近日，《自然》對“可能在未來(lái)一年對科學(xué)產(chǎn)生影響”的7項技術(shù)進(jìn)行了綜述。
這7項技術(shù)分別是完整版基因組、蛋白質(zhì)結構解析、量子模擬、精準基因組調控、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)表的一篇預印本論文中，端粒到端粒（T2T）合作組報告了第一個(gè)人類(lèi)基因組的端粒到端粒序列，為廣泛使用的人類(lèi)參考基因組序列GRCh38增加了近2億個(gè)堿基對，并完成了人類(lèi)基因組計劃的最后一章。
GRCh38于2013年首次發(fā)布，是一個(gè)很有價(jià)值的研究工具，也是繪制測序序列的支架。
但它們不夠長(cháng)，不足以清晰地繪制高度重復的基因組序列。
長(cháng)讀長(cháng)測序技術(shù)被證明是既有規則的“改變者”。
這一技術(shù)由美國太平洋生物科學(xué)公司和英國牛津納米孔技術(shù)公司開(kāi)發(fā)，可在一次讀取中對數萬(wàn)甚至數十萬(wàn)個(gè)堿基進(jìn)行排序。
2020年，當T2T合作組首次重組單獨的X染色體和8號染色體時(shí)，太平洋生物科學(xué)公司的測序工作進(jìn)展已經(jīng)可以讓T2T合作組科學(xué)家檢測到長(cháng)片段重復序列的微小變化。
這些微妙的“指紋”使長(cháng)而重復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)公司平臺還捕獲了許多調節基因表達的DNA修飾，T2T合作組能在全基因組范圍內繪制這些“表觀(guān)遺傳標記”。
蛋白質(zhì)結構解析
過(guò)去兩年，實(shí)驗和計算方面的進(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)結構。
英國DeepMind公司開(kāi)發(fā)的AlphaFold2結構預測算法依靠深度學(xué)習策略，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(kāi)發(fā)布以來(lái)，AlphaFold2已應用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究，以確定在人類(lèi)和20個(gè)模式生物中表達的所有蛋白質(zhì)結構，以及鑒定Swiss-Prot數據庫中近44萬(wàn)種蛋白質(zhì)的結構。
同時(shí)，冷凍電鏡的改進(jìn)也使研究人員能用實(shí)驗方法處理最具挑戰性的蛋白質(zhì)及其復合物。
2020年，兩個(gè)團隊獲得了1.5埃以下的結構分辨率，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)也相當令人興奮，這種方法可以在冰凍細胞的薄片上捕捉到自然發(fā)生的蛋白質(zhì)行為。
量子模擬
量子計算機以量子比特的形式處理數據。
多個(gè)研究團隊已成功將單個(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。
法國國家科學(xué)研究中心的Antoine Browaeys和美國哈佛大學(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定性和性能，量子比特數量也從幾十個(gè)迅速擴展到幾百個(gè)。
Browaeys估計，這種量子模擬器在一兩年內就可能商用。這項工作也為量子計算機更廣泛的應用鋪平了道路。
精準基因組調控
盡管CRISPR-Cas9技術(shù)擁有強大的基因組編輯能力，但它更適合于讓基因失活而非修復。
美國哈佛大學(xué)化學(xué)生物學(xué)家劉如謙指出，大多數基因疾病需要的是基因修正而非基因破壞。
為實(shí)現這一目標，劉如謙團隊已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩種很有前景的方法。
第一種方法被稱(chēng)為堿基編輯，它將催化受損的Cas9與一種酶結合，這種酶有助于一種核苷酸向另一種核苷酸的化學(xué)轉化。
不過(guò)，目前只有特定的堿基—堿基轉換可以利用這種方法實(shí)現。
第二種方法被稱(chēng)為引導編輯，它將Cas9與逆轉錄酶相聯(lián)系，并使用一種經(jīng)過(guò)修改的向導RNA，以將所需的編輯內容整合到基因組序列中。
通過(guò)多階段生化過(guò)程，這些成分將向導RNA復制到最終取代目標基因組序列的DNA中。
重要的是，這兩種方法都只切割一條DNA鏈。對細胞而言，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，但其可應用的組織仍有諸多限制。
大多數治療需要局部給藥或自患者體內提取細胞進(jìn)行體外處理，再移植回患者體內。
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，仔細挑選合適的病毒，結合組織特異性基因啟動(dòng)子，可以實(shí)現局限于特定器官的高效藥物遞送。
然而，病毒有時(shí)很難大規模生產(chǎn)，還會(huì )引起免疫反應，破壞療效或產(chǎn)生不良反應。
脂質(zhì)納米粒是一種非病毒載體，過(guò)去幾年發(fā)表的多項研究顯示了對其特異性進(jìn)行調控的潛力。
例如，美國得克薩斯大學(xué)西南醫學(xué)中心生物化學(xué)家Daniel Siegwart和同事開(kāi)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）細胞的納米粒。
空間多組學(xué)
單細胞組學(xué)的發(fā)展使研究人員很容易從單個(gè)細胞中獲得遺傳學(xué)、轉錄組學(xué)、表觀(guān)遺傳學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方面的見(jiàn)解。
但單細胞技術(shù)將細胞從其原始環(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團隊提出了一種解決策略。
該團隊用條形碼寡核苷酸（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)轉錄樣本都可以根據其條形碼對應到樣本中的特定位置。
此后，空間轉錄組學(xué)領(lǐng)域迎來(lái)了爆發(fā)性發(fā)展，目前已有多種商業(yè)系統可用。研究團隊也在繼續研發(fā)新方法，以更好的深度和空間分辨率繪制基因表達圖譜。
基于CRISPR的診斷
CRISPR-Cas系統精確切割特定核酸序列的能力，源于其作為細菌“免疫系統”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不僅能切割向導RNA所靶向的RNA，還能對附近的其他RNA分子進(jìn)行“旁系切割”。
許多基于Cas13的診斷都使用報告RNA，將熒光標記“拴”在抑制熒光的淬滅分子上。
當Cas13識別病毒RNA并被激活時(shí)，它會(huì )切斷報告基因并從猝滅分子中釋放熒光標記，產(chǎn)生可被檢測的信號。
有些病毒會(huì )釋放很強的信號，可以在不擴增的情況下檢測到，從而大大簡(jiǎn)化了即時(shí)診斷流程。
