《自然-方法》十周年特刊:盘点十大生物技术

2014-10-10 18:07:45来源: 生物通

日前,《自然-方法》(Nature Methods)杂志在十周年之际推出了纪念特刊,点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术。二代测序、CRISPR、单分子技术、细胞重编程、光遗传学、超高分辨率显微镜等纷纷上榜。

 

二代测序 Next-generationsequencing

二代测序或大规模并行测序的出现,几乎影响了生物学领域的每一个角落。这一技术允许科学家们测序基因组、评估遗传学变异、定量基因表达、研究表观遗传学调控、探索微观生命,将各种分析和筛选轻松升级。技术革新使测序数据的数量和质量不断攀升,测序文库的构建也在不断的进步。现在人们已经可以检测限制性材料或发生降解的样本,灵活靶标序列空间的一部分,标记细胞中各种各样的分子,捕捉分子相互作用和基因组结构。此外,计算工具也为解读二代测序的海量数据立下了汗马功劳,为人们揭示了序列变异、调控和进化的基础信息。

基因组工程 Genomeengineering

基因组工程可以在体外培养的细胞、模式和非模式生物中,进行自定义的改动,这类技术为相关研究带来了极大的便利。研究者们能够在这些工具的帮助下敲除基因、引入突变或者构建融合基因。举例来说,人们用酶切割特定的基因组序列,启动细胞的修复过程,并由此作出想要的序列改变。Meganuclease、锌指酶和TALEN通过各自的DNA结合域来靶向目的序列。最近,CRISPR-Cas9系统成为了这一领域的新宠儿。该系统使用RNA为核酸酶导航,不仅很容易设计,而且能够改写几乎任何基因组序列。

单分子技术 Single-moleculemethods

研究单个分子(比如蛋白或DNA)的行为能够揭示重要的生物学机制,这一点是平均化分子研究无法企及的。近十年来,一些单分子技术逐步成熟。比如,力谱(forcespectroscopy)技术可以检测分子的结合、折叠或机械行为,而荧光显微镜能够在体外和体内对单分子进行追踪。新兴的单分子技术还包括,能够测序单分子的纳米孔技术,不用标记就能检测单分子的光学和plasmonic设备。这些工具的出现,使人们能够以空前的深度探索单分子的功能。

光切成像Light-sheet imaging

光切成像这个老技术迎来了自己的第二春,这是因为成像设备(包括显微镜和相机)、荧光探针和图像分析技术得到了很大的改进。光切成像技术利用很薄的一层光来照射样品,而不是通过点光源或全场照明,能够快速地对生物样品进行高分辨的三维成像,同时降低了光毒性。神经学和发育生物学的研究者们,正在许多生物中用光切成像研究基本的生物学过程,例如胚胎发育和大脑功能。

基于质谱分析的蛋白质组学 Massspectrometry–based proteomics

十年前,基于质谱分析的蛋白质组学研究还是一个相对小众的领域,传统细胞生物学家对它并不熟悉。然而,质谱分析仪的速度和性能在这十年迅速提升,样品制备、实验设计和数据分析也取得了巨大的进步,数据可重复性和全面性的许多问题得以解决。这些发展导致这一领域焕发了蓬勃的生机。对特定细胞状态的蛋白质组进行深入定量的图谱分析,过去需要仪器运行好几天,现在只要几个小时就能完成。现在,许多研究者通过质谱分析在系统水平上研究蛋白的功能,比如对蛋白质翻译后修饰和蛋白质互作进行图谱分析。

结构生物学 Structuralbiology

随着结构测定流程(从蛋白表达到结晶)的不断优化,用X射线晶体学技术分析可溶性小蛋白的原子结构基本已经成为了常规。研究者们在此基础上解析了许多颇具挑战的蛋白结构,比如膜蛋白和大蛋白复合体,这些蛋白生成的量少而且很难结晶。这十年来,X射线晶体衍射的样本制备、结晶和数据分析得到了大幅改良。与此同时,其他结构分析技术也在快速发展,比如核磁共振光谱(nuclearmagnetic resonance spectroscopy)和单颗粒冷冻电镜。更有X射线无电子激光器(X-rayfree electron laser)等新兴技术涌现出来。这些技术进步将帮助人们解决各种各样的分子结构。

细胞重编程 Cellularreprogramming

iPS技术能够通过重编程令细胞重新获得多能性。该技术生成的诱导多能干细胞(iPSC)可以进行扩增,它们理论上可以生成任何类型的细胞,用于研究疾病和筛选药物。现在,许多实验室都能通过iPS生成具有特定遗传学背景的人类细胞,不过人们仍在探索诱导iPSC分化的更好方法。iPS技术热潮也使直接重编程重新受到了关注,直接重编程可通过外源转录因子,直接将一种终末分化细胞转变为另一种终末分化细胞。

光遗传学 Optogenetics

用光照射整合在细胞中的光敏蛋白,可以非侵入性的改变细胞行为。光遗传学技术在神经学领域特别受欢迎,研究者们用这一技术来激活或抑制神经元的活性,实现精确的时间和空间控制。光遗传学工具既可以用于体外也可以用于体内,有助于探索神经元功能、神经元兴奋性、突触传递等问题。此外,光敏工具也可以用来二聚化蛋白或者激活转录。现有光敏蛋白的不断改进和新光敏蛋白的发现,正在不断拓展着光遗传学的工具箱。此外,发光过程也在进行改良,比如采用双光子激发和模式化的光照刺激。

 

合成生物学 Syntheticbiology

设计微生物代谢通路生产药物和生物燃料、建造合成生物、给哺乳动物细胞赋予新功能,这些都是合成生物学的目标。由于实验和计算方法的改进,上述工作都取得了可喜的进展。在基因合成和组装方面,人们已经成功合成了细菌基因组和酵母染色体。鉴定控制转录和翻译的调控元件,可以帮助人们进行更好的回路设计。研究者们还在不断开发预测性的模型,这将为合成生物学未来十年的成功奠定基础。

超高分辨率显微镜 Super-resolutionmicroscopy

几个世纪以来,光学显微镜的“衍射极限”一直被认为是无法超越的。现在人们从不同途径“突破”了这一极限,这类技术统称为超高分辨率显微技术或纳米显微技术(nanoscopy)。近十年来,这些技术被广泛应用到了生物学领域。这意味着研究者们现在可以区分细胞内的微小物体(细胞器甚至大分子复合体),此前它们还只是无法分辨的模糊点。超高分辨率显微技术仍然发展迅猛,尤其是超高分辨率数据的分析,这些技术为研究分子和细胞的科学家们开启了全新的视界。

关键字:盘点

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/1010/article_5111.html
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