总结短时间崭露头角的杰单单研究指导物件和项目，我们可以辨认单单一些协力的变急于都能。
当被反问特长时，Kaihang Wang的回答很本来：“手艺人”。毕竟他在加州理工学院（California Institute of Technology）的部分指导都与便是好像有关，尽管不是用锤子和钉子。Wang的建筑设计团队开发计划了原子物件，包含一个控制系统——微生物学家可以通过编程，将长的催化DNA氨基酸转回微生物巨噬细胞[1]。便度理性过后，Wang给单单了一个更生物科学的回答：催化微生物学或酵素四组扩建工程。“从根本上话说，我们所有努力主要由一个基本目标倡导，那就是创便是原先生命”，他话说。
和Wang一样，当在此之前的物件缺乏时，许多微生物学家就会跨学科寻找材料、协力者或各有不同的法则。这促变成了全原先命名的法则或国家政府联盟，如“波动光学显像（expansion microscopy）”或“酵素四组编撰构打算（Genome Project-write）”。其里面一些法则或国家政府联盟由于其关键技术战斗能力及看重的名声而在生物学家里面引起轰动。
即将到来：“人类文明巨噬细胞示意研究成果”。来源：取材自Getty。
科罗拉多杜克该大学研究指导生物科学人文学科的Erika Szymanski说明，为一个教育领域或物件取个琅琅上口的名字，可以为研究指导者创始人单单探索的概念框架。“就像光学镜限制了我们用它能碰到什么，我们只能‘看见’那些有名字的好像，”她话说，“尝试以原先框架来理性指导有时就会很有变成效，因为它修筑单单紧致，让我们可以也许一原先可能会性。”
在本文里面，《自然》探索了只不过15年里面5项著名的关键技术。有些早已修筑了一原先研究指导教育领域或取得了款项资助；有些加强了全球协力，或者在研究指导里面辨认单单了各有不同于原先意示意图的原先目标。无论是揭示了巨噬细胞动态，随之而来了公司和疗法，还是在非典期间为医疗决策包含了信息，这5项关键技术都在生物科学史上留下浓墨重彩的一笔。
各部位磷酸化四组学
与酵素四组DNA一样，信使RNA可以收纳改变其动态或命运的有机化学标示出，例如甲基或糖基。这种；也极为统一，并且有辨认单单说明，某些mRNA高度特异性而其他mRNA无法，指向了这些标示出的微生物学作用。2012年，威尔里德所学院（Weill Cornell Medical College）的RNA微生物学家Samie Jaffrey等开发计划了一种法则来识别普遍存在于磷酸化四组（巨噬细胞或生物体里面磷酸化单单来的所有RNA）里面的特定mRNA特异性标示出，命名为m6A[2]。
该研究指导的协力所作Christopher Mason也在威尔里德所学院指导，他创便是了“各部位磷酸化四组学”这一名词来解读该建筑设计团队的假设，即甲基标示出通气mRNA磷酸化本的活性，从而说明为什么酵素水平极为总是与格式它们的磷酸化本的丰度近似于。“这可能会是基因突变格式的原先某种程度，这一点很吸引人。”Jaffrey话说。原先地名使其他人更容易理解这个概念。
几年从前，各部位磷酸化四组学早已的发展变成一个单独的教育领域，有专门的款项、就会议和协力效益。西班牙巴塞罗那酵素四组调控里面心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA微生物学家Eva Maria Novoa Pardo话说：“在某种程度上，一个原先词的创便是充满活力了整个人才培养群体的单单现。”
Jaffrey和Mason的晚期法则是可用m6A抗原来分离长为100-200个蛋白质的；也RNA相片，然后他们通过PCR对其顺利进行鉴定。后来，该建筑设计团队将抗原与底物交联，然后沉淀抗原融合的RNA相片以精确取向特异性碱基，从而生变成第一个单蛋白质水平的特异性mRNA示意研究成果。这适度识别另一类收纳；也的原子，称为核仁RNA[3]。“我们现在开始认同一个尝试：m6A的一个主要动态是标示出RNA以充分来顺利进行较慢再加”，Jaffrey话说，这对巨噬细胞改变和适应的战斗能力至关重要。
随后生物学家开发计划了可以在特定序列上切开非特异性RNA的酵素。开发计划者、约旦魏茨贝特生物科学研究指导所（Weizmann Institute of Science）RNA微生物学家Schraga Schwartz来顺利进行该物件，不仅能检测特定碱基是否被更改，还可以检测收纳特异性基序的磷酸化本的百分比。当Schwartz等将其应用以整个磷酸化四组时，他们辨认单单基于抗原的关键技术遗漏了仅有75%的；也碱基，说明其特异性有限[4]。“这个结果令人观众们，”他话说，“以当年就一种，现在有了两种法则，我们看问题更全面了。”
之前，各部位磷酸化四组学研究指导职员可以可用激光孔PCR仪从外部读取；也过的 RNA。与现代PCR仪需要先通过逆磷酸化病原体将RNA转化为DNA各有不同，这些仪器将RNA原子通过酵素激光孔并显现单单特定的电场，然后解码器电场信号以获取RNA序列。只不过，解码器电场信号的PCR算法平常误传特异性的m6A蛋白质。因此，2019年Novoa等人建筑设计了一种算法（当年晚些时候有更原先[5]），可用这些错误来假设哪些碱基收纳特异性蛋白质。“有可能会对天然RNA顺利进行PCR（而无需先将其逆磷酸化病原体变成DNA），为磷酸化四组修筑了无偏差的示意表现形式”，她话说。
人类文明巨噬细胞示意研究成果
2003年人类文明酵素四组PCR的完变成，以及研究指导单巨噬细胞的原先物件的单单现，让生物学家开始畅打算是否可以对每个人类文明巨噬细胞的原先颖左边、行为和愈合顺利进行手绘。英国维康坎宁安研究指导所（Wellcome Sanger Institute）基因突变学家Sarah Teichmann和美国南三藩市酵素泰克（Genentech）的测算微生物学家Aviv Regev就是其里面两位。
2016年内，Teichmann、Regev等聚在四人讨论这个尝试。人类文明巨噬细胞示意研究成果构打算（Human Cell Atlas）由此诞生，这是一个可用单巨噬细胞都能手绘每个人类文明巨噬细胞、四该组织和骨髓的构件、基因突变学和微生物学的项目。该小四组强调开放、协作的法则：任何人都可以参与，并且该国家政府联盟可用广泛的原子和测算法则收集信息。
“无法什么金标准关键技术可以充分来顺利进行所有旨在，”在CRG 研究指导单巨噬细胞PCR关键技术并领袖该国家政府联盟标准和关键技术指导四组的Holger Heyn话说，“每种法则都有值。我们整合的关键技术就越多，值就就更少。”
在2020年的一项研究指导里面，Heyn等人在一四组都是参考样本里面比较了13种单巨噬细胞RNAPCR关键技术，并根据其辨认单单巨噬细胞特异性标示出物的战斗能力顺利进行评价[6]。他们辨认单单，结果相似之处的一个主要来源是样本里面巨噬细胞的大小不一。“我们的目标不是比个高下，而是决定通过每种关键技术能获取哪些信息”，Heyn话说。
人类文明巨噬细胞示意研究成果国家政府联盟现在在77个国家政府拥有仅有2200名变核心成员，他们总共分析了来自14个主要骨髓的约3900万个巨噬细胞，并发表了仅有80前言，而且这些进制还在大幅减低。
此外，这些数据还适度发觉COVID-19的现**物科学。2020年初，国家政府联盟变核心成员汇集了26个已发表和尚未发表的数据集，以了解冠状病原体SARS-CoV-2如何入侵肺四该组织。他们手绘了病原体用以进入四该组织（包含鼻子、嘴巴和额头等）的巨噬细胞颗粒受体示意图[7]。此后，全世界的研究指导职员可用该示意研究成果来了解病菌反复。Teichmann说明，它甚至适度为医疗决策包含信息，例如要求人们戴裤子的政策。“这场非典对人类文明巨噬细胞示意研究成果构打算来话说不太可能会是变革性的，”她话说，“它展现了巨噬细胞示意研究成果的价值——即使还是晚期的、不完整的示意研究成果。”
波动光学显像
尽管许多钟爱于光学镜分辨率的研究指导职员个人浓厚兴趣于打便是更佳的硬件，但中枢神经系统生物学家Ed Boyden采取了各有不同的作法。他与芝加哥该大学的威尔森四人，建筑设计了一种称为波动光学显像（expansion microscopy）的关键技术，它可以像给飞行中打气一样缩减巨噬细胞和四该组织。
该法则将一种称为丙烯酸酯的聚合流过样品里面。滴就会导致聚合支氨基酸和波动，随着其缩减，巨噬细胞四组分被拉单单。晚期尝试时巨噬细胞就会破裂或波动不均匀。但通过在支氨基酸当年添加酵素来软化四该组织，研究指导职员可以将豚鼠脑四该组织缩减到早期大小不一的4.5倍[8]。两年后，该建筑设计团队将该法则相连至十几种四该组织子类，其里面一些可以缩减16倍[9]。“能确保电学放大加倍的比例错误，这个关键技术才有价值，”Boyden话说。
当年，Boyden建筑设计团队来顺利进行这个概念来取向四该组织里面的特定RNA，这是一个称为紧致磷酸化四组学的子教育领域。他们首先扩展了豚鼠脑四该组织的一部分，然后对锚定的RNA顺利进行了原位PCR[10]。
波动光学显像联合RNAPCR(右方)协力揭示了豚鼠视觉皮层中枢神经系统元的构件(右)。 来源：S. Alon et al./Science
德国鲍曼普朗克脑研究指导所（Max Planck Institute for Brain Research）的中枢神经系统生物学家Erin Schuman研究指导酵素在名为神经细胞的中枢神经系统巨噬细胞相连处如何催化，长期以来他一直依靠银染色等间接法则来可视化此反复。Schuman打算从外部在神经细胞里面碰到原先催化的酵素。但神经细胞是由长而细的橡胶形变成的，这些被称为轴突的橡胶缺乏良好的原子标示出。“它们说是是那种最难研究指导的好像”，她话说。
通过波动光学显像关键技术，Schuman建筑设计团队第一次碰到，几乎所有的轴突末端都有催化原先酵素的机制[11]。“它不太可能会帮我们以高置信度接触神经细胞，并顺利进行高通量分析”，她话说。
斯坦福该大学（Stanford University）生物扩建工程师Bo Wang可用该物件创始人了一张高分辨率示意图像，展示了常见肠胃病原体芽孢如何与人体巨噬细胞耦合。在优化“软化”步骤时，Wang和威尔森辨认单单该法则可用以探测微生物巨噬动物细胞的硬度。这个坚韧的外层，是该病原体对抗生素和寄生物强攻的关键。探测微型物体的扩建工程学特性很困难，但波动光学显像关键技术帮助建筑设计团队探测了单个批次里面数千个巨噬动物细胞的风速，以了解微生物如何对寄生物强攻机制来作单单反应[12]。“类似的作法可以帮助回答植物、真菌和许多各有不同鸟类的环境因素问题”，Wang话说。
中枢神经系统彩虹
2007年，由哈佛该大学中枢神经系统生物学家Jeff Lichtman和Joshua Sanes领袖的建筑设计团队开发计划单单一种法则来区分豚鼠大脑里面死对头的中枢神经系统元[13]。研究指导职员构建了一个控制系统，其里面格式少数发光蛋白的酵素由中枢神经系统元特有的通气序列控制，该序列两侧是页面，页面将引导重四组酵素对这些发光酵素顺利进行最终表示。巨噬细胞就会给与酵素“盒”的多个副本，当研究指导职员激活识别重四组页面的酵素时，它就会将这些酵素改四组为各种随机四组合，并显出为如彩虹般的发光。他们称此物件为脑虹（Brainbow）。
Gabriel Victora回打算到自己在纽约该大学（New York University）攻读研究指导生时，对那些如在在般绚烂的大脑示意图片大感震撼，每个巨噬细胞紫色都不一样。但Victora的研究指导集里面于；还有里面心（上皮巨噬细胞的一种巨观构件，免疫巨噬细胞在此对立和植被）。“我们无法立即打算到可以用这项关键技术，”之前已是曼哈顿洛克菲勒该大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora话说，“我忘记当时在打算，‘可惜是那是在大脑里’。”
Lichtman曾借此标示出单个巨噬细胞的战斗能力将适度解决简单维度的确实问题，例如大脑里面的神经细胞相连。但是小的巨噬细胞构件发光原子少，显现单单的发光信号亮度不够——通常都太暗了没法用。Lichtman说明，他对结果感到失望，此后转向了诸如连续切片扫瞄电子光学镜之类的关键技术，在这种关键技术里面，上面四该组织被重复显像、扩建工程学加工、最终显像，以手绘中枢神经系统相连示意图。“你得为这项指导找到合适的物件，在这种情况下，Brainbow不够用，”他话说。
脑虹标示出的；还有里面心。 来源：Carla Nowosad
Lichtman不太可能会可用Brainbow在周遭中枢神经系统控制系统来作了电学，其里面巨噬细胞相距较远，因此微弱的发光也可以观察到。其他建筑设计团队早已针对各有不同生物调整了物件——例如果蝇大脑的 Flybow和斑马鱼四该组织的Zebrabow。Brainbow与波动光学显像关键技术相融合，使研究指导职员能够检查哺乳动物四该组织里面的巨噬细胞形状和连通性[14]。
而在Victora那里，有一种名为Confetti的豚鼠静态将脑虹关键技术扩展到了非中枢神经系统元巨噬细胞，这重原先点燃了他对Brainbow的浓厚兴趣。在上皮巨噬细胞的；还有里面心内，变成群的B巨噬细胞分泌各有不同抗原，并彼此公平竞争。大多数；还有里面心保持着抗原原子的多样性。但Victora建筑设计团队辨认单单，在5-10%；还有里面心内，能显现单单高亲和力抗原的B巨噬细胞量可以短时间超过其它B巨噬细胞，并交还；还有里面心[15]。通过Brainbow追踪这些“克隆挑起（clonal burst）”的研究指导职员在第一次标示出巨噬细胞时，碰到；还有里面心的所有巨噬细胞都呈现各有不同的紫色。然后，当一个优势克隆交还时，它的后代——所有这些都与个体巨噬细胞具有相同的紫色——将；还有里面心从彩色转化成单色。他话说：“Brainbow非常确实地显示了B巨噬细胞之间这种的分工。”
酵素四组编撰构打算
如果生物学家能够催化完整的等位基因，他们就可以赋予巨噬细胞一原先动态，更换致病的基因突变都能或建筑设计一原先电学控制系统顺利进行研究指导。但是，等位基因催化不必一蹴而就。
2010年，研究指导职员拼凑单单第一个微生物的催化酵素四组[16]。他们将微生物DNA翻修变成短相片，便将它们拼接在四人，然后一次一个相片地交换一部分等位基因，直到早期DNA基本上被催化对应物所取代。加州理工学院的Wang话说，自从第一次尝试以来，这个反复基本保持不变。尽管在微生物和发酵方面取得了显著重大突破，但该关键技术没有人拓展至酵素四组更十分复杂的生物。因此，在2016年，研究指导职员宣布了酵素四组编撰构打算（Genome Project-write），旨在催化十分复杂的酵素四组，包含人类文明的酵素四组。
该项目（Nature 557, 16-17; 2018）推送雄心勃勃，由于款项和关键技术的双重挑战，后面却不得已降低期望，个人浓厚兴趣建筑设计一种能抵抗病原体的人类文明巨噬细胞系。但这种效益量的DNA催化几乎根本无法，建筑设计格式原先动态的基因突变线路也一样。芝加哥该大学的催化微生物学家Christopher Voigt说明，目当年，这类指导很大程度上仍归属于个别研究指导员或小建筑设计团队的单打独斗。如果打算要大效益量酵素四组催化变得合理，那么这个反复必需改变。“这就像单人便是飞机，从建筑设计到四组装什么都来作，”他话说，“这话便是我们距离在酵素四组这个效益量上来作建筑设计有多遥远。”
尽管如此，Wang认为这个高尚的目标几乎可以倡导教育领域向当年的发展。“催化全酵素四组的事实倡导了关键技术的的发展。这是一个良性循环：一旦我们有了物件，它就就会使酵素四组催化更加合理，人们也就会将更多资源投入该教育领域。”
参考文献：
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. Brown 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. Brown 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?标题发表在2021年6年末21日的《自然》的关键技术特写版块上
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-01684-7
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