得到性状“纸制”的多个副本，当研究者兼职人员激活识别整合关键字的抗原质时，它亦会将这些性状改组为各种随机组合，并表现为如彩虹般的样品。他们称此应用软件为脑虹（Brainbow）。

Gabriel Victora回去自已起自己在纽约私立大学（New York University）求学研究者生时，对那些如万花筒般绚烂的脑部所示片大感愤慨，每个细胞内橙色都不一样。但Victora的研究者集中的于正因如此中的心（淋巴的一种微观骨架，免疫细胞内在此分裂和落叶）。“我们没有立即自已到可以用这项核心技术，”现今已是弗哈顿克利夫兰私立大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora话说，“我记得当时在自已，‘惜是那是在脑部里’。”

Lichtman曾决心标示单个细胞内的意志力将最大限度解决精细尺度的细节弊端，例如脑部中的的动作电位直达。但是小的细胞内骨架样品分叔父少，显现出的样品路径反射率不够——通常都太暗了没法用。Lichtman对此，他对结果感到失望，此后转回了诸如倒数切片扫描电叔父电叔父细胞学镜之类的核心技术，在这种核心技术中的，一块许多组织被重复适用超声、工件、再次超声，以素描脊髓直达所示。“你得为这项兼职找到合适的应用软件，在这种情况下，Brainbow不够用，”他话说。

脑虹标示的正因如此中的心。 举例来说：Carla Nowosad

Lichtman确实适用Brainbow在周围脊髓该系统要用了实验室，其中的细胞内相距较远，因此黯淡的样品也可以判读到。其他制作团队已经针对基本上相同生物调整了应用软件——例如果蝇脑部的 Flybow和动物模型许多组织的Zebrabow。Brainbow与减小细胞学超声核心技术相建构，使研究者兼职人员十分需要检测脊椎动物许多组织中的的细胞内形状和连通性[14]。

而在Victora那里，有一种名为Confetti的大鼠模型将脑虹核心技术扩展到了非脊髓元细胞内，这重在此之后点燃了他对Brainbow的兴趣。在淋巴的正因如此中的心内，成群的B细胞内分泌基本上相同特异性，并彼此竞争。大多数正因如此中的心保持一致着特异性分叔父的多样性。但Victora制作团队推测，在5-10%正因如此中的心内，能显现出很低亲和力特异性的B细胞内数量可以很快超过其它B细胞内，并接管正因如此中的心[15]。通过Brainbow这些“沃克激化（clonal burst）”的研究者兼职人员在第一次标示细胞内时，看到正因如此中的心的所有细胞内都展现出基本上相同的橙色。然后，当一个优势沃克接管时，它的后代——所有这些都与亲代细胞内具有相同的橙色——将正因如此中的心从彩色变为单色。他话说：“Brainbow非常清楚地显示了B细胞内之间这种的分工。”

性状组重写方案

如果科学界十分需要催化值得注意的性染色体，他们就可以彰显细胞内在此之后的功能，不够换感染性的遗传捷径或设计者在此之后的实验室该系统同步进行研究者。但是，性染色体催化不必一蹴而就。

2010年，研究者兼职人员单单第一个病原体的催化性状组[16]。他们将病原体DNA技术改造成短影片，再将它们拼装在一齐，然后一次一个影片地交换一部分性染色体，直到类似DNA基本上被催化对应物所取代。加州私立大学伯克利分校的Wang话说，自从第一次无论如何以来，这个现实生活基本保持一致不变。尽管在病原体和酵母多方面取得了显著重大突破，但该核心技术从仍未拓展至性状组不够复杂的生物。因此，在2016年，研究者兼职人员宣布了性状组重写方案（Genome Project-write），主旨催化复杂的性状组，有数进化的性状组。

该新项目（Nature 557, 16-17; 2018）启动时早先，由于财力和核心技术的双重挑战，右方却不得不降低期望，专注设计者一种能抵抗病原体的进化细胞内系。但这种数量的DNA催化即使如此不太可能，设计者UTF-在此之后功能的遗传线路也一样。加州私立大学伯克利分校的催化动物学家Christopher Voigt对此，如今，这类兼职不小程度上仍属于个别研究者员或小制作团队的单打独斗。如果自已要大数量性状组催化变得十分困难，那么这个现实生活必须转变。“这就像单人造飞机，从设计者到组装什么都要用，”他话说，“这话说明了我们半径在性状组这个数量上要用设计者有多远在。”

尽管如此，Wang认为这个崇很低的最终目标即使如此可以促进应用向上其发展。“催化全性状组的动机促进了核心技术的其发展。这是一个良性循环：一旦我们有了应用软件，它就亦会使性状组催化不够加十分困难，人们也亦会将不够多资源投入该应用。”

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. Wild 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. Wild 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?标题公开发表在2021年6月21日的《自然》的核心技术特写热点上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7