五大新兴科学研究方法和项目，你认识几个？|《自然》高效率特写

谈及随之崭露头角的杰出深入研究来进行和项目，我们可以注意到一些共同完成的成功途径。

当被坦言专精于时，Kaihang Wang的完答很干脆：“手艺人”。毕竟他在加州理工学院（California Institute of Technology）的原则上上工作都与造东西有关，尽管不是用锤子和钉。Wang的一个团队联合开发了分子会来进行，除此以外一个控制系统——植物学家可以通过编程，将长的制备DNA链转入细菌蛋白[1]。旋即探究过后，Wang给出了一个不够生物学的完答：制备蛋白质学或脱氧核糖核酸建设工程。“彻底感叹，我们所有奋斗主要由一个原则上尽可能促进，那就是创造生命”，他感叹。

和Wang一样，当手头的来进行不足时，许多植物学家亦会跨学科寻觅材质、合所写或原则上上相同的原理。这促成了全新近定取名的原理或的联盟，如“收缩蛋白学光学（expansion microscopy）”或“脱氧核糖核酸改写计划（Genome Project-write）”。其那时候面一些原理或的联盟由于其电子技术灵活性及显贵的名声而在生物学家那时候面引起轰动。

于是又一到来：“生命体蛋白平面图说”。；也：改编自Getty。

科罗拉多加利福尼亚大学深入硕士生物学修辞学的Erika Szymanski坚称，为一个应用领域或来进行取个琅琅上口的昵称，可以为深入学者创建出聚焦的概念框架。“就像蛋白学镜受限制了我们用它能想到什么，我们只能‘看见’那些有昵称的东西，”她感叹，“尝试以新近框架来探究工作有时亦会很有成效，因为它新近建出空间，让我们可以想象新近的可能性。”

在本文那时候面，《自然现象》聚焦了今日15年那时候面5项知名的电子技术。有些已经新近建了新近的深入研究应用领域或获得了收益资助；有些巩固了全球合作，或者在深入研究那时候面注意到了原则上上相同于最初意平面图的新近尽可能。无论是概述了蛋白控制系统，促成了公司和疗法，还是在传染病期间为公共服务各项政策提供了电子邮件，这5项电子技术都在生物学史上留下浓墨重彩的一笔。

表观激活组学

与脱氧核糖核酸DNA一样，信使RNA可以可携带发生变化其控制系统或命运的化学标上，例如吡啶或糖基。这种剪裁并不统一，并且有注意到指出，某些mRNA低度磷酸化而其他mRNA没有，朝向了这些标上的蛋白质学作用。2012年，威尔森康奈尔该学院（Weill Cornell Medical College）的RNA植物学家Samie Jaffrey等联合开发了一种原理来识别普遍存在于激活组（蛋白或生命体体那时候面激活出来的所有RNA）那时候面的特定mRNA磷酸化标上，定取名为m6A[2]。

该深入研究的共同完成所写Christopher Mason也在威尔森康奈尔该学院工作，他创造了“表观激活组学”这一术语来断言该一个团队的假设，即吡啶标上闭环mRNA激活本的活性，从而指出为什么核酸水准并不平常与UTF-它们的激活本的总质量相匹配。“这可能是蛋白质UTF-的新近层面，这一点很吸引人。”Jaffrey感叹。新近名称使其他人不够容易理解这个概念。

几年下来，表观激活组学已经持续发展成一个独立的应用领域，有专门的收益、亦会议和合作需求。西班牙瓦伦西亚脱氧核糖核酸调控为那时候面心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA植物学家Eva Maria Novoa Pardo感叹：“在某种某种程度上，一个新近词的创造便是了整个科研成果个体的经常出现。”

Jaffrey和Mason的最初原理是用到m6A血清来转化长为100-200个RNA的剪裁RNA视频，然后他们通过测序对其进行时鉴定。后来，该一个团队将血清与底物单体，然后结晶血清结合的RNA视频以精确定位磷酸化肽链，从而生成第一个单RNA水准的磷酸化mRNA平面图说。这有利于识别另一类可携带剪裁的分子会，称之为核仁RNA[3]。“我们今日开始认同一个想法：m6A的一个主要控制系统是标上RNA以实现并能周转”，Jaffrey感叹，这对蛋白发生变化和适应环境的灵活性至关重要。

随后生物学家联合开发了可以在特定脱氧核糖核酸上切割非磷酸化RNA的酶。联合Linux、约旦魏茨曼生物学深入研究所（Weizmann Institute of Science）RNA植物学家Schraga Schwartz并用该来进行，不仅能测定特定肽链是否是被修改，还可以测定可携带磷酸化基序的激活本的百分比。当Schwartz等将其应可用整个激活组时，他们注意到基于血清的电子技术遗漏了近75%的剪裁肽链，指出其敏感度极少[4]。“这个结果令人惊喜，”他感叹，“以前就一种，今日有了两种原理，我们看难题不够新一轮了。”

今天，表观激活组学深入研究部门可以用到纳米开口测序仪直接读取剪裁过的 RNA。与现代测序仪需要先通过逆激活将RNA转化为DNA原则上上相同，这些仪器将RNA分子会通过核酸纳米开口并激发特定的电流，然后UTF-电流接收机以得到RNA脱氧核糖核酸。今日，UTF-电流接收机的测序算法经常误用磷酸化的m6ARNA。因此，2019年Novoa等人结构设计了一种算法（本年度此前有不够新近[5]），用到这些错误来预测哪些肽链可携带磷酸化RNA。“有可能对天然RNA进行时测序（而无需先将其逆激活成DNA），为激活组新近建了无偏差的平面图景”，她感叹。

生命体蛋白平面图说

2003年生命体脱氧核糖核酸测序的完成，以及深入研究单蛋白的新近来进行的经常出现，让生物学家开始畅想是否是可以对每个生命体蛋白的独特位置、行为和发育进行时手绘。英国维格深入研究所（Wellcome Sanger Institute）蛋白质学Sarah Teichmann和美国南旧金山蛋白质泰克（Genentech）的计算植物学家Aviv Regev就是其那时候面两位。

2016上半年，Teichmann、Regev等聚在四人提问这个想法。生命体蛋白平面图说计划（Human Cell Atlas）由此开端，这是一个用到单蛋白途径绘制每个生命体蛋白、的组织和心脏的骨架、蛋白质学和蛋白质学的项目。该人小组务实开放、互助的原理：任何人都可以加入，并且该的联盟用到广泛的分子会和计算原理收集电子邮件。

“没有什么金标准电子技术可以实现所有尽可能，”在CRG 深入研究单蛋白测序电子技术并指派该的联盟标准和电子技术公安部的Holger Heyn感叹，“每种原理都有标准差。我们整合的电子技术趋多，标准差就趋少。”

在2020年的一项深入研究那时候面，Heyn等人在一组除此以外参考样本那时候面比起了13种单蛋白RNA测序电子技术，并根据其注意到蛋白特异性标上物的灵活性进行时评价[6]。他们注意到，结果关联性的一个主要；也是样本那时候面蛋白的较小。“我们的尽可能不是比个低下，而是决定通过每种电子技术能得到哪些电子邮件”，Heyn感叹。

生命体蛋白平面图说的联盟今日在77个国家拥有近2200名的组织，他们总共归纳了来自14个主要心脏的约3900万个蛋白，并登载了近80书评，而且这些位数还在不断增加。

此外，这些数据集还有利于解开COVID-19的奥秘。2020上半年，的联盟的组织汇集了26个已登载和没登载的数据集集，以了解到冠状病原SARS-CoV-2如何进犯大肠的组织。他们绘制了病原可用转到的组织（除此以外嘴唇、嘴巴和眼睛等）的蛋白表面受体平面图[7]。之后，亚洲地区的深入研究部门用到该平面图说来了解到病菌步骤。Teichmann坚称，它甚至有利于为公共服务各项政策提供电子邮件，例如要求人们戴皮带的政策。“这场传染病对生命体蛋白平面图说计划来感叹可能是变革性的，”她感叹，“它展现了蛋白平面图说的价值——即使还是最初的、不原始的平面图说。”

收缩蛋白学光学

尽管许多着迷于蛋白学镜分辨率的深入研究部门专注于打造不够好的硬体，但神经细胞生物学家Ed Boyden采取了原则上上相同的作法。他与麻省理工学院的同事四人，结构设计了一种称之为收缩蛋白学光学（expansion microscopy）的电子技术，它可以像给气球打气一样拓展蛋白和的组织。

该原理将一种称之为丙烯酸酯的支链注入样品那时候面。加水亦会引致支链支链和收缩，随着其拓展，蛋白反应物被推开。最初尝试时蛋白亦会破裂或收缩不均匀。但通过在支链前添加酶来软化的组织，深入研究部门可以将果蝇脑的组织拓展到原始较小的4.5倍[8]。两年后，该一个团队将该原理延伸至十几种的组织类型，其那时候面一些可以拓展16倍[9]。“能确保力学转换成正数的比重合理，这个电子技术才有价值，”Boyden感叹。

本年度，Boyden一个团队并用这个概念来定位的组织那时候面的特定RNA，这是一个称之为空间激活组学的子应用领域。他们首先扩展了果蝇脑的组织的一部分，然后对锚定的RNA进行时了移置测序[10]。

收缩蛋白学光学联合RNA测序(任左)共同完成概述了果蝇视觉脑干神经细胞元的骨架(右)。 ；也：S. Alon et al./Science

德国马克斯普朗克脑深入研究所（Max Planck Institute for Brain Research）的神经细胞生物学家Erin Schuman深入研究核酸在取名动作电位的神经细胞蛋白相互连接处如何制备，长期以来他多年来只能靠料染色等间接原理来可视化此步骤。Schuman想直接在动作电位那时候面想到新近制备的核酸。但动作电位是由长而细的纤维形成的，这些被称之为神经细胞纤维的纤维缺乏较差的分子会标上。“它们或许是那种最难深入研究的东西”，她感叹。

通过收缩蛋白学光学电子技术，Schuman一个团队第一次想到，几乎所有的神经细胞纤维前端都有制备新近核酸的机制[11]。“它可能帮我们以低置信度保证联系动作电位，并进行时低通量归纳”，她感叹。

斯坦福大学（Stanford University）生命体建设机械师Bo Wang用到该来进行创建了一张低分辨率平面图像，展览了常见肠道病原体沙门氏菌如何与人体蛋白电磁场。在冗余“软化”步骤时，Wang和同事注意到该原理可可用测量细菌蛋白壁的硬度。这个厚实的外层，是该病原体对抗生素和消化道防守的不可或缺。测量微型物体的机械功用很困难，但收缩蛋白学光学电子技术帮助一个团队测量了单个批次那时候面数千个蛋白壁的风力，以了解到细菌如何对消化道防守机制花钱出反应[12]。“类似的作法可以帮助完答植物、病原体和许多原则上上相同物种的荷尔蒙难题”，Wang感叹。

神经细胞蝴蝶

2007年，由哈佛大学神经细胞生物学家Jeff Lichtman和Joshua Sanes指派的一个团队联合开发出一种原理来区分果蝇脑干那时候面纠缠的神经细胞元[13]。深入研究部门构建了一个控制系统，其那时候面UTF-少数电子显微镜蛋白的蛋白质由神经细胞元特有的闭环脱氧核糖核酸管控，该脱氧核糖核酸两侧是不可或缺字，不可或缺字将引导重新组建酶对这些电子显微镜蛋白质进行时旋即表达。蛋白亦会得到蛋白质“盒”的多个副本，当深入研究部门激活识别重新组建不可或缺字的核酸时，它亦会将这些蛋白质组建为各种随机组合，并表现为如蝴蝶般的电子显微镜。他们称此来进行为脑虹（Brainbow）。

Gabriel Victora完想起自己在纽约大学（New York University）研读深入硕士生时，对那些如万花筒般绚烂的脑干平面图片大感震撼，每个蛋白黄色都不一样。但Victora的深入研究集那时候面于正因如此为那时候面心（黏膜的一种微观骨架，免疫蛋白在此分裂和生长）。“我们没有立即忘记可以用这项电子技术，”今天已是布鲁克林洛克菲勒大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora感叹，“我记得当时在想，‘可惜是那是在脑干那时候’。”

Lichtman曾希望标上单个蛋白的灵活性将有利于解决精细微观的技术细节难题，例如脑干那时候面的动作电位相互连接。但是小的蛋白骨架电子显微镜分子会少，激发的电子显微镜接收机最亮不够——通常都太暗了没法用。Lichtman坚称，他对结果无法忍受失望，之后转向了诸如不间断外皮成像电子蛋白学镜之类的电子技术，在这种电子技术那时候面，一块的组织被重复光学、冲压、于是又次光学，以绘制神经细胞相互连接平面图。“你得为这项工作找合适的来进行，在这种情况下，Brainbow不够用，”他感叹。

脑虹标上的正因如此为那时候面心。 ；也：Carla Nowosad

Lichtman可能用到Brainbow在区域内神经细胞控制系统花钱了实验，其那时候面蛋白相距较不够远，因此微弱的电子显微镜也可以注意到到。其他一个团队已经针对原则上上相同生命体变动了来进行——例如果蝇脑干的 Flybow和斑马鱼的组织的Zebrabow。Brainbow与收缩蛋白学光学电子技术相结合，使深入研究部门并能检查两栖类的组织那时候面的蛋白圆锥形和连通性[14]。

而在Victora那那时候，有一种取名Confetti的果蝇模型将脑虹电子技术扩大了非神经细胞元蛋白，这重新近点燃了他对Brainbow的兴趣。在黏膜的正因如此为那时候面心内，成群的B蛋白分泌原则上上相同血清，并彼此挑战。大多数正因如此为那时候面心保证着血清分子会的多样性。但Victora一个团队注意到，在5-10%正因如此为那时候面心内，能激发低亲和血清的B蛋白数量可以随之至少其它B蛋白，并接管正因如此为那时候面心[15]。通过Brainbow这些“莱卡爆发（clonal burst）”的深入研究部门在第一次标上蛋白时，想到正因如此为那时候面心的所有蛋白都展现原则上上相同的黄色。然后，当一个优势莱卡接管时，它的后代——所有这些都与亲**白具有大致相同的黄色——将正因如此为那时候面心从彩色替换成单色。他感叹：“Brainbow非常清楚地推断了B蛋白之间这种的计划性。”

脱氧核糖核酸改写计划

如果生物学家并能制备原始的碱基，他们就可以视作蛋白新近的控制系统，不够换病因的蛋白质途径或结构设计新近的实验控制系统进行时深入研究。但是，碱基制备不能一蹴而就。

2010年，深入研究部门拼凑出第一个细菌的制备脱氧核糖核酸[16]。他们将细菌DNA改造成短视频，于是又将它们拼接在四人，然后一次一个视频地共享一部分碱基，直到原始DNA原则上上被制备对应物所取代。加州理工学院的Wang感叹，自从第一次尝试以来，这个步骤原则上保证不变。尽管在细菌和酿酒酵母总体获得了显著进展，但该电子技术早已持续持续发展至脱氧核糖核酸不够复杂的生命体。因此，在2016年，深入研究部门宣布了脱氧核糖核酸改写计划（Genome Project-write），旨在制备复杂的脱氧核糖核酸，除此以外生命体的脱氧核糖核酸。

该项目（Nature 557, 16-17; 2018）启动时雄心勃勃，由于收益和电子技术的双重同样，后面却不得不降低期待，专注结构设计一种能抵挡病原的生命体蛋白系。但这种为数的DNA制备即使如此很难，结构设计UTF-新近控制系统的蛋白质线路也一样。麻省理工学院的制备植物学家Christopher Voigt坚称，目前，这类工作较大某种程度上仍属于个别深入副所长或小一个团队的即使如此。如果不想大为数脱氧核糖核酸制备变得不切实际，那么这个步骤必须发生变化。“这就像单人造飞机，从结构设计到组装什么都花钱，”他感叹，“这感叹明了我们距离在脱氧核糖核酸这个为数上花钱结构设计有多遥不够远。”

尽管如此，Wang忽视这个崇低的尽可能即使如此可以促进应用领域向前持续发展。“制备全脱氧核糖核酸的想法促进了电子技术的持续发展。这是一个良性循环：一旦我们有了来进行，它就亦会使脱氧核糖核酸制备不够加不切实际，人们也亦会将不够多资源投入该应用领域。”

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).

原文以Five trendy technologies: where are they now?标题登载在2021年6月21日的《自然现象》的电子技术；还有乒乓上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7