十大革命性生物學(xué)技術(shù)盤點(diǎn)

Nature Methods（《自然-方法學(xué)》）雜志在十周年之際推出了紀(jì)念特刊，點(diǎn)評(píng)了在過去十年中對(duì)生物學(xué)研究影響最深的十大技術(shù)

二代測(cè)序

二代測(cè)序或大規(guī)模并行測(cè)序的出現(xiàn)，幾乎影響了生物學(xué)領(lǐng)域的每一個(gè)角落。這一技術(shù)允許科學(xué)家們測(cè)序基因組、評(píng)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(jí)。技術(shù)革新使測(cè)序數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量不斷攀升，測(cè)序文庫的構(gòu)建也在不斷的進(jìn)步。現(xiàn)在人們已經(jīng)可以檢測(cè)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(jì)算工具也為解讀二代測(cè)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。

基因組編輯與基因工程

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(dòng)，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切除基因、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(dòng)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(jì)，而且能夠改寫幾乎任何基因組序列。

單分子技術(shù)

研究單個(gè)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(diǎn)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（force spectroscopy）技術(shù)可以檢測(cè)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(duì)單分子進(jìn)行追蹤。新興的單分子技術(shù)還包括，能夠測(cè)序單分子的納米孔技術(shù)，不用標(biāo)記就能檢測(cè)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(gè)老技術(shù)迎來了自己的第二春，這是因?yàn)槌上裨O(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(diǎn)光源或全場(chǎng)照明，能夠快速地對(duì)生物樣品進(jìn)行高分辨的三維成像，同時(shí)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)

十年前，基于質(zhì)譜分析的蛋白質(zhì)組學(xué)研究還是一個(gè)相對(duì)小眾的領(lǐng)域，傳統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)家對(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)小時(shí)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(duì)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)

隨著結(jié)構(gòu)測(cè)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?cè)诖嘶A(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(shí)，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（nuclear magneticresonance spectroscopy）和單顆粒冷凍電鏡。更有X 射線無電子激光器（X-ray freeelectron 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

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(shí)驗(yàn)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)

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(shí)現(xiàn)精確的時(shí)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。現(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)

設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)和計(jì)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(jì)。研究者們還在不斷開發(fā)預(yù)測(cè)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

幾個(gè)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。現(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(diǎn)。

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”。