近日，《自然》雜志對“可能在未來一年對科學產(chǎn)生影響”的7項技術(shù)進行了綜述。這些技術(shù)包括完整版基因組、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析、量子模擬、精確基因組調(diào)控、靶向基因療法、空間多組學、基于CRISPR的診斷等。

完整版基因組

2019年，當端粒到端粒（T2T）合作組成立時，大約有1/10的人類基因組仍然未知。但現(xiàn)在，這個數(shù)字已經(jīng)降到了零。在2021年5月發(fā)表的一篇預(yù)印本論文中，該合作組報告了第一個人類基因組的端到端序列，為廣泛使用的人類參考基因組序列GRCh38增加了近2億個堿基對，并為人類基因組計劃完成了最后一章。

GRCh38于2013年首次發(fā)布，是一個很有價值的研究工具，也是繪制測序序列的支架。但它們不夠長，不足以清晰地繪制高度重復(fù)的基因組序列。

長讀長測序技術(shù)被證明是之前規(guī)則的“改變者”。這一技術(shù)由美國太平洋生物科學公司和英國牛津納米孔技術(shù)公司開發(fā)，可以在一次讀取中對數(shù)萬甚至數(shù)十萬個堿基進行排序。2020年，當T2T合作組首次重組單獨的X染色體和8號染色體時，太平洋生物科學公司的測序工作進展已經(jīng)可以讓T2T合作組科學家檢測到長片段重復(fù)序列的微小變化。這些微妙的“指紋”使長而重復(fù)的染色體片段變得容易處理，基因組的其余部分很快歸位。牛津納米孔技術(shù)公司平臺還捕獲了許多調(diào)節(jié)基因表達的DNA修飾，T2T合作組能在全基因組范圍內(nèi)繪制這些“表觀遺傳標記”。

美國洛克菲勒大學遺傳學家、脊椎動物基因組項目主席Erich Jarvis說：“我認為，在未來10年內(nèi)，端粒到端粒的基因組組裝將是一種常態(tài)。”

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析

過去兩年，實驗和計算方面的進展提供了“互補”的工具，讓研究人員以前所未有的速度和分辨率確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

位于英國的DeepMind公司開發(fā)的AlphaFold2結(jié)構(gòu)預(yù)測算法依靠“深度學習”策略，從折疊蛋白質(zhì)的氨基酸序列推斷其形狀。自從2021年7月公開發(fā)布以來，AlphaFold2已應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學研究，以確定在人類和20個模式生物中表達的所有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及鑒定Swiss-Prot數(shù)據(jù)庫中近44萬種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。同時，冷凍電鏡（cryo-EM）的改進也使研究人員能用實驗方法處理最具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)及其復(fù)合物。cryo-EM用電子束掃描快速冷凍的分子，生成多個方向的蛋白質(zhì)圖像，然后通過計算將其重新組裝成3D結(jié)構(gòu)。cryo-EM硬件和軟件的改進，使得兩個團隊在2020年獲得了1.5埃以下的結(jié)構(gòu)分辨率，確定了單個原子的位置。

還有一種名為冷凍電子斷層掃描的相關(guān)的技術(shù)也相當令人興奮，這種方法可以在冰凍細胞的薄片上捕捉到自然發(fā)生的蛋白質(zhì)行為。

量子模擬

量子計算機以量子比特的形式處理數(shù)據(jù)。通過名為糾纏的量子力學現(xiàn)象耦合在一起，量子比特可以在一定距離內(nèi)相互影響，并顯著提高計算能力。

多個研究團隊已成功地將單個離子用作量子比特，但它們的電荷使其難以進行高密度組裝。法國國家科學研究中心的Antoine Browaeys和美國哈佛大學的Mikhail Lukin等物理學家正在探索另一種方法。研究小組使用光學鑷子在緊密排列的2D和3D陣列中精確固定不帶電的原子，然后用激光將這些粒子激發(fā)成大直徑的里德堡原子，使其與附近原子糾纏。

短短幾年時間里，技術(shù)進步提高了里德堡原子陣列的穩(wěn)定性和性能，量子比特數(shù)量也從幾十個迅速擴展到幾百個。

Browaeys估計，這種量子模擬器在一兩年內(nèi)就可能商用。這項工作也為量子計算機的更廣泛應(yīng)用鋪平了道路。

精確基因組調(diào)控

盡管CRISPR-Cas9技術(shù)擁有強大的基因組編輯能力，但它更適合于讓基因失活而非修復(fù)。這是因為盡管將Cas9酶靶向基因組序列相對精確，但細胞對隨后雙鏈切割的修復(fù)卻并不精準。

美國哈佛大學化學生物學家劉如謙表示，大多數(shù)基因疾病需要的是基因修正而非基因破壞。為實現(xiàn)這一目標，劉如謙團隊已經(jīng)開發(fā)了兩種很有前景的方法。

兩種方法都利用了CRISPR的精準靶向能力，同時限制了Cas9在該位點切割DNA的能力。第一種方法被稱為堿基編輯，它將催化受損的Cas9與一種酶結(jié)合，這種酶有助于一種核苷酸向另一種核苷酸的化學轉(zhuǎn)化。不過，目前只有特定的堿基—堿基轉(zhuǎn)換可以利用這種方法實現(xiàn)。第二種方法被稱為引導(dǎo)編輯，它將Cas9與逆轉(zhuǎn)錄酶相聯(lián)系，并使用一種經(jīng)過修改的向?qū)NA，以將所需的編輯內(nèi)容整合到基因組序列中。通過多階段生化過程，這些成分將向?qū)NA復(fù)制到最終取代目標基因組序列的DNA中。

重要的是，這兩種方法都只切割一條DNA鏈，對細胞而言，這是一個安全性更高、破壞性更小的過程。

靶向基因療法

基于核酸的藥物可以在臨床上產(chǎn)生影響，但其可應(yīng)用的組織仍有諸多限制。大多數(shù)治療需要局部給藥或自患者體內(nèi)提取細胞進行體外處理，然后再移植回患者體內(nèi)。

腺相關(guān)病毒是許多基因療法的首選載體。動物研究表明，仔細挑選合適的病毒，結(jié)合組織特異性基因啟動子，可以實現(xiàn)局限于特定器官的高效藥物遞送。然而，病毒有時很難大規(guī)模生產(chǎn)，還會引起免疫反應(yīng)，破壞療效或產(chǎn)生不良反應(yīng)。

脂質(zhì)納米粒是一種非病毒載體，過去幾年發(fā)表的多項研究顯示了對其特異性進行調(diào)控的潛力。例如，美國得克薩斯大學西南醫(yī)學中心生物化學家Daniel Siegwart和同事開發(fā)的選擇性器官靶向技術(shù)有助于快速生成和篩選脂質(zhì)納米粒，以找出能有效靶向組織（如肺或脾臟）細胞的納米粒。

空間多組學

單細胞組學的發(fā)展意味著研究人員能很容易地從單個細胞中獲得遺傳學、轉(zhuǎn)錄組學、表觀遺傳學和蛋白質(zhì)組學方面的見解。但單細胞技術(shù)將細胞從其原始環(huán)境中剝離出來，這一過程可能遺漏關(guān)鍵信息。

2016年，瑞典皇家理工學院的Joakim Lundeberg團隊提出了一種處理這一問題的策略。該團隊用條形碼寡核苷酸（RNA或DNA的短鏈）制備了載玻片，這些條形碼寡核苷酸可以從完整的組織切片中捕獲信使RNA，這樣每個轉(zhuǎn)錄本都可以根據(jù)其條形碼對應(yīng)到樣本中的特定位置。

此后，空間轉(zhuǎn)錄組學領(lǐng)域迎來了爆發(fā)性的發(fā)展。目前，已有多種商業(yè)系統(tǒng)可用，學術(shù)研究團隊也繼續(xù)研發(fā)新方法，以更好的深度和空間分辨率繪制基因表達圖譜。比如，現(xiàn)在有研究團隊正在他們的空間圖譜上疊加組學數(shù)據(jù)。Lundeberg團隊也改進了他們的空間轉(zhuǎn)錄組學方法，以同時捕獲DNA序列數(shù)據(jù)，這使得他的團隊可以開始繪制腫瘤發(fā)生背后的時空事件。

基于CRISPR的診斷

CRISPR-Cas系統(tǒng)精確切割特定核酸序列的能力，源于其作為細菌“免疫系統(tǒng)”抵御病毒感染的作用。這一聯(lián)系啟發(fā)了該技術(shù)的早期采用者思考其對病毒診斷的適用性。

Cas9是基于CRISPR的基因組操作的首選酶，但基于CRISPR診斷的大部分工作都使用了一個名為Cas13的靶向RNA分子家族。這是由于Cas13不僅能切割向?qū)NA所靶向的RNA，還能對附近的其他RNA分子進行“旁系切割”。許多基于Cas13的診斷都使用報告RNA，將熒光標記“拴”在抑制熒光的淬滅分子上。當Cas13識別病毒RNA并被激活時，它會切斷報告基因并從猝滅分子中釋放熒光標記，產(chǎn)生可被檢測的信號。有些病毒會釋放很強的信號，可以在不擴增的情況下檢測到，大大簡化了即時診斷。

例如，研究人員就展示了一種快速、基于鼻拭子的CRISPR-CAS試驗，使用手機攝像頭對新冠病毒進行無擴增檢測。

其他Cas酶有望繼續(xù)擴充這個診斷工具箱，包括Cas12蛋白，他們表現(xiàn)出與Cas13相似的特性，但其目標是DNA而非RNA。這些酶可以檢測范圍更廣的病原體，甚至可以有效診斷其他非傳染性疾病。