2009年生命科學(xué)研究技術(shù)十大熱點(diǎn)

賀 毅

(首都醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)系 神經(jīng)變性病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

對(duì)于產(chǎn)業(yè)界而言,2009年無(wú)疑是艱難的一年,生命科學(xué)也不例外。然而全球的生物技術(shù)公司和實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展了眾多的新技術(shù)產(chǎn)品可以幫助你進(jìn)行更深入的研究。今年實(shí)驗(yàn)室的預(yù)算肯定比往年更緊張,哪種技術(shù)更值得投資呢?美國(guó)《科學(xué)家》(The Scientist)雜志邀請(qǐng)了一組專家學(xué)者,對(duì) 2009年生命科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行了評(píng)選,這是《科學(xué)家》連續(xù)第 2年進(jìn)行此類評(píng)選,以下為評(píng)選結(jié)果前 10名。

第 10名 三維立體細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)

圖1 B ioLevitator立體細(xì)胞培養(yǎng)機(jī)

BioLevitator是一種培養(yǎng)箱和離心機(jī)一體機(jī),是最早的桌面型三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)之一。在培養(yǎng)體系中加入了一種獨(dú)特的微磁珠,表面包被了蛋白與細(xì)胞有很好的親和性,有利于細(xì)胞在其表面生長(zhǎng)。BioLevitator一次可以培養(yǎng) 4管細(xì)胞,在磁場(chǎng)作用下可使細(xì)胞均勻懸浮。磁珠包被不同的蛋白后可以適合不同的細(xì)胞生長(zhǎng)。細(xì)胞培養(yǎng)時(shí),每管的 CO2、溫度、細(xì)胞密度、pH值可以隨時(shí)監(jiān)控。培養(yǎng)結(jié)束后,所有的數(shù)據(jù)可以通過(guò)USB數(shù)據(jù)接口傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。三維立體細(xì)胞培養(yǎng)這一全新的技術(shù)優(yōu)勢(shì),除能夠進(jìn)行三維細(xì)胞培養(yǎng)外,更重要的是更接近于在體狀態(tài),并可以在短期內(nèi)得到比普通細(xì)胞培養(yǎng)方法更多的細(xì)胞。

第 9名 蛋白表達(dá)的新策略

圖2 用DNA2.0算法設(shè)計(jì)外源基因的表達(dá)

外源性基因表達(dá)系統(tǒng)是一種能得到高水平蛋白表達(dá)的高效、省時(shí)而又靈活的工具,也是現(xiàn)代生物技術(shù)的基石之一。由于密碼子的簡(jiǎn)并性,編碼一個(gè)蛋白質(zhì)可能有數(shù)種密碼子的組合,一些組合的產(chǎn)率可能比別的高,研究者通常會(huì)進(jìn)行測(cè)試性表達(dá),從中挑選高表達(dá)的組合?，F(xiàn)在一種稱為DNA2.0的新算法,可以基于基因的序列特征預(yù)測(cè)最合適的密碼子組合。DNA2.0的設(shè)計(jì)者M(jìn)arkWelch表示,用這個(gè)方法設(shè)計(jì)的外源性基因表達(dá)系統(tǒng),蛋白表達(dá)量是以前方法的 10倍。這又是一個(gè)利用外源性基因表達(dá)系統(tǒng)的里程碑,特別是對(duì)于蛋白工程的應(yīng)用具有重要意義。

第 8名 新陳代謝的新測(cè)量方法

圖3 XF96細(xì)胞能量代謝分析儀

XF96分析儀是第 1個(gè)可以測(cè)量細(xì)胞 2種主要能量代謝途徑狀態(tài)(線粒體呼吸和糖酵解)的儀器,可以全面了解細(xì)胞的能量代謝情況及其在疾病過(guò)程中的改變。在 XF96分析儀出現(xiàn)之前,科學(xué)家們依靠克拉克電極測(cè)量細(xì)胞的氧消耗,這是個(gè)耗時(shí)而低效的技術(shù)?，F(xiàn)在只需要 35～90 min,XF96分析儀就能測(cè)量出氧消耗,該參數(shù)代表線粒體呼吸。除此之外,可以檢測(cè)到細(xì)胞外的酸化作用,這是糖酵解的副產(chǎn)品。從培養(yǎng)皿里分離微量的細(xì)胞,利用光學(xué)生物傳感器,就可以測(cè)量到溶解氧和 pH值的變化。如果使用 96孔板,則可以檢測(cè)多達(dá) 4種藥物對(duì)細(xì)胞代謝的影響。在XF96分析儀發(fā)明之前,同時(shí)進(jìn)行如此數(shù)量龐大的或者設(shè)計(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)幾乎不可想象。

第 7名 新型基因組序列捕獲工具

圖4 可以定制的 Genion生物芯片

科學(xué)家們現(xiàn)在擁有約 30億堿基對(duì)這樣大量的基因組數(shù)據(jù),卻沒(méi)有好的辦法加以利用。對(duì)于研究者而言基因組過(guò)于龐大,而新型基因組序列捕獲工具能夠利用DNA芯片技術(shù)找到基因組中與特定疾病密切相關(guān)的重要區(qū)域。該技術(shù)可以讓研究者分解龐大的基因組,分離出對(duì)疾病研究有價(jià)值的信息。這種技術(shù)已經(jīng)被用于研究癌癥、多發(fā)性硬化、阿爾茲海默病和糖尿病。整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)小巧 (55.7 cm×90.7 cm×66.5 cm;110 kg),一天可以處理 16個(gè)樣本,大大加速了分析的進(jìn)程?；蚪M范圍龐大,而事實(shí)上只有少量的DNA序列變化就能導(dǎo)致疾病和各種表型,說(shuō)明未來(lái)正需要這種有效而經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)捕獲基因組中我們感興趣的目的序列。

第 6名 多合一顯微鏡

圖5 世界上第一臺(tái)自主式的激光共聚焦顯微鏡

今年在美國(guó)上市了世界上第一臺(tái)自主式的激光共聚焦顯微鏡 Fluouiew Fv10i?？梢宰詣?dòng)拍攝 3D重建圖像。它完全不同于傳統(tǒng)意義上的顯微鏡,一般的熒光顯微鏡需要一間暗室,但該系統(tǒng)所裝備的照明系統(tǒng)、顯微鏡、移動(dòng)臺(tái)、相機(jī)都集中放置在一個(gè)盒子里,所以它可以放在任何地方,甚至可以在開(kāi)著燈的實(shí)驗(yàn)室工作,這對(duì)于獲取熒光圖像非常有利。這種顯微鏡很容易操作,即使是初學(xué)者也不需要任何培訓(xùn)即可以照出高質(zhì)量的圖像。其易操作性對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),顯然是十分有利的。

第 5名 鋅指核酸酶技術(shù)成功培育首個(gè)靶基因敲除大鼠

圖6 鋅指核酸酶技術(shù)培育的基因敲除大鼠

鋅指核酸酶(ZFN)技術(shù)在去年評(píng)比中名列第三。今年,該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從細(xì)胞系到整體動(dòng)物的跨越,通過(guò)這一技術(shù)培育出了基因定向敲除大鼠,并可以插入表達(dá)熒光蛋白。該技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)好的鋅指蛋白與特定序列的雙鏈DNA結(jié)合,并依靠與鋅指蛋白連接的核酸酶切斷DNA鏈?；蚯贸徽J(rèn)為是解基因功能的革命性事件,但是現(xiàn)在大多數(shù)基因敲除動(dòng)物還只局限于小鼠或其他低等動(dòng)物。鋅指核酸酶技術(shù)提供了敲除更復(fù)雜的生物基因的新方法。除了轉(zhuǎn)基因,鋅指核酸酶技術(shù)還擁有從基礎(chǔ)研究、農(nóng)業(yè)到基因治療的廣闊應(yīng)用前景。

第 4名 可定量的照相機(jī)

圖7 可記錄絕對(duì)光強(qiáng)度的數(shù)碼相機(jī)

測(cè)量和比較標(biāo)記蛋白的熒光強(qiáng)度、尋找細(xì)胞膜上的共定位、描述病毒的出入細(xì)胞等是細(xì)胞生物學(xué)家的常規(guī)工作。他們一般用電子增量 CCD來(lái)完成這些任務(wù)。但是這些設(shè)備得到的圖像本質(zhì)上說(shuō)是非客觀的,因?yàn)閳D像的信號(hào)強(qiáng)度依賴于相機(jī)的 gain值得設(shè)定,而gain值是隨不同的相機(jī)或不同的使用環(huán)境調(diào)整的,這意味著這些圖像在不同實(shí)驗(yàn)室之間是不可重復(fù)的。現(xiàn)在新的照相機(jī)光傳感器可以計(jì)算每個(gè)感光點(diǎn)接受到的光子數(shù)目,使產(chǎn)生的圖像包含了定量信息,圖像變成可定量、可重復(fù)的數(shù)據(jù)。通過(guò)這一技術(shù),研究者可以在不同的實(shí)驗(yàn)室重復(fù)他們實(shí)驗(yàn)的圖像結(jié)果,也讓他們的數(shù)據(jù)可以直接比較,研究結(jié)果更定量化,更可信。該相機(jī)的誕生可能會(huì)引領(lǐng)圖像技術(shù)發(fā)展的方向——圖像的標(biāo)準(zhǔn)化。

第 3名 用光操作細(xì)胞

圖8 紅光激活細(xì)胞骨架蛋白,導(dǎo)致細(xì)胞形狀的改變

現(xiàn)在有層出不窮的方法和設(shè)備來(lái)標(biāo)記蛋白質(zhì),以觀察細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的事件,但直到最近研究者仍然缺乏精確的手段在分子水平控制這些細(xì)胞事件。通常情況下,光敏色素(一種對(duì)光敏感的植物蛋白)和光敏色素相關(guān)因子 PIF(光敏色素的伴侶分子)能對(duì)紅光產(chǎn)生反應(yīng),兩者結(jié)合形成二聚體并被轉(zhuǎn)位到核內(nèi),紅外線則可以破壞這種結(jié)合。研究人員修改了它們的基因,使它們被紅光光被激活時(shí)轉(zhuǎn)位到膜上而不是核內(nèi)。有實(shí)驗(yàn)者把 PIF連接到細(xì)胞骨架蛋白,然后空間定位的給予紅光照射,使光敏色素與細(xì)胞骨架蛋白結(jié)合,從而激活細(xì)胞骨架蛋白,導(dǎo)致細(xì)胞形狀的改變。利用這一技術(shù),研究者可以通過(guò)將 PIF與別的任何蛋白連接,利用無(wú)任何細(xì)胞毒性的光能來(lái)控制蛋白相互作用。這是一種前所未有的能在細(xì)胞中精確定位控制蛋白質(zhì)相互作用的方法。

第 2名 病原體快速檢測(cè)儀

圖9 PLEX- ID病原體快速檢測(cè)儀

當(dāng)我們面對(duì)層出不窮的未知的致命的病原體時(shí),任何時(shí)間的拖延都意味著生命的損失。這種病原體快速檢測(cè)儀的原理是基于不同微生物的基因組分子量不同,以此鑒別不同病原體。針對(duì)病毒或細(xì)菌的基因組中保守區(qū)域設(shè)計(jì) PCR引物,這些保守序列在各種病原體普遍存在,但間隔距離卻各不相同。當(dāng)用這種引物進(jìn)行 PCR擴(kuò)增時(shí),不同種類的病原體會(huì)得到相應(yīng)的分子量的產(chǎn)物。測(cè)量 PCR產(chǎn)物的分子量就可以知道是哪種微生物,或者是否有新的變異產(chǎn)生。這種方法還沒(méi)有進(jìn)入臨床試驗(yàn),目前被用來(lái)檢測(cè)病毒的基本突變率以及用于美國(guó)海軍和疾病控制防疫中心鑒別新的 H1N1病毒等等。該設(shè)備綜合了遺傳學(xué)、機(jī)器人、質(zhì)譜、生物信息學(xué)等各學(xué)科技術(shù),大大加速了確診新病原體的速度,為早期疾病流行預(yù)報(bào)提供非常重要的依據(jù)。

第 1名 蛋白質(zhì)誘導(dǎo)小鼠胚胎纖維原細(xì)胞多能性

圖10 蛋白質(zhì)誘導(dǎo)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞成的多能干細(xì)胞

2009年 4月,誕生了本年度最激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)能——夠在不涉及基因組調(diào)節(jié)的情況下,僅憑借蛋白質(zhì)就能將小鼠胚胎成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)成多能干細(xì)胞,這一技術(shù)大大簡(jiǎn)化了將細(xì)胞重編程為胚胎干細(xì)胞的常用技術(shù)的繁瑣步驟。盡管多能干細(xì)胞技術(shù)確實(shí)是一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn),但是基因調(diào)控所包含的包括癌癥等疾病在內(nèi)的嚴(yán)重負(fù)效應(yīng)成為其應(yīng)用的巨大阻礙。此項(xiàng)技術(shù)不僅克服了利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)多能干細(xì)胞帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),而且這種多能性一旦被誘導(dǎo)出來(lái),不再需要外源性重組蛋白的支持就能自我復(fù)制。采用這種新的誘導(dǎo)方式,可以借此構(gòu)建新的有用細(xì)胞系,也有利于更好的研究這些細(xì)胞。

(本文選譯自：美國(guó)《科學(xué)家》雜志,網(wǎng)絡(luò)版：Judge Bios.The scientist 2009 top 10 innovations[EB/OL]. [2010-01-08].http：∥www.the-scientist.com/ article/display/56171/)