生物科普：Nature，2022年7大年夜“推翻性”技艺

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作者 ｜ 文乐乐

近日，科普《自然》对“能够在未来一年对迷信发生影响”的年大年夜7项技艺停止了综述。

这7项技艺区分是技艺完全版基因组、蛋白质结构解析、推翻性励磁电机负反馈线电压量子摹拟、生物精准基因组调控、科普靶向基因疗法、年大年夜空间多组学、技艺基于CRISPR的推翻性诊断。

完全版基因组

在2021年5月揭橥的生物一篇预印本论文中，端粒到端粒（T2T）协作组呈报了第一小我类基因组的科普端粒到端粒序列，为普遍运用的年大年夜人类参考基因组序列GRCh38促进了近2亿个碱基对，并完成了人类基因组谋划的技艺电压怎么放大末尾一章。

GRCh38于2013年终次宣布，是一个很有价值的研讨对象，也是绘制测序序列的支架。

但它们不敷长，缺乏以清楚地绘制高度重复的基因组序列。

长读长测序技艺被证明是既有规矩的“改动者”。

这一技艺由美国冷静洋生物迷信公司和英国牛津纳米孔技艺公司开拓，可在一次读取中对数万甚至数十万个碱基停止排序。

2020年，当T2T协作组初次重组零丁的X染色体和8号染色体时，冷静洋生物迷信公司的测序任务停顿已可以让T2T协作组迷信家检测到长片段重复序列的微小变卦。

这些微妙的“指纹”使长而重复的染色体片段变得随便处置，基因组的其他局部很快回位。

牛津纳米孔技艺公司平台还捕捉了很多调理基因表达的电压怎么用万用表测量DNA修饰，T2T协作组能在全基因组范围内绘制这些“表不雅遗传标志”。

蛋白质结构解析

过往两年，实验和计算方面的停顿让研讨人员以史无前例的速度和分辨率一定蛋白质结构。

英国DeepMind公司开拓的AlphaFold2结构展看算法依靠深度进修战略，从折叠蛋白质的氨基酸序列揣摸其外形。

自2021年7月地下宣布以来，AlphaFold2已运用于蛋白质组学研讨，以一定在人类和20个形式生物中表达的全部蛋白质结构，和剖断Swiss-Prot数据库中近44万种蛋白质的结构。

同时，冷冻电镜的改良也使研讨人员能用实验方法处置最具寻衅性的蛋白质及其复合物。

2020年，两个团队取得了1.5埃以下的结构分辨率，一定了单个原子的电压怎么用万用表测量方法位置。

一种名为冷冻电子断层扫描的相关技艺也相当令人快乐，这类方法可以在冰冻细胞的薄片上捕捉到自然发生的蛋白质举措。

量子摹拟

量子计算机以量子比特的情势处置数据。

多个研讨团队已成功将单个离子用作量子比特，但它们的电荷使其难以停止高密度组装。

法国国度迷信研讨中心的Antoine Browaeys和美国哈佛大年夜学的Mikhail Lukin等物理学家正在索求另一种方法。

研讨小组运用光学镊子在慎密胪列的2D和3D阵列中切确固定不带电的原子，然后用激光将这些粒子激起成大年夜直径的里德堡原子，使其与临近原子纠缠。

短短几年时辰里，技艺提高提高了里德堡原子阵列的静谧性和机能，量子比特数量也从几十个矫捷扩展到几百个。

Browaeys估量，这类量子摹拟器在一两年内就能够商用。电压蒸气是什么这项任务也为量子计算机更普遍的运用展平了途径。

精准基因组调控

虽然CRISPR-Cas9技艺拥有弱小年夜的基因组编辑身手，但它更适宜于让基因掉落活而非修复。

美国哈佛大年夜学化先生物学家刘如谦指出，大年夜多半基因疾病需要的是基因修改而非基因破坏。

为完成这一方针，刘如谦团队已开拓了两种很有前景的方法。

第一种方法被称为碱基编辑，它将催化受损的Cas9与一种酶结合，这类酶有助于一种核苷酸向另一种核苷酸的化学转化。

不过，而今只要特定的碱基—碱基转换可以运用这类方法完成。

第二种方法被称为引导编辑，它将Cas9与逆转录酶相接洽，并运用一种经由改削的指导RNA，以将所需的编辑内容整合到基因组序列中。

经由进程量阶段生化进程，这些成分将指导RNA复制到最终庖代方针基因组序列的DNA中。

重要的是，这两种方法都只切割一条DNA链。对细胞而言，这是一个安然性更高、破坏性更小的进程。

靶向基因疗法

基于核酸的药物可以在临床上发生影响，但其可运用的结构仍有诸多限制。

大年夜多半治疗需要局部给药或自患者体内提取细胞停止体外处置，再移植回患者体内。

腺相关病毒是很多基因疗法的首选载体。

植物研讨注解，过细遴选适宜的病毒，结合结构特异性基因启动子，可以完成局限于特定器官的高效药物递送。

但是，病毒有时很难大年夜范围临盆，还会激起免疫反响，破坏疗效或发生不良反响。

脂质纳米粒是一种非病毒载体，过往几年揭橥的多项研讨表示了对其特异性停止调控的潜力。

例如，美国得克萨斯大年夜学西南医学中心生物化学家Daniel Siegwart和同事开拓的选择性器官靶向技艺有助于快速生成和挑选脂质纳米粒，找出能有效靶向结构（如肺或脾脏）细胞的纳米粒。

空间多组学

单细胞组学的停顿使研讨人员很随便从单个细胞中取得遗传学、转录组学、表不雅遗传学和蛋白质组学方面的看法。

但单细胞技艺将细胞从其原始状况中剥离出来，这一进程能够漏掉关键信息。

2016年，瑞典皇家理工学院的Joakim Lundeberg团队提出了一种处置定方案略。

该团队用条形码寡核苷酸（RNA或DNA的短链）制备了载玻片，这些条形码寡核苷酸可以从完全的结构切片中捕捉信使RNA，多么每个转录样本都可以依据其条形码对应到样本中的特定位置。

尔后，空间转录组学范围迎来了迸发性停顿，而今已有多种贸易体系可用。研讨团队也在继续研发新方法，以更好的深度和空间分辨率绘制基因表达图谱。

基于CRISPR的诊断

CRISPR-Cas体系切确切割特定核酸序列的身手，源于其作为细菌“免疫体系”抵抗病毒感染的感染。

这一接洽启示了该技艺的初期运用者思索其对病毒诊断的有效性。

Cas9是基于CRISPR的基因组操作的首选酶，但基于CRISPR诊断的大年夜局部任务都运用了一个名为Cas13的靶向RNA分子家族。

这是由于Cas13不只能切割指导RNA所靶向的RNA，还能对临近的其他RNA分子停止“旁系切割”。

很多基于Cas13的诊断都运用呈报RNA，将荧光标志“拴”在抑制荧光的淬灭分子上。

当Cas13识别病毒RNA并被激活时，它会割断呈报基因并从猝灭分子中释放荧光标志，发生可被检测的旗子暗记。

有些病毒会释放很强的旗子暗记，可以在不扩增的状况下检测到，从而大年夜大年夜简化了即时诊断流程。

（封面图片来源：Adrian T. Sumner/SPL）

《中国迷信报》 (2022-02-23 第1版 要闻 原标题为（《自然》：2022年值得存眷的七项技艺）)

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(责任编辑：探索)