生命科学近年来有哪些新技术？

NO.1

SARAH TEICHMANN: Expand single-cell biology（扩展单细胞生物学）

Head of cellular genetics, Wellcome Trust Sanger Institute, Hinxton, UK.

在过去的十年里，我们看到研究人员可以分析的单细胞数量大幅增加，随着细胞捕获技术的发展，结合条形码标记细胞和智能化技术等方法，在未来数量还将继续增加，对此，大家可能不以为然，但这可以让我们以更高的分辨率来研究更为复杂的样品，我们可以做各种各样的实验。比如说，研究人员不再只关注一个人的样本，而是能够同时观察20到100个人的样本，这意味我们能够更好的掌握人的多样性，我们可以分析出更多的发展时间点，组织和个体，从而提高分析的统计学意义。

我们的实验室最近参与了一项研究，对6个物种的250000个细胞进行了分析，结果表明，控制先天免疫反应的基因进化速度快，并且在不同物种间具有较高的细胞间变异性，这两个特征都有助于免疫系统产生有效的微调反应。

我们还将看到在单个细胞中同时观察不同基因组模式的能力发展。例如，我们不局限于RNA，而是能够看到染色质的蛋白质-DNA复合物是开放还是封闭。这对理解细胞分化时的表观遗传状态以及免疫系统和神经系统中的表观遗传记忆具有重要意义。

将单细胞基因组学与表型关联的方法将会发生演变，例如，将蛋白质表达或形态学与既定细胞的转录组相关联。我认为我们将在2019年看到更多这种类型的东西，无论是通过纯测序还是通过成像和测序相结合的方法。事实上，我们已经见证了这两种技术的一种融合发展：测序在分辨率上越来越高，成像也越来越多元化。

NO.2

JIN-SOO KIM: Improve gene editors(改进基因编辑)

Director of the Center for Genome Engineering, Institute for Basic Science, and professor of chemistry, Seoul National University.（首尔国立大学基因学研究所基因组工程中心主任、化学教授。）

现如今，蛋白质工程推动基因组工程的发展。第一代CRISPR基因编辑系统使用核酸酶Cas9，这是一种在特定位点剪切DNA的酶。到目前为止，这种方法仍然被广泛使用，但是许多工程化的CRISPR系统正在用新变体取代天然核酸酶，例如xCas9和SpCas9-NG，这拓宽了靶向空间——基因组中可以被编辑的区域。有一些酶比第一代酶更具特异性，可以将脱靶效应最小化或避免脱靶效应。

去年，研究人员报告了阻碍CRISPR基因组编辑引入临床的新障碍。其中包括激活p53基因 (此基因与癌症风险相关)；不可预料的“靶向”效应；以及对CRISPR系统的免疫原性。想要将基因组编辑用于临床应用，就必须解决这些限制。其中一些问题是由DNA双链断裂引起的，但并非所有基因组编辑酶都会产生双链断裂——“碱基编辑”会将单个DNA碱基直接转换成另一个碱基。因此，碱基编辑比传统的基因组编辑更干净利索。去年，瑞士的研究人员使用碱基编辑的方式来纠正小鼠中导致苯丙酮尿症的突变基因，苯丙酮尿症是一种先天性代谢异常疾病，患者体内会不断累积毒素。

值得注意的是，碱基编辑在它们可以编辑的序列中受到了限制，这些序列被称为原间隔相邻基序。然而蛋白质工程可以用来重新设计和改进现有的碱基编辑，甚至可以创建新的编辑，例如融合到失活Cas9的重组酶。就像碱基编辑一样，重组酶不会诱导双链断裂，但可以在用户定义的位置插入所期望的序列。此外，RNA引导的重组酶将会在新的维度上扩展基因组编辑。

基因编辑技术在临床上的常规应用可能还需要几年的时间。但是我们将在未来一两年看到新一代的工具，将会有很多的研究人员对这项技术感兴趣，到时候他们每天都会使用这些技术。届时必然会出现新的问题，但创新的解决方案也会随之出现。

NO.3

XIAOWEI ZHUANG（庄小威）: Boost microscopy resolution （提高显微镜分辨率）

Professor of chemistry and chemical biology, Harvard University, Cambridge, Massachusettsand 2019 Breakthrough Prize winner.

超分辨率显微镜的原理验证仅仅发生在十几年前，但今天这项技术相对来说再平常不过，生物学家可以接触到并丰富知识。

一个特别令人兴奋的研究领域是确定基因组的三维结构和组织。值得一提的是，基因组的三维结构在调节基因表达中起到的作用越来越大。

在过去的一年里，我们报道了一项工作，在这项工作中，我们对染色质进行了纳米级的精准成像，将它与数千个不同类型细胞的序列信息联系起来。这种空间分辨率比我们以前的工作好一到两个数量级，使我们能够观察到各个细胞将染色质组织成不同细胞之间差异很大的结构域。我们还提供了这些结构域是如何形成的证据，这使我们更好地理解染色质调节的机制。

除了染色质，我们预见到在超分辨率成像领域空间分辨率有了实质性的提高。大多数实验的分辨率只有几十纳米，虽然很小，但与被成像的分子相比却没有什么差别，特别是当我们想解决分子间的相互作用时。我们看到荧光分子和成像方法的改进，大大提高了分辨率，我们预计1纳米分辨率的成像将成为常规。

同时，瞬时分辨率变得越来越好。目前，研究人员必须在空间分辨率和成像速度之间做出妥协。但是通过更好的照明策略和更快的图像采集，这些限制可以被克服。成千上万的基因和其他类型的分子共同作用来塑造细胞的行为。能够在基因组范围内同时观察这些分子的活动，将为成像创造强有力的机会。

NO.4

JEF BOEKE: Advance synthetic genomes （先进的合成基因组）

Director of the Institute for Systems Genetics, New York University Langone Medical Center, New York City.

当我意识到从头开始写一个完整的基因组变成可能的时候，我认为这将是一个对基因组功能获得新观点的绝佳机会。

从纯科学的角度来看，研究小组在合成简单的细菌和酵母基因组方面取得了进展。但是在合成整个基因组，特别是哺乳动物基因组方面仍然存在技术挑战。

有一项降低DNA合成成本的技术将会对行业产生帮助，但是目前还没有上市。今天发生的大多数DNA合成都是基于亚磷酰胺化学过程。所得核酸聚合物的最大长度和保真度都受到限制。

许多公司和实验室都在研究酶促DNA合成——这种方法有可能比化学合成更快、更准确、更便宜。目前，还没有一家公司在商业上提供这种分子。但是去年10月，一家总部位于巴黎的叫做DNA Script的公司宣布，它已经合成了一种150碱基的寡核苷酸，几乎符合化学DNA合成的实际限制。

作为一个群体，我们还研究了如何组装人类染色体DNA的大片段，并且我们可以使用这种方法构建100千碱基或更多的区域。现在，我们将使用这种方法来解剖大的基因组区域，这些区域对于识别疾病易感性非常重要，或者是其他表型特征的基础。

我们可以在酵母细胞中快速合成这些区域，因此我们应该能够制造数十到数百种以前不可能检测到的基因组变体。使用它们，我们将能够检查全基因组关联研究中涉及的数千个基因组基因座，它们在疾病易感性方面具有一定意义。这种解剖策略可能使我们最终能够确定这些变体的作用。

NO.5

CASEY GREENE: Apply AI and deep learning（应用人工智能和深度学习）

Assistant professor of systems pharmacology and translational therapeutics, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia.

A.分子生物学

分子生物学是在分子水平上研究生命现象本质与规律的学科.核酸与蛋白质（有人认为还有糖）是生命的最基本物质,因此核酸与蛋白质结构与功能的研究今后仍然是分子生物学研究的主要内容.蛋白质是生命活动的主要承担者,几乎一切生命活动都要依靠蛋白质（包括酶）来进行.蛋白质分子结构与功能的研究除了要阐明由氨基酸形成的并有一定顺序的肽链结构外,今后将特别重视肽链拆叠成的特定的三维空间结构,因为蛋白质生物功能与它的空间构型关系极为密切,核酸是遗传信息的携带者与传递者,遗传信息由DNA～RNA一蛋白质的传递过程,称为遗传信息传递的“中心法则”,是分子生物学（分子遗传学）研究的核心.其基本问题己比较清楚,当前研究的重点是：

①约经10一15年,人类基因组30亿个碱基对全序列（遗传密码）可以测出,这是具有里程碑意义的工作；

②真核生物基因表达过程在各层次上调节的研究仍然是今后相当长一段时间的任务. 分子生物学的概念、方法与技术和各学科的渗透,正在形成很多新的学科,诸如分子遗传学、细胞分子生物学、神经分子生物学、分子分类学、分子药理学与分子病理学等等.因此分子生物学在生命科学中的主导作用还将要持续下去。

B.遗传学

遗传学比分子生物学更具有自己独立的学科体系.但现代遗传学与分子生物学是不可分割、相互交叉的两个学科,且很难截然分开.

有些著名的遗传学家把遗传学概括称为基因学,因为现代遗传学主要是研究生物体遗传信息传递与表达的学科.基因携带的信息是由基因的结构所决定,信息的表达是由基因的功能实现的,因此遗传学研究的是基因的结构与功能.从遗传学的角度看,所有生命现象的机制,追根究底都会与基因的结构与功能相关.因此遗传学在今后较长时间仍然是生命科学的核心学科和推动力.

有人估计人体细胞内约有10万个基因,迄今弄清楚的不到5％,所以与重要生命活动有关与疾病有关的新基因的发现与阐明将是今后几十年的重要任务。

C.细胞生物学

著名生物学家威尔逊（Wilson）早在20世纪20年代就提出一句名言“一切生物学关键问题必须在细胞中找寻”,至今还有着很深的内涵.魏斯曼与摩尔根都曾先后试图在细胞研究的基础上建立遗传、发育与进化统一的理论,虽然当时没有找到具体解决的途径,但关于细胞的知识在生物科学中的重要性是显而易见的.细胞是一切生命活动结构与功能的基本单位,细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的科学,细胞的结构.细胞代谢、细胞遗传、细胞的增殖与分化,细胞信息的传递与细胞的通讯等是细胞生物学主要研究内容.虽然今后细胞生物学研究的内容是全方位的,但概括起来可能是两个基本点：

一是基因与基因产物如何控制细胞的重要生命活动,如生长、增殖、分化与衰老等,在此要涉及到一个全新的问题,细胞内外信号如何传递；二是基因产物一一蛋白质分子与其他生物分子如何构建与装配成细胞的结构,并行使细胞的有序的生命活动.

今后20多年,以下一些问题可望取得重要进展与突破：

①遗传信息的储存、复制与表达的主要执行者——染色体的结构与功能可能在不同的结构层次上得到阐明.

②细胞骨架（包括核骨架与染色体骨架）的研究将得到全方位的进展.

③细胞生物学与分子生物学、遗传学的结合,将在细胞分化机理研究方面有重要突破,为发育生物学快速发展奠定基础.

④细胞衰老与细胞程序化死亡的机理将在更深层次上阐明.

⑤以细胞分子生物学为骨干学科与其他学科结合,人工装配生命体的理想可能逐步实现。

D．发育生物学

从一个受精卵通过细胞分裂与分化如何发育成为一个结构与功能复杂的个体,是至今未能解决的生命科学的重大课题,也是发育生物学的主课题.由于近几十年分子生物学、遗传学与细胞生物学所取得一一系歹（突破性成果与知识的积累,已为解决这一重大课题创造了条件,这也就是今后发育生物学应运而飞速发展的原因。

发育生物学当今要解决的基本问题是细胞的基因如何按一定的时空关系选择性地表达专一性的蛋白质,从而控制细胞的分化与个体发育.阐明基因在多层次水平上控制胚胎的发育就不仅是涉及到个别基因的问题,而是一系列调节基因在时空上的联系与配合,从而支配发育的程序.虽然这是难度极大的课题,但近年已初见端倪并有所突破.估计今后发育生物学将沿着这条道路深入下去,并可望取得丰硕的成果。

E．神经科学（或脑科学）

神经科学是研究人与动物神经系统（主要是脑）的结构与功能,在分子水平、神经网络水平、整体水平乃至行为水平阐明神经系统特别是脑的活动规律的学科群.脑的结构与功能是无比复杂的高级体系,含有10 11细胞.它是感觉、运动、学习、记忆、感情、行为与思维的活动基础.大脑细胞,口何指导人与动物的行为是未来生物学中最富潜力与最吸引人的领域；神经科学的崛起,预示着生命科学又有一个高峰的来临.神经科学或脑科学必然在下世纪促进认知科学与行为科学的兴起.因此各国政府投入巨资支持这一课题,包括美国总统签署的“命名1990年1月1日为脑的10年”不是没有道理的.

在今后几十年内可以预示到的神经科学突破性的进展可能包括：

①在分子到行为的各层次上阐明学习、记忆与认知等活动的基础；

②很快会发现与阐明一系列与记忆、行为有关的基因与基因产物；

③神经细胞的分化与神经系统的发育研究会有重大进展；

④脑机能在理论上的进展与突破（如模式识别、联想记忆、思维逻辑机理的阐明）会 促进新一代智能计算机与智能机器人的研制；

⑤一系列神经性疾病与精神病的病因可望在神经生物学研究中得到解释.

F．主态学（包括物种多样性保护研究）

生态学是研究有机体与周围环境——包括非生物环境与生物环境相互关系的科学. 由于生态学理论与应用是与世界环境保护.资源合理开发与保护,以至人类本身在地球上继续生存紧密相关的,尤其是地球环境日益恶化的情况下,生态学的重要性就变得十分突出.未来生态学的主要任务是协调人类活动与环境的关系.所以生态学经典学科的概念与研究内容必然要适应人类生存环境的保护与社会经济持续发展的要求而不断改变.

今后生态学研究的重点可能表现在以下方面：

①生态群落的多样性、稳定性与演变规律与人类活动的关系；

②全球气候变化对生态系统结构与功能的影响；

③生物多样性的保护和永续利用也是保护人类自身生存环境尤其是拯救濒临绝灭的 生物种类更加具有紧迫性；

④城市生态学与经济生态学将迅速发展；

⑤生态工程与生态技术将在国民经济建设中发挥作用.。

G．空间生命科学

空间环境向生命科学提出了新的挑战,也为生命科学的发展提供了机遇.

21世纪人类的空间活动将要离开地球附近,探索月球及其他太阳系的大体.这就要求人在地球外各种环境中能长期地生活和工作,首先是在,长期空间飞行器中航行,月球站以及火星或火卫站等,空间医学必须有重大突破,解决长期在地外空间所遇到的宇航员骨质疏松,肌肉萎缩和兔疫功能变化等生理学难题,同时,与开拓大疆相关联的是受控生态系统,创造一个不需要外界补给,而使人们能在其中长期生活的环境.这些问题有希望在21世纪20一30年代解决,其中空间生理学问题有可能利用中医和中药的方法取得某些重大突破.

地球外层空间为研究重力生物学提供了理想的条件,重力条件对各种层次结构生物的影响仍然是21世纪重力生物学的主题,今后的研究重点将集中于细胞,绿色植物,一些微生物和小动物.特别是重力环境对哺乳动物细胞形态、结构、变异和基因表达的影响将是一个热点.重力生物学的学术意义在于揭示重力效应在生物进化过程中的作用,是自然科学的基本问题；另一方面,重力生物学的成果将是空间制药及空间生态系统等应用领域的基础,重力生物学的学术和应用都是下个世纪的重要课题,可望在21世纪20-30年代取得突破性的进展.

地外生物探索是生命起源的重大课题,其中地球以外的智能生物探索是一个长期的 课题.地球上的人类正在向外层空间发射电波和接收讯号.外星人与地球人之间可能存在的学术和技术差距不仅是一种危险,也是自然科学的重大前沿问题,将被持续地研究下去。

①人类基因组的全序列（遗传密码）将在10一15年测定完毕,为全部遗传信息的破译奠定基础.

②与生命活动有关的重要基因与重要疾病有关的基因将被陆续发现,其中特别引人注目的是控制记忆与行为的基因、控制衰老与细胞程序性死亡的基因、控制细胞增殖的系列基因、胚胎发育多层次网络调节基因.新的癌基因与抑癌基因的发现与其生物学功能的释明将大大提高对生命本质的了解.

③人与动物的高级生命活动：感知、思维、记忆、行为与感情的发生与活动机制在脑科学研究突破的基础上,有更深的认识.

④癌症的治疗将有全面的突破,爱滋病的防治得到控制.

⑤在阐明地球上原始生命起源的基础上,人类还可能在实验室合成生命体,这种生命体应具有原始细胞的基本特征.

此外生命科学与农业科学的交融,将全面更新、拓展与创新现代化农业.

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