盤點十大生物技術(shù)

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　　日前，《自然-方法》(Nature Methods)雜志在十周年之際推出了紀(jì)念特刊，點評了在過去十年中對生物學(xué)研究影響最深的十大技術(shù)。二代測序、CRISPR、單分子技術(shù)、細(xì)胞重編程、光遺傳學(xué)、超高分辨率顯微鏡等紛紛上榜。
　　二代測序 Next-generationsequencing
　　二代測序或大規(guī)模并行測序的出現(xiàn)，幾乎影響了生物學(xué)領(lǐng)域的每一個角落。這一技術(shù)允許科學(xué)家們測序基因組、評估遺傳學(xué)變異、定量基因表達(dá)、研究表觀遺傳學(xué)調(diào)控、探索微觀生命，將各種分析和篩選輕松升級。技術(shù)革新使測序數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量不斷攀升，測序文庫的構(gòu)建也在不斷的進(jìn)步�，F(xiàn)在人們已經(jīng)可以檢測限制性材料或發(fā)生降解的樣本，靈活靶標(biāo)序列空間的一部分，標(biāo)記細(xì)胞中各種各樣的分子，捕捉分子相互作用和基因組結(jié)構(gòu)。此外，計算工具也為解讀二代測序的海量數(shù)據(jù)立下了汗馬功勞，為人們揭示了序列變異、調(diào)控和進(jìn)化的基礎(chǔ)信息。
　　基因組工程 Genomeengineering
　　基因組工程可以在體外培養(yǎng)的細(xì)胞、模式和非模式生物中，進(jìn)行自定義的改動，這類技術(shù)為相關(guān)研究帶來了極大的便利。研究者們能夠在這些工具的幫助下敲除基因、引入突變或者構(gòu)建融合基因。舉例來說，人們用酶切割特定的基因組序列，啟動細(xì)胞的修復(fù)過程，并由此作出想要的序列改變。Meganuclease、鋅指酶和TALEN通過各自的DNA結(jié)合域來靶向目的序列。最近，CRISPR-Cas9系統(tǒng)成為了這一領(lǐng)域的新寵兒。該系統(tǒng)使用RNA為核酸酶導(dǎo)航，不僅很容易設(shè)計，而且能夠改寫幾乎任何基因組序列。
　　單分子技術(shù) Single-moleculemethods
　　研究單個分子(比如蛋白或DNA)的行為能夠揭示重要的生物學(xué)機(jī)制，這一點是平均化分子研究無法企及的。近十年來，一些單分子技術(shù)逐步成熟。比如，力譜(forcespectroscopy)技術(shù)可以檢測分子的結(jié)合、折疊或機(jī)械行為，而熒光顯微鏡能夠在體外和體內(nèi)對單分子進(jìn)行追蹤。新興的單分子技術(shù)還包括，能夠測序單分子的納米孔技術(shù)，不用標(biāo)記就能檢測單分子的光學(xué)和plasmonic設(shè)備。這些工具的出現(xiàn)，使人們能夠以空前的深度探索單分子的功能。
　　光切成像Light-sheet imaging
　　光切成像這個老技術(shù)迎來了自己的第二春，這是因為成像設(shè)備(包括顯微鏡和相機(jī))、熒光探針和圖像分析技術(shù)得到了很大的改進(jìn)。光切成像技術(shù)利用很薄的一層光來照射樣品，而不是通過點光源或全場照明，能夠快速地對生物樣品進(jìn)行高分辨的三維成像，同時降低了光毒性。神經(jīng)學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的研究者們，正在許多生物中用光切成像研究基本的生物學(xué)過程，例如胚胎發(fā)育和大腦功能。
　　基于質(zhì)譜分析的蛋白質(zhì)組學(xué) Massspectrometry–based proteomics
　　十年前，基于質(zhì)譜分析的蛋白質(zhì)組學(xué)研究還是一個相對小眾的領(lǐng)域，傳統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)家對它并不熟悉。然而，質(zhì)譜分析儀的速度和性能在這十年迅速提升，樣品制備、實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析也取得了巨大的進(jìn)步，數(shù)據(jù)可重復(fù)性和全面性的許多問題得以解決。這些發(fā)展導(dǎo)致這一領(lǐng)域煥發(fā)了蓬勃的生機(jī)。對特定細(xì)胞狀態(tài)的蛋白質(zhì)組進(jìn)行深入定量的圖譜分析，過去需要儀器運(yùn)行好幾天，現(xiàn)在只要幾個小時就能完成。現(xiàn)在，許多研究者通過質(zhì)譜分析在系統(tǒng)水平上研究蛋白的功能，比如對蛋白質(zhì)翻譯后修飾和蛋白質(zhì)互作進(jìn)行圖譜分析。
　　結(jié)構(gòu)生物學(xué) Structuralbiology
　　隨著結(jié)構(gòu)測定流程(從蛋白表達(dá)到結(jié)晶)的不斷優(yōu)化，用X射線晶體學(xué)技術(shù)分析可溶性小蛋白的原子結(jié)構(gòu)基本已經(jīng)成為了常規(guī)。研究者們在此基礎(chǔ)上解析了許多頗具挑戰(zhàn)的蛋白結(jié)構(gòu)，比如膜蛋白和大蛋白復(fù)合體，這些蛋白生成的量少而且很難結(jié)晶。這十年來，X射線晶體衍射的樣本制備、結(jié)晶和數(shù)據(jù)分析得到了大幅改良。與此同時，其他結(jié)構(gòu)分析技術(shù)也在快速發(fā)展，比如核磁共振光譜(nuclearmagnetic resonance spectroscopy)和單顆粒冷凍電鏡。更有X射線無電子激光器(X-rayfree electron laser)等新興技術(shù)涌現(xiàn)出來。這些技術(shù)進(jìn)步將幫助人們解決各種各樣的分子結(jié)構(gòu)。
　　細(xì)胞重編程 Cellularreprogramming
　　iPS技術(shù)能夠通過重編程令細(xì)胞重新獲得多能性。該技術(shù)生成的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)可以進(jìn)行擴(kuò)增，它們理論上可以生成任何類型的細(xì)胞，用于研究疾病和篩選藥物。現(xiàn)在，許多實驗室都能通過iPS生成具有特定遺傳學(xué)背景的人類細(xì)胞，不過人們?nèi)栽谔剿髡T導(dǎo)iPSC分化的更好方法。ips技術(shù)熱潮也使直接重編程重新受到了關(guān)注，直接重編程可通過外源轉(zhuǎn)錄因子，直接將一種終末分化細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N終末分化細(xì)胞。
　　光遺傳學(xué) Optogenetics
　　用光照射整合在細(xì)胞中的光敏蛋白，可以非侵入性的改變細(xì)胞行為。光遺傳學(xué)技術(shù)在神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域特別受歡迎，研究者們用這一技術(shù)來激活或抑制神經(jīng)元的活性，實現(xiàn)精確的時間和空間控制。光遺傳學(xué)工具既可以用于體外也可以用于體內(nèi)，有助于探索神經(jīng)元功能、神經(jīng)元興奮性、突觸傳遞等問題。此外，光敏工具也可以用來二聚化蛋白或者激活轉(zhuǎn)錄�，F(xiàn)有光敏蛋白的不斷改進(jìn)和新光敏蛋白的發(fā)現(xiàn)，正在不斷拓展著光遺傳學(xué)的工具箱。此外，發(fā)光過程也在進(jìn)行改良，比如采用雙光子激發(fā)和模式化的光照刺激。
　　合成生物學(xué) Syntheticbiology
　　設(shè)計微生物代謝通路生產(chǎn)藥物和生物燃料、建造合成生物、給哺乳動物細(xì)胞賦予新功能，這些都是合成生物學(xué)的目標(biāo)。由于實驗和計算方法的改進(jìn)，上述工作都取得了可喜的進(jìn)展。在基因合成和組裝方面，人們已經(jīng)成功合成了細(xì)菌基因組和酵母染色體。鑒定控制轉(zhuǎn)錄和翻譯的調(diào)控元件，可以幫助人們進(jìn)行更好的回路設(shè)計。研究者們還在不斷開發(fā)預(yù)測性的模型，這將為合成生物學(xué)未來十年的成功奠定基礎(chǔ)。
　　超高分辨率顯微鏡 Super-resolutionmicroscopy
　　幾個世紀(jì)以來，光學(xué)顯微鏡的“衍射極限”一直被認(rèn)為是無法超越的�，F(xiàn)在人們從不同途徑“突破”了這一極限，這類技術(shù)統(tǒng)稱為超高分辨率顯微技術(shù)或納米顯微技術(shù)(nanoscopy)。近十年來，這些技術(shù)被廣泛應(yīng)用到了生物學(xué)領(lǐng)域。這意味著研究者們現(xiàn)在可以區(qū)分細(xì)胞內(nèi)的微小物體(細(xì)胞器甚至大分子復(fù)合體)，此前它們還只是無法分辨的模糊點。超高分辨率顯微技術(shù)仍然發(fā)展迅猛，尤其是超高分辨率數(shù)據(jù)的分析，這些技術(shù)為研究分子和細(xì)胞的科學(xué)家們開啟了全新的視界。
　　(文章源自千人智庫—EWW141020CYX)

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