2023 年值得关注的七项技能｜《自然》长文

本篇《自然》长文共5934字，预计阅读时间12分钟，发起可以留足阅读时间。

原文作者：Michael Eisenstein

《自然》选出将在未来一年对科学产生巨大影响的工具和技能。

单分子卵白质测序

卵白质组表现了细胞或生物体制造的一整套卵白质，可以提供关于康健和疾病的深入信息，但对卵白质组的表征仍然是一项寻衅性的工作。

相对于核酸来说，卵白质是由更多的分子砌块（building blocks）构成的，约有20种自然存在的氨基酸（相比之下，构成DNA和信使RNA中分子的只有4种核苷酸）；因此，卵白质具有更大的化学多样性。有些卵白质在细胞中的含量较少；而且与核酸差别，卵白质不能被扩增；——这意味着卵白质分析方法必须利用任何能用的质料。

大多数卵白质组学分析利用质谱法，这是一种根据卵白质的质量和电荷来分析卵白质混淆物的技能。这些谱图可以同时量化数千种卵白质，但检测到的分子并不总能明确辨认，而且混淆物中的低丰度卵白质常常被忽视。如今，能对样本中的很多（乃至全部）卵白质举行测序的单分子技能大概即将问世，此中很多技能雷同于用于DNA的技能。

德克萨斯大学奥斯汀分校的生物化学家Edward Marcotte正在研究一种如许的技能，称为荧光测序（fluorosequencing）[1]。Marcotte的技能报道于2018年，该技能基于一种渐渐的化学过程，在此过程中，单个氨基酸被荧光标记，然后从外貌偶联卵白的末了逐个被剪切下来，此时摄像机遇捕捉到所产生的荧光信号。Marcotte表明道：“我们可以用差别的荧光染料标记卵白质，然后在切割时逐个分子地观察。”客岁，位于康涅狄格州的生物技能公司Quantum Si的研究职员形貌了一种荧光测序的更换方法，该方法利用荧光标记的“粘合剂”卵白来辨认卵白质末了的特定氨基酸（或多肽）序列[2]。

其他研究职员正在开发模拟基于纳米孔的DNA测序技能，根据多肽通过微小通道时引起的电流厘革来分析多肽。荷兰代尔夫特理工大学的生物物理学家Cees Dekker及其同事于2021年展示了如许一种方法，他们利用卵白质制成纳米孔，并可以大概区分通过纳米孔的多肽中的单个氨基酸[3]。在以色列理工学院，生物医学工程师Amit Meller的团队正在研究由硅基质料制成的固态纳米孔器件，该器件可以同时对很多差别的卵白质分子举行高通量分析。他说：“你大概可以同时观察数万乃至数百万个纳米孔。”

只管现在单分子卵白质测序只是概念上的验证，但其贸易化正在敏捷推进。比方，Quantum Si公司已公布筹划本年推出第一代仪器，而且Meller指出，2022年11月在代尔夫特举行的卵白质测序集会上有一个专门针对该范畴初创企业的讨论组。他说：“这让我想起了第二代DNA测序技能面世前的那些日子。”

Marcotte是德克萨斯州奥斯汀市卵白质测序公司Erisyon的团结首创人，他对此持乐观态度。他说：“这已经不是个行不可的标题，而是这项技能几时能送到人们手上。”

詹姆斯·韦布太空望远镜

天文学家们从客岁开始就翘首以盼，高兴不已。颠末20多年的经心筹划和制作，美国国家航空航天局（NASA）与欧洲航天局和加拿大航天局互助，于2021年12月25日乐成将詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope，缩写JWST）送入轨道。由于仪器装备必要睁开并确定第一轮观测的位置，全天下不得不等待了近七个月，JWST才开始正常工作。

等待是值得的。马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所天文学家、JWST的望远镜科学家Matt Mountain表现，最初传来的图像超出了他的最高预期。“现实上天空并不空旷——到处都是星系，”他说，“理论上我们知道这一点，但真正看到这一情形带来了别样的感情打击。”

詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope）的6.5米主镜片（图中展示了18片镜片中的6片）可以探测数十亿光年外的物体。资料泉源：NASA/MSFC/David Higginbotham

JWST的筹划是为了接替哈勃太空望远镜的工作。哈勃望远镜可以看到令人赞叹的宇宙情形，但也有盲点：它根本上无法瞥见在红外范围内具有光信号的古老恒星和星系。要增补这一点，必要一台高敏捷度的仪器，其敏捷度要可以大概探测到数十亿光年外发出的极为薄弱的红外信号。

JWST的终极筹划包罗18个完全光滑的铍质镜片阵列，当其完全睁开时，直径为6.5米。Mountain说，这些反射镜的筹划非常细密，“要是把一块镜面等比放大到美国那么大，上面的隆起也不高出几英寸（高）。”这些反射镜配有开始辈的近红外和中红外探测器。

这一筹划使JWST可以大概增补哈勃望远镜的空缺，包罗捕捉来自一个有135亿年汗青的星系发出的信号，该星系产生了宇宙中最早的一些氧和氖原子。JWST也带来了一些惊喜，比方，它可以大概丈量某些范例的系生手星的大气构成。

天下各地的研究职员都在列队等待观察时间。英国卡迪夫大学的天体物理学家Mikako Matsuura正在用JWST举行两项研究，观察宇宙尘土的产生和粉碎，这些尘土大概会导致恒星和行星的形成。Matsuura说，与她所在小组已往利用的望远镜相比，“JWST拥有完全差别的敏捷度和清楚度品级”。她说：“我们看到了这些天体内部正在发生的完全差别的征象——这真令人叹为观止。”

体积电子显微镜

电子显微镜（Electron microscopy，EM）以其良好的分辨率而闻名，但观察的重要是样本的外貌。深入研究样本的内部必要将样本切成非常薄的切片，这对于生物学家来说每每不敷。伦敦弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）的电子显微镜学家Lucy Collinson表明说，仅覆盖单个细胞的体积就必要200个切片。她说：“假如你只有一个[切片]，你就是在玩统计把戏。”

如今，研究职员正在将EM的分辨率应用于包罗多个立方毫米体积的3D构造样本上。

此前，从2D的EM图像重修如许体积的样本（比方，绘制大脑的神经毗连图）必要履历费力的样本预备、成像和盘算过程，才气将这些图像转换为多图像堆叠。如今，最新的“体积电子显微镜”技能大大简化了这一过程。

这些技能有各种优点和范围性。一连切面成像（Serial block-face imaging）是一种相对快速的方法，它利用金刚石刀片在树脂包埋样品上切下一系列薄片，并举行成像，可以处置处罚约1立方毫米巨细的样品。然而，它的深度分辨率较差，这意味着天生的体积重修将相对暗昧。聚焦离子束扫描电子显微镜（Focused ion beam scanning electron microscopy，FIB-SEM）能制备更薄的薄片样品，因此深度分辨率更高，但更实用于体积较小的样品。

Collinson将体积电子显微镜的鼓起形貌为一场“安静的革命”，由于研究职员专注于用这种方法得到的结果，而不是天生这些结果的技能。但这正在改变。比方，2021年，弗吉尼亚州珍利亚研究园区（Janelia Research Campus）从事电子显微镜中细胞器分割（Cell Organelle Segmentation in Electron Microscopy，COSEM）筹划的研究职员在《自然》上发表了两篇论文，聚焦了在绘制细胞内部结构方面取得的巨大希望[4,5]。“这是一个绝佳的原理论证。”Collinson说。

COSEM研究筹划利用细密的定制FIB-SEM显微镜，在保持良好空间分辨率的同时，可将单个实行中可成像的体积增长约200倍。将这些仪器与深度学习算法团结利用，该团队可以大概在各种细胞范例的完备3D体积中界说各种细胞器和其他亚细胞结构。

这种样品制备方法费力且难以把握，而且由此产生的数据集非常巨大。但这一积极是值得的：Collinson已经看到了该技能在盛行症研究和癌症生物学方面产生的看法。她如今正在与同事们互助，探索以高分辨率重修整个小鼠大脑的可行性。她预计这项工作将必要十多年的时间，泯灭数十亿美元，并产生5亿GB左右的数据。她说：“这大概与绘制第一个人类基因组工作的数据量在一个数量级。”

CRISPR无穷大概

基因组编辑工具CRISPR–Cas9作为在整个基因组的目的位点引入特定厘革的首选方法，在基因治疗、疾病建模和其他研究范畴取得了突破，未可厚非地享有盛誉。但它的用途多受限定。如今，研究职员正在探求规避这些限定的方法。

CRISPR编辑由短链向导RNA（short guide RNA，sgRNA）和谐，sgRNA将干系的Cas核酸酶导向其目的基因组序列。但这种酶发挥作用还必要在靶点附近有一种叫做原隔断序列相近基序（protospacer adjacent motif，PAM）的序列；假如没有PAM，基因编辑很大概会失败。

在波士顿的马萨诸塞州总医院，基因组工程师Benjamin Kleinstover利用卵白质工程技能，从化脓性链球菌中制造出常用Cas9酶的“近乎不受PAM序列限定的（near-PAMless）”Cas变体。一个Cas变体必要由三个一连核苷酸碱基构成的PAM，此中腺嘌呤（A）或鸟嘌呤（G）核苷酸位于中心位置[6]。“这些酶如今险些可以读取整个基因组，而传统的CRISPR酶只读取1%到10%的基因组。”Kleinstover说。

这种对PAM序列不太严酷的要求，增长了编辑“脱靶”的机遇，但进一步的卵白质工程筹划可以进步其特异性。作为一种更换方法，Kleinstiver的团队正在筹划和测试大量Cas9变体，每个变体对差别的PAM序列表现出高度的特异性。

尚有很多自然存在的Cas变体有待发现。自然条件下，CRISPR–Cas9体系是一种针对病毒感染的细菌防御机制，差别的微生物进化出了具有差别PAM序列偏好的各种酶。意大利特伦托大学的病毒学家Anna Cereseto和微生物组研究职员Nicola Segata梳理了100多万个微生物基因组，判断和表征了一组多样的Cas9变体，他们估计这些变体大概统共可以针对98%以上的已知人类致病突变[7]。

然而，此中只有少数能在哺乳动物细胞中发挥作用。Cereseto说：“我们的想法是测试很多种酶，看看是什么决定因素使这些酶正常工作。”从这些自然酶库和高通量卵白质工程工作中得到的看法来看，Kleinstiver说，“我以为我们终极会有一个相当完备的编辑工具箱，能让我们编辑任何我们想要的碱基。”

高精度放射性碳测年

客岁，考古学家利用放射性碳测年技能的进步，对维京探险家初次抵达美洲简直切年份——乃至是季候——举行了研究。荷兰格罗宁根大学的同位素分析专家Michael Dee和他的博士后Margot Kuitems领导的一个团队在加拿大纽芬兰岛北岸的一个聚落中发现了一些被砍伐的木料，通过对这些木料的研究，确定这棵树很大概在1021年被砍伐，而且大概是在春天[8]。

自20世纪40年代以来，科学家不停在利用有机人工制品的放射性碳测年法来缩小汗青变乱发生的时间范围。他们通过丈量同位素碳-14的陈迹来做到这一点，碳-14是宇宙射线与地球大气相互作用的结果，在数千年中痴钝衰变。但这种技能的准确度通常仅为几十年左右。

加拿大纽芬兰省兰塞奥兹牧草地（L'Anse aux Meadows）木料的准确放射性碳年代测定表现，维京人于1021年在此地砍倒了一棵树。图片泉源：All Canada Photos/Alamy

2012年，情况发生了厘革，日本名古屋大学物理学家三宅芙沙（Fusa Miyake）向导的研究小组发现[9]，公元774到775年之间，日本雪松年轮中碳-14含量显着升高。随后的研究[10]不光证明白这一时期天下各地的木料样本中都存在这种碳-14含量的显着升高，而且还发现汗青上存在至少五次如许的碳-14含量上升，最早的一次可以追溯到公元前7176年。有研究职员将这些碳-14峰值与太阳风暴运动接洽起来，但这一假设仍在探索中。

无论其缘故原由是什么，这些“三宅变乱”的存在，能让研究职员通过检测一个特定的三宅变乱，然后对今后形成的年轮举行计数，从而精确地确定木制文物的制造年份。Kuitems说，研究职员乃至可以根据最外圈年轮的厚度来确定树木被砍伐的季候。

考古学家如今正在将这种方法应用于新石器期间聚落和火山发作遗址的研究，Dee盼望用它来研究中美洲的玛雅帝国。在接下来的十年左右，Dee乐观地以为，“我们将对这些古老文明中的很多汗青变乱有真正准确到年代的完全纪录，我们将可以大概以相当风雅的时间尺度批评这些汗青发展。”

至于三宅，则还在继续探求汗青中的时间标尺。她说：“我们如今正在探求已往一万年中与公元774到775年的变乱相当的其他碳-14升高。”

单细胞代谢组学

代谢组学是研究驱动细胞的脂质、碳水化合物和其他小分子的科学，它最初是一套表征细胞或构造中代谢产物的方法，但如今正在转向单细胞水平。科学家们可以利用这些细胞水平的数据，理清大量看似雷同的细胞的功能复杂性。但这一变化带来了困难的寻衅。

代谢组包罗大量具有差别化学性子的分子。欧洲分子生物学实行室的代谢组学研究职员Theodore Alexandrov说，此中一些分子存在的时间非常短暂，代谢周转率为亚秒级别。它们大概很难检测：只管单细胞RNA测序可以捕捉细胞或生物体中产生的近一半的RNA分子（转录组），但大多数代谢分析仅涵盖细胞代谢产物的一小部门。这些缺失的信息里大概包罗了紧张的生物学奥秘。

“代谢组现实上是细胞的活性部门。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的分析化学家Jonathan Sweedler说，“在疾病状态下，假如你想知道细胞状态，你真的要研究代谢产物。”

很多代谢组学实行室利用分离的细胞，这些细胞被捕捉在毛细管中，利用质谱法单独分析。相比之下，“成像质谱”方法获取了样本中差别位置的细胞代谢产物发生厘革的空间信息。比方，研究职员可以利用一种称为基质辅助激光解吸/电离（MALDI）的技能，此中激光束扫过经特殊处置处罚的构造切片，开释出代谢产物，用于随后的质谱分析。这种方法也能捕捉样本中代谢物泉源的空间坐标。

Sweedler说，理论上，这两种方法都可以量化数千个细胞中的数百种化合物，但要实现这一目的通常必要顶级的定制硬件装备，资本在百万美元左右。

如今，研究职员正在遍及这项技能。2021年，Alexandrov团队报道了SpaceM，这是一种开源软件工具，它能用光学显微镜成像数据，利用尺度商用质谱仪对作育的细胞举行空间代谢组学分析[11]。他说：“我们算是做了数据分析部门的体力活。”

Alexandrov的团队利用SpaceM对数以万计人和小鼠细胞中的数百种代谢产物举行了分析，并转向尺度的单细胞转录组学方法将这些细胞分类。Alexandrov表现，他尤为热情的是后一项工作，以及构建“代谢组学图谱”的想法——雷同于为转录组学开发的图谱，以加快该范畴的希望。他说：“这绝对是一个前沿范畴，并将对科学起到巨大的推动作用。”

体外胚胎模子

研究职员如今可以在实行室中制造出人工合成胚胎（下图），它与8天大的自然胚胎（上图）雷同。泉源：Magdalena Zernicka Goetz实行室

科学家们已经在小鼠和人类的细胞水平上详细描画了从受精卵到完全形成的胚胎这一过程。但驱动这一过程早期阶段的分子机制仍不清楚。如今，“胚状体”模子的一系列运动有助于增补这些知识空缺，让研究职员更清楚地相识可以决定胎儿发育成败的紧张早期变乱。

该范畴一些最风雅的模子，来自加州理工学院和英国剑桥大学的发育生物学家Magdalena Zernicka Goetz的实行室。2022年，她和她的团队证明，他们可以完全从胚胎干细胞（embryonic stem cells，ES细胞）中产生植入期的小鼠胚胎[12,13]。

与全部多醒目细胞一样，ES细胞可以形成任何细胞或构造范例，但它们必要与两种范例的胚外细胞密切相互作用才气完成正常的胚胎发育。Zernicka-Goetz团队研究出了诱导ES细胞形成这些胚外细胞的方法，并表明这些细胞可以与ES细胞共作育，以产生胚胎模子，该模子的成熟度是从前的体外实行无法到达的。“它就如你能想象的胚胎模子那样。”Zernicka Goetz说，“我们的胚胎模子发育出一个头部和心脏——而且还在跳动。”她的团队可以大概利用这个模子来显现个别基因的改变怎样粉碎正常的胚胎发育。

颠末工程筹划用于模拟胚胎8细胞期的细胞构成的胚状体。泉源：M.A Mazid et al./Nature

在中国科学院广州生物医药与康健研究院，干细胞生物学家Miguel Esteban和同事们正在采取一种差别的计谋：重新编程人类干细胞，以模拟最早的发育阶段。

Esteban说：“我们最初的想法是，现实上乃至制造合子也是大概的。”该团队没能完全实现这一点，但他们简直发现了一种作育计谋，能使这些干细胞回到雷同于8细胞期人类胚胎的状态[14]。这是一个至关紧张的发育期里程碑，与基因表达的巨大厘革干系，终极产生差别的胚胎细胞和胚外细胞谱系。

只管还不完善，但Esteban的模子展示了自然状态下8细胞期胚胎中细胞的关键特性，并凸显了人类和小鼠胚胎怎样启动向8细胞期阶段变化之间的紧张差别。Esteban说：“我们发现，一种乃至在小鼠体内都没有表达的转录因子，调治着整个转化过程。”

团结起来，这些模子可以资助研究职员描画出仅仅几个细胞是怎样发育为高度复杂的脊椎动物躯体的。

在很多国家，对人类胚胎的研究只能在发育14天以内举行，但在这些限定条件下，研究职员仍有很多工作可做。Esteban说，非人类灵长类动物模子提供了一种大概的更换方案，而Zernicka-Goetz说，她的小鼠胚胎计谋也可以产生发育到第12天的人类胚胎。她说：“在这个我们能研究的胚胎阶段，仍有很多标题有待提出。”

参考文献：

1. Swaminathan, J.et al.Nature Biotechnol.36, 1076–1082 (2018).

2. Reed, B. D.et al.Science378, 186–192 (2022).

3. Brinkerhoff, H., Kang, A. S. W., Liu, J., Aksimentiev, A. & Dekker, C.Science374,1509–1513 (2021).

4. Heinrich, L.et al.Nature599, 141–146 (2021).

5. Xu, C. S.et al.Nature599, 147–151 (2021).

6. Walton, R. T., Christie, K. A., Whittaker, M. N. & Kleinstiver, B. P.et al.Science368, 290–296 (2020).

7. Ciciani, M.et al.Nature Commun.13, 6474 (2022).

8. Kuitems, M.et al.Nature601, 388–391 (2022).

9. Miyake, F., Nagaya, K., Masuda, K. & Nakamura, T.Nature486, 240–242 (2012).

10. Brehm, N.et al.Nature Commun.13, 1196 (2022).

11. Rappez, L.et al.Nature Methods18, 799–805 (2021).

12. Amadei, G.et al.Nature610, 143–153 (2022).

13. Lau, K. Y. C.et al.Cell Stem Cell29, 1445–1458 (2022).

14. Mazid, M. A.et al.Nature605, 315–324 (2022).

原文以Seven technologies to watch in 2023为标题发表在2023年1月23日《自然》的技能特写版块上