五大新兴科学研究方法和项目，你认识几个？|《自然》核心技术特写

归来顾不断崭露头角的杰出有学术研究基本动态和项目，我们可以断定一些携手的形同功唯一可。

当被问及专精于时，Kaihang Wang的归来答很干脆：“手艺人”。毕竟他在麻省理工学院（California Institute of Technology）的大部分兼职都与修造样子有关，尽管不是用锤兄和钉兄。Wang的合作开发团队合作开发了分兄基本动态，仅限于一个该系统——动物学家可以通过编程，将长的人工合形同DNA氨基酸转往寄生虫线粒体[1]。再次思考过后，Wang给出有了一个愈来愈科学研究的归来答：人工合形同生物科学或线粒体工程。“从根本上说道，我们所有努力主要由一个整体目的倡导，那就是塑修造生命”，他说道。

和Wang一样，当刚开始的基本动态过剩时，许多动物学家时会跨学科寻找材质、合作者或却是相近的方式。这促形同了全最初命名的方式或自由联盟，如“加速光学形同像（expansion microscopy）”或“线粒体编纂计划书（Genome Project-write）”。其当中一些方式或自由联盟由于其核心技术技能及显赫的名望而在动物学家当中引起轰动。

快要到来：“人类所线粒体概要”。；也：改编自Getty。

科罗拉多州立国立大学学术研究科学研究人文学科的Erika Szymanski问到，为一个行业或基本动态取个琅琅上口的名字，可以为学术深入研究成立出有探索的表示方式方法论。“就像光学镜放宽了我们用它能见到什么，我们才时会‘看见’那些有名字的样子，”她说道，“尝试以最初方法论来思考兼职有时时会很有形同效，因为它新建出有空间，让我们可以自已象最初的确实。”

在本文当中，《连续性》探索了整体上15年当中5项知名的核心技术。有些并未新建了最初的学术研究行业或夺得了资金资助；有些加强了在世界上合作，或者在学术研究当中断定了却是相近于最初意三幅的最初目的。无论是推断出有了线粒体动态，催生了公司和制剂，还是在非典期间为公共卫生权衡提供了个人信息，这5项核心技术都在科学研究史上留下浓墨重彩的一笔。

密切相关DNA表示第三组学

与线粒体DNA一样，早先RNA可以载有改变其动态或注定的化学标示，例如甲基或酪氨酸。这种粘贴却是确立，并且有断定声称，某些mRNA高度底物而其他mRNA从未，指向了这些标示的生物科学作用。2012年，莱斯梅森附属医院（Weill Cornell Medical College）的RNA动物学家Samie Jaffrey等合作开发了一种方式来标识普遍存在于DNA表示第三组（线粒体或遗传物质当中DNA表示出有来的所有RNA）当中的托定mRNA底物标示，命来由m6A[2]。

该学术研究的携手作者Christopher Mason也在莱斯梅森附属医院兼职，他塑修造了“密切相关DNA表示第三组学”这一术语来阐释该合作开发团队的假设，即甲基标示可调mRNADNA表示本的活性，从而声专指什么酶往往却是总是与格式它们的DNA表示本的丰度相匹配。“这可能是DNA格式的最初层面，这一点很吸引人。”Jaffrey说道。最初名称使其他人愈来愈容易解读这个表示方式。

几年下来，密切相关DNA表示第三组学并未持续发展形同一个独立的行业，有的机构的资金、时会议和合作需求。塞维利亚萨拉戈萨线粒体诱导教育当中心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA动物学家Eva Maria Novoa Pardo说道：“在某种往往上，一个最初词的塑修造引领了整个科研群体的出有现。”

Jaffrey和Mason的晚期方式是采用m6A免疫球抗原来分离长为100-200个碱基的粘贴RNA相片，然后他们通过核酸对其完形同鉴定。后来，该合作开发团队将免疫球抗原与质子化剪切，然后沉淀免疫球抗原结合的RNA相片以精确相对于底物位点，从而生形同第一个单碱基往往的底物mRNA概要。这有助于标识另一类载有粘贴的分兄，专指特罗斯季亚涅齐RNA[3]。“我们从此前开始认同一个尝试：m6A的一个主要动态是标示RNA以实现迅速流转”，Jaffrey说道，这对线粒体改变和适应环境的技能至关重要。

随后动物学家合作开发了可以在托定核苷酸上大块非底物RNA的酶。Ubuntu、伊朗魏茨弗科学研究学术研究所（Weizmann Institute of Science）RNA动物学家Schraga Schwartz借助于该基本动态，不仅能扫描托相对于点到底被修改，还可以扫描载有底物基序的DNA表示本的比率。当Schwartz等将其应用作整个DNA表示第三组时，他们断定基于免疫球抗原的核心技术遗漏了左右边75%的粘贴位点，声称其诱因有限[4]。“这个结果引人惊喜，”他说道，“过去就一种，从此前有了两种方式，我们看问题愈来愈下半年了。”

今日，密切相关DNA表示第三组学学术研究执法人员可以采用纳米开口核酸仪实际上读取粘贴过的 RNA。与传统核酸仪需要先为通过逆DNA表示将RNA转化为DNA却是相近，这些仪器将RNA分兄通过酶纳米开口并诱发托定的电流，然后解码电流路径以得不到RNA核苷酸。整体上，解码电流路径的核酸搜索算法常时会误译底物的m6A碱基。因此，2019年Novoa等人建筑设计了一种搜索算法（明年早些时候有愈来愈最初[5]），采用这些偏差来预测哪些位点载有底物碱基。“确实对天然RNA完形同核酸（而无需先为将其逆DNA表示形同DNA），为DNA表示第三组新建了无偏差的三幅景”，她说道。

人类所线粒体概要

2003年人类所线粒体核酸的完形同，以及学术研究单线粒体的最初基本动态的出有现，让动物学家开始畅自已到底可以对每个人类所线粒体的独托位置、犯罪行为和生殖完形同绘三幅。英国卡尔·学术研究所（Wellcome Sanger Institute）DNA学家Sarah Teichmann和旧金山南旧金山DNA泰克（Genentech）的计算动物学家Aviv Regev就是其当中两位。

2016下半年，Teichmann、Regev等聚在三人提问这个尝试。人类所线粒体概要计划书（Human Cell Atlas）由此发端，这是一个采用单线粒体唯一可素描每个人类所线粒体、秘密第三组织和心脏的骨架、DNA学和生物科学的项目。该人小第三组强调解禁、共享的方式：任何人都可以参与，并且该自由联盟采用广泛应用的分兄和计算方式收集个人信息。

“从未什么金国际标准核心技术可以实现所有目的，”在CRG 学术研究单线粒体核酸核心技术并主导该自由联盟国际标准和核心技术兼职第三组的Holger Heyn说道，“每种方式都有误差。我们构建的核心技术越多，误差就越多于。”

在2020年的一项学术研究当中，Heyn等人在各别除此以外概要抽取当中比较了13种单线粒体RNA核酸核心技术，并根据其断定线粒体依赖性标示物的技能完形同评价[6]。他们断定，结果差异的一个主要；也是抽取当中线粒体的较小。“我们的目的不是比个高下，而是决定通过每种核心技术能得不到哪些个人信息”，Heyn说道。

人类所线粒体概要自由联盟从此前在77个国家拥有左右边2200名形同员，他们总共分析了来自14个主要心脏的约3900万个线粒体，并撰写了左右边80序言，而且这些十六进制还在不断增加。

此外，这些数据还有助于解开COVID-19的一切都是。2020年初，自由联盟形同员汇集了26个已撰写和未撰写的数据集，以探究冠状病毒SARS-CoV-2如何入侵肺秘密第三组织。他们素描了病毒用作进入秘密第三组织（仅限于鼻兄、嘴巴和眼睛等）的线粒体表面受体三幅[7]。自此，世界各地的学术研究执法人员采用该概要来探究感染全过程。Teichmann问到，它甚至有助于为公共卫生权衡提供个人信息，例如要求人们脱下口罩的政策。“这场非典对人类所线粒体概要计划书来说道似乎是变革性的，”她说道，“它描绘出有了线粒体概要的价值——即使还是晚期的、不非常简单的概要。”

加速光学形同像

尽管许多有意思于光学镜分辨率的学术研究执法人员投身于于营修造愈来愈好的硬件，但神经系统动物学家Ed Boyden无视了却是相近的策略。他与斯坦福国立大学的室友三人，建筑设计了一种专指加速光学形同像（expansion microscopy）的核心技术，它可以像给气球打气一样缩小线粒体和秘密第三组织。

该方式将一种专指丙烯酸酯的骨架流经样本当中。拌时会导致骨架剪切和加速，随着其缩小，线粒体第三组分被抓起。晚期尝试时线粒体时会撕裂或加速不表面。但通过在剪切此前添加酶来变质秘密第三组织，学术研究执法人员可以将肠道脑细胞秘密第三组织缩小到原始较小的4.5倍[8]。两年后，该合作开发团队将该方式扩展至十几种秘密第三组织类型，其当中一些可以缩小16倍[9]。“能前提物理高频率倍数的比例正确，这个核心技术才有价值，”Boyden说道。

明年，Boyden合作开发团队借助于这个表示方式来相对于秘密第三组织当中的托定RNA，这是一个专指空间DNA表示第三组学的兄行业。他们首先为扩张了肠道脑细胞秘密第三组织的一部分，然后对锚定的RNA完形同了特罗斯季亚涅齐核酸[10]。

加速光学形同像合组RNA核酸(左)携手推断出有了肠道视觉视神经系统大脑的骨架(右边)。 ；也：S. Alon et al./Science

德国马克斯普朗克脑细胞学术研究所（Max Planck Institute for Brain Research）的神经系统动物学家Erin Schuman学术研究酶在来由皮质的神经系统线粒体连接起来处如何人工合形同，长期以来他长期以来依靠金制染色等间接方式来可视化此全过程。Schuman自已实际上在皮质当中见到最初人工合形同的酶。但皮质是由长而细的纤维形形同的，这些被专指轴突的纤维缺乏良好的分兄标示。“它们其实是那种最难学术研究的样子”，她说道。

通过加速光学形同像核心技术，Schuman合作开发团队第一次见到，却是所有的轴突外侧都有人工合形同最初酶的机制[11]。“它似乎帮我们以高置信度接触皮质，并完形同数据处理分析”，她说道。

斯坦福国立大学（Stanford University）生物工程师Bo Wang采用该基本动态成立了一张高分辨率三维，展览品了常见肠道病菌病原如何与人体线粒体相互作用。在提高效率“变质”步骤时，Wang和室友断定该方式可用作校准寄生虫线粒体壁的韧性。这个坚硬的外层，是该病菌对抗生素和宿主强攻的决定性。校准微型静止的机械动态性很瓶颈，但加速光学形同像核心技术希望合作开发团队校准了单个批次当中数千个线粒体壁的强度，以探究寄生虫如何对宿主强攻机制无论如何有催化[12]。“类似的策略可以希望归来答植物、寄生虫和许多却是相近物种的环境因素问题”，Wang说道。

神经系统蝴蝶

2007年，由哈佛国立大学神经系统动物学家Jeff Lichtman和Joshua Sanes主导的合作开发团队合作开发出有一种方式来区分开肠道大脑当中纠缠的大脑[13]。学术研究执法人员构建了一个该系统，其当中格式多于数紫外光抗原的DNA由大脑托有的可调核苷酸控制，该核苷酸正中是标签，标签将借助分拆酶对这些紫外光DNA完形同再次表示。线粒体时会得不到DNA“箱”的多个手写，当学术研究执法人员抑制标识分拆标签的酶时，它时会将这些DNA改第三组为各种随机第三重新组合，并表现为如蝴蝶般的紫外光。他们称此基本动态为脑细胞虹（Brainbow）。

Gabriel Victora归来自已起自己在纽约国立大学（New York University）深修造学术本科生时，对那些如在在般绚烂的大脑三幅片大感匪夷所思，每个线粒体粉红色都不一样。但Victora的学术研究集当中于所谓教育当中心（淋巴结的一种微观骨架，免疫线粒体在此分裂和湿润）。“我们从未立即自已到可以用这项核心技术，”今日已是纽约市洛克菲勒国立大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora说道，“我记得之前在自已，‘可惜是那是在大脑里’。”

Lichtman曾希望标示单个线粒体的技能将有助于解决精准尺度的细节问题，例如大脑当中的皮质连接起来。但是小的线粒体骨架紫外光分兄多于，诱发的紫外光路径亮度过分——通常都太暗了没法用。Lichtman问到，他对结果深感失望，自此改向了诸如连续切片扫描电兄光学镜之类的核心技术，在这种核心技术当中，一块秘密第三组织被重复采用形同像、研磨、再次形同像，以素描神经系统连接起来三幅。“你得为这项兼职发现合适的基本动态，在这种情况下，Brainbow过分用，”他说道。

脑细胞虹标示的所谓教育当中心。 ；也：Carla Nowosad

Lichtman似乎采用Brainbow在周围神经系统该系统做了实验，其当中线粒体相距较多于，因此微弱的紫外光也可以观察到。其他合作开发团队并未针对却是相近生物调整了基本动态——例如果蝇大脑的 Flybow和斑马鱼秘密第三组织的Zebrabow。Brainbow与加速光学形同像核心技术相结合，使学术研究执法人员能够核对动物秘密第三组织当中的线粒体形状和连通性[14]。

而在Victora那里，有一种来由Confetti的肠道三维将脑细胞虹核心技术扩张到了非大脑线粒体，这重最初点燃了他对Brainbow的感兴趣。在淋巴结的所谓教育当中心内，形同群的B线粒体分泌却是相近免疫球抗原，并彼此竞争。大多数所谓教育当中心保持良好着免疫球抗原分兄的连续性环境。但Victora合作开发团队断定，在5-10%所谓教育当中心内，能诱发高选择性免疫球抗原的B线粒体需求量可以不断少于其它B线粒体，并接手所谓教育当中心[15]。通过Brainbow这些“他的合作开发团队暴发（clonal burst）”的学术研究执法人员在第一次标示线粒体时，见到所谓教育当中心的所有线粒体都描绘出却是相近的粉红色。然后，当一个优势他的合作开发团队接手时，它的后代——所有这些都与表现型线粒体具有相近的粉红色——将所谓教育当中心从彩色变为单色。他说道：“Brainbow愈来愈加相符地显示了B线粒体之间这种的分工。”

线粒体编纂计划书

如果动物学家能够人工合形同非常简单的生殖细胞，他们就可以赋予线粒体最初的动态，愈来愈换致病的DNA唯一可或建筑设计最初的实验该系统完形同学术研究。但是，生殖细胞人工合形同只能一蹴而就。

2010年，学术研究执法人员单单有第一个寄生虫的人工合形同线粒体[16]。他们将寄生虫DNA新建形同短相片，再将它们拼接在三人，然后一次一个相片地交换一部分生殖细胞，直到原始DNA完全被人工合形同对应物所取代。麻省理工学院的Wang说道，自从第一次尝试以来，这个全过程整体保持良好不变。尽管在寄生虫和发酵之外夺得了显著进展，但该核心技术从未拓展至线粒体愈来愈多样的生物。因此，在2016年，学术研究执法人员同年了线粒体编纂计划书（Genome Project-write），旨在人工合形同多样的线粒体，仅限于人类所的线粒体。

该项目（Nature 557, 16-17; 2018）预设雄心勃勃，由于资金和核心技术的双重下一场，左边却不得不降低期望，投身于建筑设计一种能抵抗病毒的人类所线粒体系。但这种规模的DNA人工合形同仅仅能够，建筑设计格式最初动态的DNA线路也一样。斯坦福国立大学的人工合形同动物学家Christopher Voigt问到，目此前，这类兼职太大往往上仍属于个别学术副研究员或小合作开发团队的出有乎意料。如果自已要大规模线粒体人工合形同变得难以实现，那么这个全过程必须改变。“这就像单人修造飞机，从建筑设计到第三组装什么都做，”他说道，“这说道明了我们英哩在线粒体这个规模上做建筑设计有多遥多于。”

尽管如此，Wang普遍认为这个崇高的目的仅仅可以倡导行业向此前持续发展。“人工合形同全线粒体的自已法倡导了核心技术的持续发展。这是一个良性循环：一旦我们有了基本动态，它就时会使线粒体人工合形同愈来愈加难以实现，人们也时会将愈来愈多自然资源投入该行业。”

概要文献：

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. Andrew 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. Andrew 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).

译文以Five trendy technologies: where are they now?标题撰写在2021年6月21日的《连续性》的核心技术托写版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01684-7