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Nature：2022 年 7 大「顛覆性」技術(shù)

來(lái)源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2022-05-15 21:24:02 瀏覽：2306次

近日，《自然》對(duì)“可能在未來(lái)一年對(duì)科學(xué)產(chǎn)生影響”的7項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了綜述。

這7項(xiàng)技術(shù)分別是完整版基因組、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析、量子模擬、精準(zhǔn)基因組調(diào)控、靶向基因療法、空間多組學(xué)、基于CRISPR的診斷。

完整版基因組

在2021年5月發(fā)表的一篇預(yù)印本論文中，端粒到端粒（T2T）合作組報(bào)告了第一個(gè)人類基因組的端粒到端粒序列，為廣泛使用的人類參考基因組序列GRCh38增加了近2億個(gè)堿基對(duì)，并完成了人類基因組計(jì)劃的最后一章。

GRCh38于2013年首次發(fā)布，是一個(gè)很有價(jià)值的研究工具，也是繪制測(cè)序序列的支架。

但它們不夠長(zhǎng)，不足以清晰地繪制高度重復(fù)的基因組序列。

長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)被證明是既有規(guī)則的“改變者”。

這一技術(shù)由美國(guó)太平洋生物科學(xué)公司和英國(guó)牛津納米孔技術(shù)公司開發(fā)，可在一次讀取中對(duì)數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)堿基進(jìn)行排序。

2020年，當(dāng)T2T合作組首次重組單獨(dú)的X染色體和8號(hào)染色體時(shí)，太平洋生物科學(xué)公司的測(cè)序工作進(jìn)展已經(jīng)可以讓T2T合作組科學(xué)家檢測(cè)到長(zhǎng)片段重復(fù)序列的微小變化。

這些微妙的“指紋”使長(zhǎng)而重復(fù)的染色體片段變得容易處理，基因組的其余部分很快歸位。

牛津納米孔技術(shù)公司平臺(tái)還捕獲了許多調(diào)節(jié)基因表達(dá)的DNA修飾，T2T合作組能在全基因組范圍內(nèi)繪制這些“表觀遺傳標(biāo)記”。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析

過(guò)去兩年，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方面的進(jìn)展讓研究人員以前所未有的速度和分辨率確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

英國(guó)DeepMind公司開發(fā)的AlphaFold2結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法依靠深度學(xué)習(xí)策略，從折疊蛋白質(zhì)的氨基酸序列推斷其形狀。

自2021年7月公開發(fā)布以來(lái)，AlphaFold2已應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究，以確定在人類和20個(gè)模式生物中表達(dá)的所有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及鑒定Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫(kù)中近44萬(wàn)種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，冷凍電鏡的改進(jìn)也使研究人員能用實(shí)驗(yàn)方法處理最具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)及其復(fù)合物。

2020年，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)獲得了1.5埃以下的結(jié)構(gòu)分辨率，確定了單個(gè)原子的位置。

一種名為冷凍電子斷層掃描的相關(guān)技術(shù)也相當(dāng)令人興奮，這種方法可以在冰凍細(xì)胞的薄片上捕捉到自然發(fā)生的蛋白質(zhì)行為。

量子模擬

量子計(jì)算機(jī)以量子比特的形式處理數(shù)據(jù)。

多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已成功將單個(gè)離子用作量子比特，但它們的電荷使其難以進(jìn)行高密度組裝。

法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的Antoine Browaeys和美國(guó)哈佛大學(xué)的Mikhail Lukin等物理學(xué)家正在探索另一種方法。

研究小組使用光學(xué)鑷子在緊密排列的2D和3D陣列中精確固定不帶電的原子，然后用激光將這些粒子激發(fā)成大直徑的里德堡原子，使其與附近原子糾纏。

短短幾年時(shí)間里，技術(shù)進(jìn)步提高了里德堡原子陣列的穩(wěn)定性和性能，量子比特?cái)?shù)量也從幾十個(gè)迅速擴(kuò)展到幾百個(gè)。

Browaeys估計(jì)，這種量子模擬器在一兩年內(nèi)就可能商用。這項(xiàng)工作也為量子計(jì)算機(jī)更廣泛的應(yīng)用鋪平了道路。

精準(zhǔn)基因組調(diào)控

盡管CRISPR-Cas9技術(shù)擁有強(qiáng)大的基因組編輯能力，但它更適合于讓基因失活而非修復(fù)。

美國(guó)哈佛大學(xué)化學(xué)生物學(xué)家劉如謙指出，大多數(shù)基因疾病需要的是基因修正而非基因破壞。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，劉如謙團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了兩種很有前景的方法。

第一種方法被稱為堿基編輯，它將催化受損的Cas9與一種酶結(jié)合，這種酶有助于一種核苷酸向另一種核苷酸的化學(xué)轉(zhuǎn)化。

不過(guò)，目前只有特定的堿基—堿基轉(zhuǎn)換可以利用這種方法實(shí)現(xiàn)。

第二種方法被稱為引導(dǎo)編輯，它將Cas9與逆轉(zhuǎn)錄酶相聯(lián)系，并使用一種經(jīng)過(guò)修改的向?qū)NA，以將所需的編輯內(nèi)容整合到基因組序列中。

通過(guò)多階段生化過(guò)程，這些成分將向?qū)NA復(fù)制到最終取代目標(biāo)基因組序列的DNA中。

重要的是，這兩種方法都只切割一條DNA鏈。對(duì)細(xì)胞而言，這是一個(gè)安全性更高、破壞性更小的過(guò)程。

靶向基因療法

基于核酸的藥物可以在臨床上產(chǎn)生影響，但其可應(yīng)用的組織仍有諸多限制。

大多數(shù)治療需要局部給藥或自患者體內(nèi)提取細(xì)胞進(jìn)行體外處理，再移植回患者體內(nèi)。

腺相關(guān)病毒是許多基因療法的首選載體。

動(dòng)物研究表明，仔細(xì)挑選合適的病毒，結(jié)合組織特異性基因啟動(dòng)子，可以實(shí)現(xiàn)局限于特定器官的高效藥物遞送。

然而，病毒有時(shí)很難大規(guī)模生產(chǎn)，還會(huì)引起免疫反應(yīng)，破壞療效或產(chǎn)生不良反應(yīng)。

脂質(zhì)納米粒是一種非病毒載體，過(guò)去幾年發(fā)表的多項(xiàng)研究顯示了對(duì)其特異性進(jìn)行調(diào)控的潛力。

例如，美國(guó)得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)家Daniel Siegwart和同事開發(fā)的選擇性器官靶向技術(shù)有助于快速生成和篩選脂質(zhì)納米粒，找出能有效靶向組織（如肺或脾臟）細(xì)胞的納米粒。

空間多組學(xué)

單細(xì)胞組學(xué)的發(fā)展使研究人員很容易從單個(gè)細(xì)胞中獲得遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀遺傳學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方面的見解。

但單細(xì)胞技術(shù)將細(xì)胞從其原始環(huán)境中剝離出來(lái)，這一過(guò)程可能遺漏關(guān)鍵信息。

2016年，瑞典皇家理工學(xué)院的Joakim Lundeberg團(tuán)隊(duì)提出了一種解決策略。

該團(tuán)隊(duì)用條形碼寡核苷酸（RNA或DNA的短鏈）制備了載玻片，這些條形碼寡核苷酸可以從完整的組織切片中捕獲信使RNA，這樣每個(gè)轉(zhuǎn)錄樣本都可以根據(jù)其條形碼對(duì)應(yīng)到樣本中的特定位置。

此后，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域迎來(lái)了爆發(fā)性發(fā)展，目前已有多種商業(yè)系統(tǒng)可用。研究團(tuán)隊(duì)也在繼續(xù)研發(fā)新方法，以更好的深度和空間分辨率繪制基因表達(dá)圖譜。

基于CRISPR的診斷

CRISPR-Cas系統(tǒng)精確切割特定核酸序列的能力，源于其作為細(xì)菌“免疫系統(tǒng)”抵御病毒感染的作用。

這一聯(lián)系啟發(fā)了該技術(shù)的早期使用者思考其對(duì)病毒診斷的適用性。

Cas9是基于CRISPR的基因組操作的首選酶，但基于CRISPR診斷的大部分工作都使用了一個(gè)名為Cas13的靶向RNA分子家族。

這是由于Cas13不僅能切割向?qū)NA所靶向的RNA，還能對(duì)附近的其他RNA分子進(jìn)行“旁系切割”。

許多基于Cas13的診斷都使用報(bào)告RNA，將熒光標(biāo)記“拴”在抑制熒光的淬滅分子上。

當(dāng)Cas13識(shí)別病毒RNA并被激活時(shí)，它會(huì)切斷報(bào)告基因并從猝滅分子中釋放熒光標(biāo)記，產(chǎn)生可被檢測(cè)的信號(hào)。

有些病毒會(huì)釋放很強(qiáng)的信號(hào)，可以在不擴(kuò)增的情況下檢測(cè)到，從而大大簡(jiǎn)化了即時(shí)診斷流程。

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