nature：2021年最值得关注的技术

Nature上遴选的这七项技术就主要集中在以下该领：热稳定疫苗、大脑中的全息图、构建更好的抗体、解决单细胞分化问题的三个技术、让细胞感受到力量、临床质谱分析法、嗅出疾病。研究人员描述了在他们的学科中令人兴奋的工具和技术。

　　热稳定疫苗

　　成立于2017年的全球防疫创新联盟（CEPI）致力于开发疫苗对抗新兴的传染性疾病。疫苗开发速度、规模和最终能让人使用是非常重要的几个方面。具体来说，还包括证明疫苗安全和有效的速度，以及如何大规模生产疫苗并向弱势群体提供疫苗，以便人人都能获得。包裹在脂类纳米颗粒内的mRNA疫苗，已经从基因序列到临床概念验证，再到中期分析，在创纪录的时间内完成。

　　莫德纳Moderna和辉瑞Pfizer公司，用了不到四个月的时间，就完成了第一阶段的试验。这在一般情况下是需要数年或者是数十年的时间才能完成的。其他创新也正在改善最终让人能用得上。比如运输的问题。有些技术利用糖分子进行有效的冷冻干燥，而不会破坏疫苗的精细结构，使其更易于储存和运输。

　　另一个获取疫苗的途径，是开发便携式RNA打印技术。很少有国家拥有生产高质量疫苗的资本和专业知识，而且是大规模的。但在2019年2月，CEPI向生物制药公司CureVac投资了3400万美元，开发了一个完全可运输的单元，这样使得低资源地区也能够生产自己的mRNA疫苗。这种创新将使疫苗更容易获得，也让我们看到了未来：这意味着更多的国家将为不可避免的下一波疫情做更好的准备。

　　生物制药公司CureVac的RNA打印机可以快速打印出mRNA疫苗的候选品

大脑中的全息图

　　光遗传学，一种控制特定脑细胞和电路活动的技术，在神经科学领域引起了极大的兴趣。到了2021年，这些工具将产生更大的影响。通过光遗传学，研究人员可以将光线照射到组织中，所有表达这种工具的神经元都会做出反应。然而在现实中，大脑活动更为微妙。神经元只对特定的刺激有反应。时机很重要；顺序也很重要；神经元很少一起放电的。从2005年开始，光遗传学可以让我们操纵特定类型的神经元，但仍然无法重现细胞之间相互交流的语言是什么。

　　为了解决这一缺点，一些神经科学家开发了新的光响应蛋白。与此同时，其他人在光学方面也取得了进展。在过去的几年里，全息和其他光学方法已经成熟到可以被非专业实验室采用。

　　一束激光可能需要10到20毫秒来刺激一个神经元，而全息技术可以让你在不到1毫秒的时间内刺激这个细胞，这比4-5毫秒要快得多，而从一个神经元向另一个神经元传递信号通常需要的4-5毫秒的时间。也可以同时生成多个全息图，或以特定的顺序生成多个全息图。

　　这种类型的实验过去仅限于专门的实验室，需要这些实验室拥有制造定制显微镜的技术。现在，像Bruker和3i这样的显微镜公司，他们已经在双光子成像系统中加入了全息技术。神经科学家可以通过显微镜拍摄照片，标记他们想要激活的神经元，软件生成全息图来匹配这些激活模式。随着光遗传学工具和光学技术的融合发展，我们可以开始探索具有单神经元精度的神经编码。

　　构建更好的抗体

　　抗体从20世纪90年代中期就开始被用作治疗手段，当然这主要是指对病毒或肿瘤这些疾病的治疗。然而，直到最近几年，随着科学家们研究出抗体的结构如何影响其功能，我们才真正开始挖掘其潜力。在新冠持续流行中，抗体疗法已呈现出新的紧迫性。

　　大多数抗体疗法只是常规的、未经修饰的抗体，它们与特定的靶点结合——例如，病毒或肿瘤细胞表面的一种蛋白质。然而，这许多抗体在使免疫细胞处理目标物方面是无效的，也就是说，并不是有抗体就一定能抗病毒了。随着分子生物学的进步，我们可以快速修改抗体，使其更好地利用免疫系统来对抗疾病。

　　解决单细胞分化问题的三个技术

　　人体中有许多功能各异的细胞。然而它们都来自单个细胞和基因组。从单个细胞如何产生不同的类型呢？

　　三种新的单细胞测序技术可以帮助解决胚胎发育早期阶段的问题。第一个技术Hi-C，使用了一种研究基因组三维结构的方法；另一种技术被称为CUT&Tag，可以追踪基因组上特定的生化“标记”，帮助科学家研究这些化学修饰如何在单个活细胞中开关某个基因，第三个SHARE-seq，它结合了两种测序方法来识别基因组中可被转录激活分子访问的区域。

　　让细胞感受到力量

　　细胞除了生长因子和其他分子外，还能感受到物理的某种力量。而这种对力量的感觉可以调节基因的表达、增殖、发育，甚至可能是癌症。

　　力量是很难研究的，当你推动某物体时，会发生变形或运动，只能看到它的效应。但现在，通过使用两种尖端工具来可视化和操纵活细胞中的力量，科学家们可以探索物理力量和细胞功能之间的因果关系。

　　伦敦帝国理工学院开发的GenEPi技术，融合了两种分子，可以在生理相关的条件下研究完整的细胞，不会对生物的生理活动造成影响。

　　第二个工具，是促动器ActuAtor。促动器是从ActA产生的，而ActA是一种来自致病细菌的蛋白质。当细菌感染哺乳动物的宿主细胞时，ActA就劫持宿主的机器，在微生物表面引发肌动蛋白聚合，产生了推动细菌通过细胞质的力量。

　　通过改造ActA，使肌动蛋白在细胞内的特定部位聚合来重新利用这种劫持，比如给予光或化学刺激时。有了促动器，可以在细胞深处施加力量。例如，释放了线粒体表面的促动器，可以使细胞器在几分钟内被切碎。这些受损的线粒体更容易被有丝分裂吞噬而降解，但关键的线粒体功能如ATP合成没有受到影响。

　　以前很难处理这样的过程，因为我们缺乏在活细胞中特异性和非侵入性地使细胞器变形的工具。促动器是最早能够做到这一点的工具之一。

　　临床质谱分析法

　　质谱法能快速分析复杂样品中的成百上千个分子，具有很高的灵敏度和化学特异性。生物医学研究用到的这些方法主要用于两个极端。一些科学家正在开发高性能的技术来更深入地探测生物组织。研究人员正在简化质谱分析工具，以便医生可以将其用于临床决策中。

　　该技术是MALDI，一种用于生物组织分析的质谱成像技术。在临床方面，现在创造出了MasSpec笔，这是一种手持式质谱系统，帮助外科医生识别肿瘤组织及其边界。

　　2021年，将继续对正在接受乳腺癌、卵巢癌和胰腺癌手术或机器人前列腺癌手术的患者使用MasSpec笔进行评估。

　　两个外科医生用一个类似笔的电子设备对一个病人进行组织分析，这支笔用于检测肿瘤组织及其边界。

　　嗅出疾病

　　为了检测可能有环境风险或疾病的气体混合物，包括像是否含新冠病毒的疑似物，研究人员想模拟人类的嗅觉，知道我们在闻什么。然而，与视觉、听觉和触觉不同，嗅觉的化学传感器是很复杂的。它们包括检测几百种甚至几千种化学物质的混合物，通常是很微量的。

　　现在正在采取几种方法来开发下一代人工嗅觉系统，还需要让传感器做出更快的反应。

　　人工嗅觉技术可用于医学诊断，例如检测哮喘患者呼吸中较高浓度的一氧化氮。其他应用包括监测空气污染、评估食品质量和基于植物激素信号的智能农业。

2021年3月2日基因编辑线上讲座来啦，欢迎一起来讨论啦~

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