三大新兴科学研究方法和项目，你认识几个？|《自然》技术特写

回去顾不断崭露头角的杰出贡献有科学知识研究物件和新项目，我们可以见到一些都由的急于种子系统。

当被问及专长时，Kaihang Wang的回去答很索性：“手艺人”。毕竟他在加州大学伯克利分校（California Institute of Technology）的大部两有组织化作都与造进去有关，尽管不是用锤子和木杆。Wang的制作团队整合了分子物件，最主要一个子系统——微植物学家可以通过Smalltalk，将长的衍生物DNA链转入大肠杆菌线粒体[1]。再度探讨过后，Wang给出有了一个格外科学知识的回去答：衍生物微生物学或核酸建设工程。“从根本上说道，我们所有努力工作主要由一个原则上要能推动，那就是创造新生命”，他说道。

和Wang一样，当手头的物件不足时，许多微植物学家亦会跨学科探寻材料、在此之后或不尽相同的作法。这格外进一步了全一新定名的作法或自由联盟，如“减小医学影像扫描（expansion microscopy）”或“核酸编撰蓝布（Genome Project-write）”。其当中一些作法或自由联盟由于其系统设计技能及显赫的名声而在物理家当中引起轰动。

之际预示：“生命线粒体著者”。是从：小说家Getty。

科罗拉多州普渡大学科学知识研究科学知识诗学的Erika Szymanski说明，为一个领域或物件取个琅琅上口的叫作，可以为科学知识研究成果创建人出有探究的原则上概念前提。“就像医学影像镜允许了我们用它能碰到什么，我们只能‘看见’那些有叫作的进去，”她说道，“试布以一新前提来探讨实习有时亦会很有成效，因为它建起出有维度，让我们可以想要象原先为不太可能。”

在本文当中，《共存》探究了无论如何15年当中5项著名的系统设计。有些如今建起了原先为科学知识研究领域或取得了贷款赞助；有些加强了全球合作，或者在科学知识研究当中见到了不尽相同于原先为布谋的一新要能。无论是推断出有了线粒体功用，有鉴于此了公司和麻醉药，还是在疫情期间为公共卫生决断最主要了的资讯，这5项系统设计都在科学知识史上留下浓墨重彩的一笔。

密切相关激活两组学

与核酸DNA一样，信使RNA可以携带发生变化其功用或爱人的物理上面，例如甲基或甘油。这种去除并不统一，并且有见到表明，某些mRNA整体两组复合物而其他mRNA未，朝向了这些上面的微生物学作用。2012年，比尔戴维该学院（Weill Cornell Medical College）的RNA微植物学家Samie Jaffrey等整合了一种作法来定位普遍存在于激活两组（线粒体或物理物质当中激活出有来的所有RNA）当中的纳定mRNA两组复合物上面，定名叫m6A[2]。

该科学知识研究的都由作者Christopher Mason也在比尔戴维该学院实习，他创造了“密切相关激活两组学”这一专有名词来暗示该制作团队的假设，即甲基上面缓冲mRNA激活本的活性，从而表明为什么复合物技术水平并不总是与编码器它们的激活本的重元素相匹配。“这可能是遗传编码器的一新多方面，这一点很吸引人。”Jaffrey说道。一新名称使其他人格外容易理解这个原则上概念。

几年下去，密切相关激活两组学如今工业发展成一个脱离的领域，有专门的贷款、亦会议和合作需求。西班牙巴塞罗那核酸调控当中心地带 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA微植物学家Eva Maria Novoa Pardo说道：“在同样上，一个该词的创造引领了整个建设工程系统设计社会阶层的出有现。”

Jaffrey和Mason的后期作法是用作m6A免疫球复合物来复合长为100-200个残基的去除RNA片段，然后他们通过核酸对其进行解剖。后来，该制作团队将免疫球复合物与位点交联，然后结晶免疫球复合物相辅相成的RNA片段以精确定位两组复合物启动子，从而生成第一个单残基技术水平的两组复合物mRNA著者。这更进一步定位另一类携带去除的分子，被称作长丝RNA[3]。“我们如今开始认同一个想要法：m6A的一个主要功用是上面RNA以实现加速而政府”，Jaffrey说道，这对线粒体发生变化和适应环境的技能至关重要。

随后物理家整合了可以在纳定核酸上挤压非两组复合物RNA的位点。整合者、巴勒斯坦魏茨曼科学知识科学知识该当中心（Weizmann Institute of Science）RNA微植物学家Schraga Schwartz透过该物件，不仅能监测纳定启动子是否是被改写，还可以监测携带两组复合物基序的激活本的百分比。当Schwartz等将其应使用整个激活两组时，他们见到基于免疫球复合物的系统设计遗漏了有约75%的去除启动子，表明其敏感性有限[4]。“这个结果令人惊喜，”他说道，“以前就一种，如今有了两种作法，我们看关键问题格外年初了。”

如今，密切相关激活两组学科学知识研究执法人员可以用作纳米孔核酸仪从外部复制到去除过的 RNA。与传统核酸仪需要先为通过遗传物质将RNA转化为DNA不尽相同，这些仪器将RNA分子通过复合物纳米孔并归因于纳定的电容器，然后解码电容器频率以得到RNA核酸。无论如何，解码电容器频率的核酸插值经常曲解两组复合物的m6A残基。因此，2019年Novoa等人形态设计了一种插值（今年早些时候有格外一新[5]），用作这些缺失来预测哪些启动子携带两组复合物残基。“有可能对天然RNA进行核酸（而无需先为将其遗传物质成DNA），为激活两组建起了无偏差的想要象”，她说道。

生命线粒体著者

2003年生命核酸核酸的完成，以及科学知识研究单线粒体的一新物件的出有现，让物理家开始畅想要是否是可以对每个生命线粒体的独纳位置、不当和植被发育进行绘布。英国Carl科学知识该当中心（Wellcome Sanger Institute）生物学家Sarah Teichmann和美国南旧金山等位基因泰克（Genentech）的计算微植物学家Aviv Regev就是其当中两位。

2016年底，Teichmann、Regev等聚在一起咨询这个想要法。生命线粒体著者蓝布（Human Cell Atlas）由此迈入，这是一个用作单线粒体种子系统绘出每个生命线粒体、两有组织和器官的形态、免疫学和微生物学的新项目。该小两组强调开放、协作的作法：任何人都可以参与，并且该自由联盟用作广泛的分子和计算作法采集的资讯。

“未什么金标准系统设计可以实现所有目的，”在CRG 科学知识研究单线粒体核酸系统设计并领袖该自由联盟标准和系统设计实习两组的Holger Heyn说道，“每种作法都有误差。我们整合的系统设计越多，误差就越少。”

在2020年的一项科学知识研究当中，Heyn等人在两两组普通参考试样当中比较了13种单线粒体RNA核酸系统设计，并根据其见到线粒体酪氨酸上面物的技能进行较高度评价[6]。他们见到，结果差异的一个主要是从是试样当中线粒体的大小不一。“我们的要能不是比个较高下，而是决定通过每种系统设计能得到哪些的资讯”，Heyn说道。

生命线粒体著者自由联盟如今在77个东欧国家拥有有约2200名成员，他们总共分析了来自14个主要器官的约3900万个线粒体，并撰写了有约80一段话，而且这些位数还在急剧增加。

此外，这些数据还更进一步碰到COVID-19的奥秘。2020年末初，自由联盟成员汇成了26个已撰写和未撰写的数据集，以探究冠状菌株SARS-CoV-2如何入侵肺部两有组织。他们绘出了菌株使用进入两有组织（最主要脸颊、耳朵和眼睛等）的线粒体外层细胞因子布[7]。不久，全世界的科学知识研究执法人员用作该著者来探究感染处理过程。Teichmann说明，它甚至更进一步为公共卫生决断最主要的资讯，例如要求人们戴口罩的外交政策。“这场疫情对生命线粒体著者蓝布来说道确实是变革性的，”她说道，“它展现了线粒体著者的价值——即使还是后期的、不完整的著者。”

减小医学影像扫描

尽管许多着迷于医学影像镜分辨率的科学知识研究执法人员专注于承接格外好的显卡，但神经物理家Ed Boyden采取了不尽相同的策略。他与麻省理工学院的同事一起，形态设计了一种被称作减小医学影像扫描（expansion microscopy）的系统设计，它可以像给高空打气一样急剧扩大线粒体和两有组织。

该作法将一种被称作丙烯酸酯的形态上注入样品当中。开水亦会导致形态上聚合和减小，随着其急剧扩大，线粒体两成份被推开。后期试布时线粒体亦会破裂或减小不微小。但通过在聚合前掺入位点来转化成两有组织，科学知识研究执法人员可以将血清脑两有组织急剧扩大到原始大小不一的4.5倍[8]。两年后，该制作团队将该作法延伸至十几种两有组织各种类型，其当中一些可以急剧扩大16倍[9]。“能确保物理放大乘积的比例正确，这个系统设计才有价值，”Boyden说道。

今年，Boyden制作团队透过这个原则上概念来定位两有组织当中的纳定RNA，这是一个被称作维度激活两组学的子领域。他们首先为扩展了血清脑两有组织的一部分，然后对锚定的RNA进行了原位核酸[10]。

减小医学影像扫描联合RNA核酸(右侧)都由推断出有了血清美感神经外皮人脑的形态(右)。 是从：S. Alon et al./Science

荷兰赫尔曼普朗克脑科学知识该当中心（Max Planck Institute for Brain Research）的神经物理家Erin Schuman科学知识研究复合物在名叫动作电位的神经线粒体内侧如何衍生物，有约来他一直依赖银和染等间接作法来建模此处理过程。Schuman想要从外部在动作电位当中碰到一新衍生物的复合物。但动作电位是由长而细的外皮逐步形成的，这些被被称作神经的外皮缺乏较佳的分子上面。“它们其实是那种最无以科学知识研究的进去”，她说道。

通过减小医学影像扫描系统设计，Schuman制作团队第一次碰到，几乎所有的神经末端都有衍生物一新复合物的机制[11]。“它确实帮手我们以较高置信度碰触动作电位，并进行较数据采集分析”，她说道。

芝加哥大学（Stanford University）生物建设工程公司Bo Wang用作该物件创建人了一张较高分辨率布像，展示了常见肠道病原体沙门氏菌如何与人体线粒体电磁力。在优化“转化成”迭代时，Wang和同事见到该作法可使用量度大肠杆菌线粒体壁的硬度。这个坚硬的外层，是该病原体对抗生素和肠道布署的关键。量度微型星体的机械纳性很困无以，但减小医学影像扫描系统设计帮手助制作团队量度了单个批次当中数千个线粒体壁的切变，以探究大肠杆菌如何对肠道布署机制要用出有反应[12]。“类似的策略可以帮手助回去答植物、真菌和许多不尽相同品种的表征关键问题”，Wang说道。

神经黎明

2007年，由哈佛大学神经物理家Jeff Lichtman和Joshua Sanes领袖的制作团队整合出有一种作法来区分血清人脑当中死对头的人脑[13]。科学知识研究执法人员重构了一个子系统，其当中编码器少数激光复合物的等位基因由人脑纳有的缓冲核酸控制，该核酸两边是附加，附加将为了让重两组位点对这些激光等位基因进行立即表达。线粒体亦会得到等位基因“盒”的多个复本，当科学知识研究执法人员激活定位重两组附加的复合物时，它亦会将这些等位基因改两组为各种随机两组合，并平庸为如黎明般的激光。他们称此物件为脑虹（Brainbow）。

Gabriel Victora回去想要起自己在纽约大学（New York University）大学毕业科学知识本科时，对那些如MLT-般绚烂的人脑布片大感震撼，每个线粒体黄色都不一样。但Victora的科学知识研究集当中于----当中心地带（上皮细胞的一种微观形态，免疫线粒体在此分裂和植被）。“我们未尽快想要到可以用这项系统设计，”如今已是纽约市沃森大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora说道，“我记得当时在想要，‘可惜是那是在人脑底下’。”

Lichtman曾渴望上面单个线粒体的技能将更进一步解决简单数量级的细节关键问题，例如人脑当中的动作电位相互连接。但是小的线粒体形态激光分子少，归因于的激光频率振幅不够——通常都太暗了没法用。Lichtman说明，他对结果沮丧失望，不久转向了诸如连续切片扫描电子医学影像镜之类的系统设计，在这种系统设计当中，木头两有组织被减法扫描、锻造、立即扫描，以绘出神经相互连接布。“你得为这项实习找到合适的物件，在这种情况下，Brainbow不够用，”他说道。

脑虹上面的----当中心地带。 是从：Carla Nowosad

Lichtman确实用作Brainbow在周围神经子系统要用了实验室，其当中线粒体相差较远，因此微弱的激光也可以观察到。其他制作团队如今针对不尽相同生物调整了物件——例如果蝇人脑的 Flybow和尖尾两有组织的Zebrabow。Brainbow与减小医学影像扫描系统设计相相辅相成，使科学知识研究执法人员并不需要安全检查哺乳类两有组织当中的线粒体形状和连通性[14]。

而在Victora那底下，有一种名叫Confetti的血清模型将脑虹系统设计扩展到了非人脑线粒体，这重一新点燃了他对Brainbow的好奇心。在上皮细胞的----当中心地带内，成群的B线粒体分泌不尽相同免疫球复合物，并彼此竞争对手。大多数----当中心地带保持良好着免疫球复合物分子的多样性。但Victora制作团队见到，在5-10%----当中心地带内，能归因于较高张力免疫球复合物的B线粒体数量可以不断超过其它B线粒体，并接管----当中心地带[15]。通过Brainbow这些“克隆爆发（clonal burst）”的科学知识研究执法人员在第一次上面线粒体时，碰到----当中心地带的所有线粒体都描绘出不尽相同的黄色。然后，当一个优势克隆接管时，它的后代——所有这些都与亲代线粒体具有相同的黄色——将----当中心地带从彩色变为单色。他说道：“Brainbow非常清楚地显示了B线粒体两者之间这种的两有组织化。”

核酸编撰蓝布

如果物理家并不需要衍生物完整的染体，他们就可以突显线粒体原先为功用，换掉致病的遗传种子系统或形态设计原先为实验室子系统进行科学知识研究。但是，染体衍生物不能一蹴而就。

2010年，科学知识研究执法人员重一新整理第一个大肠杆菌的衍生物核酸[16]。他们将大肠杆菌DNA大修成动画短片段，再将它们整块在一起，然后一次一个片段地交换一部分染体，直到原始DNA完全被衍生物对应物所取代。加州大学伯克利分校的Wang说道，自从第一次试布以来，这个处理过程原则上保持良好也就是说。尽管在大肠杆菌和发酵之外取得了显著十分瓶颈，但该系统设计从不扩张至核酸格外复杂的生物。因此，在2016年，科学知识研究执法人员宣布了核酸编撰蓝布（Genome Project-write），旨在衍生物复杂的核酸，最主要生命的核酸。

该新项目（Nature 557, 16-17; 2018）启动时雄心勃勃，由于贷款和系统设计的双重考验，上去却暂时降低期许，专注形态设计一种能抵抗菌株的生命线粒体系。但这种体量的DNA衍生物依然很无以，形态设计编码器一新功用的遗传线路也一样。麻省理工学院的衍生物微植物学家Christopher Voigt说明，现阶段，这类实习很大程度上仍仅指个别科学知识研究员或小制作团队的作对。如果想要要大体量核酸衍生物变得十分瓶颈，那么这个处理过程必须发生变化。“这就像单人造飞机，从形态设计到两组装什么都要用，”他说道，“这说道明了我们一段距离在核酸这个体量上要用形态设计有多遥远。”

尽管如此，Wang认为这个崇较高的要能依然可以推动领域向右工业发展。“衍生物全核酸的或许推动了系统设计的工业发展。这是一个良性循环：一旦我们有了物件，它就亦会使核酸衍生物极为十分瓶颈，人们也亦会将格外多资源投入该领域。”

以下内容：

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. Simon 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. Simon 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?开头撰写在2021年6年末21日的《共存》的系统设计布片除此以外上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7