2009年生命科學(xué)研究技術(shù)十大熱點

賀 毅

(首都醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)系 神經(jīng)變性病教育部重點實驗室)

對于產(chǎn)業(yè)界而言,2009年無疑是艱難的一年,生命科學(xué)也不例外。然而全球的生物技術(shù)公司和實驗室已經(jīng)發(fā)展了眾多的新技術(shù)產(chǎn)品可以幫助你進行更深入的研究。今年實驗室的預(yù)算肯定比往年更緊張,哪種技術(shù)更值得投資呢?美國《科學(xué)家》(The Scientist)雜志邀請了一組專家學(xué)者,對 2009年生命科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品進行了評選,這是《科學(xué)家》連續(xù)第 2年進行此類評選,以下為評選結(jié)果前 10名。

第 10名 三維立體細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)

圖1 B ioLevitator立體細(xì)胞培養(yǎng)機

BioLevitator是一種培養(yǎng)箱和離心機一體機,是最早的桌面型三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)之一。在培養(yǎng)體系中加入了一種獨特的微磁珠,表面包被了蛋白與細(xì)胞有很好的親和性,有利于細(xì)胞在其表面生長。BioLevitator一次可以培養(yǎng) 4管細(xì)胞,在磁場作用下可使細(xì)胞均勻懸浮。磁珠包被不同的蛋白后可以適合不同的細(xì)胞生長。細(xì)胞培養(yǎng)時,每管的 CO2、溫度、細(xì)胞密度、pH值可以隨時監(jiān)控。培養(yǎng)結(jié)束后,所有的數(shù)據(jù)可以通過USB數(shù)據(jù)接口傳送到計算機進行數(shù)據(jù)分析。三維立體細(xì)胞培養(yǎng)這一全新的技術(shù)優(yōu)勢,除能夠進行三維細(xì)胞培養(yǎng)外,更重要的是更接近于在體狀態(tài),并可以在短期內(nèi)得到比普通細(xì)胞培養(yǎng)方法更多的細(xì)胞。

第 9名 蛋白表達(dá)的新策略

圖2 用DNA2.0算法設(shè)計外源基因的表達(dá)

外源性基因表達(dá)系統(tǒng)是一種能得到高水平蛋白表達(dá)的高效、省時而又靈活的工具,也是現(xiàn)代生物技術(shù)的基石之一。由于密碼子的簡并性,編碼一個蛋白質(zhì)可能有數(shù)種密碼子的組合,一些組合的產(chǎn)率可能比別的高,研究者通常會進行測試性表達(dá),從中挑選高表達(dá)的組合?，F(xiàn)在一種稱為DNA2.0的新算法,可以基于基因的序列特征預(yù)測最合適的密碼子組合。DNA2.0的設(shè)計者MarkWelch表示,用這個方法設(shè)計的外源性基因表達(dá)系統(tǒng),蛋白表達(dá)量是以前方法的 10倍。這又是一個利用外源性基因表達(dá)系統(tǒng)的里程碑,特別是對于蛋白工程的應(yīng)用具有重要意義。

第 8名 新陳代謝的新測量方法

圖3 XF96細(xì)胞能量代謝分析儀

XF96分析儀是第 1個可以測量細(xì)胞 2種主要能量代謝途徑狀態(tài)(線粒體呼吸和糖酵解)的儀器,可以全面了解細(xì)胞的能量代謝情況及其在疾病過程中的改變。在 XF96分析儀出現(xiàn)之前,科學(xué)家們依靠克拉克電極測量細(xì)胞的氧消耗,這是個耗時而低效的技術(shù)?，F(xiàn)在只需要 35～90 min,XF96分析儀就能測量出氧消耗,該參數(shù)代表線粒體呼吸。除此之外,可以檢測到細(xì)胞外的酸化作用,這是糖酵解的副產(chǎn)品。從培養(yǎng)皿里分離微量的細(xì)胞,利用光學(xué)生物傳感器,就可以測量到溶解氧和 pH值的變化。如果使用 96孔板,則可以檢測多達(dá) 4種藥物對細(xì)胞代謝的影響。在XF96分析儀發(fā)明之前,同時進行如此數(shù)量龐大的或者設(shè)計復(fù)雜的實驗幾乎不可想象。

第 7名 新型基因組序列捕獲工具

圖4 可以定制的 Genion生物芯片

科學(xué)家們現(xiàn)在擁有約 30億堿基對這樣大量的基因組數(shù)據(jù),卻沒有好的辦法加以利用。對于研究者而言基因組過于龐大,而新型基因組序列捕獲工具能夠利用DNA芯片技術(shù)找到基因組中與特定疾病密切相關(guān)的重要區(qū)域。該技術(shù)可以讓研究者分解龐大的基因組,分離出對疾病研究有價值的信息。這種技術(shù)已經(jīng)被用于研究癌癥、多發(fā)性硬化、阿爾茲海默病和糖尿病。整個系統(tǒng)相當(dāng)小巧 (55.7 cm×90.7 cm×66.5 cm;110 kg),一天可以處理 16個樣本,大大加速了分析的進程?；蚪M范圍龐大,而事實上只有少量的DNA序列變化就能導(dǎo)致疾病和各種表型,說明未來正需要這種有效而經(jīng)濟的方法來捕獲基因組中我們感興趣的目的序列。

第 6名 多合一顯微鏡

圖5 世界上第一臺自主式的激光共聚焦顯微鏡

今年在美國上市了世界上第一臺自主式的激光共聚焦顯微鏡 Fluouiew Fv10i。可以自動拍攝 3D重建圖像。它完全不同于傳統(tǒng)意義上的顯微鏡,一般的熒光顯微鏡需要一間暗室,但該系統(tǒng)所裝備的照明系統(tǒng)、顯微鏡、移動臺、相機都集中放置在一個盒子里,所以它可以放在任何地方,甚至可以在開著燈的實驗室工作,這對于獲取熒光圖像非常有利。這種顯微鏡很容易操作,即使是初學(xué)者也不需要任何培訓(xùn)即可以照出高質(zhì)量的圖像。其易操作性對于用戶來說,顯然是十分有利的。

第 5名 鋅指核酸酶技術(shù)成功培育首個靶基因敲除大鼠

圖6 鋅指核酸酶技術(shù)培育的基因敲除大鼠

鋅指核酸酶(ZFN)技術(shù)在去年評比中名列第三。今年,該技術(shù)實現(xiàn)了從細(xì)胞系到整體動物的跨越,通過這一技術(shù)培育出了基因定向敲除大鼠,并可以插入表達(dá)熒光蛋白。該技術(shù)通過設(shè)計好的鋅指蛋白與特定序列的雙鏈DNA結(jié)合,并依靠與鋅指蛋白連接的核酸酶切斷DNA鏈?；蚯贸徽J(rèn)為是解基因功能的革命性事件,但是現(xiàn)在大多數(shù)基因敲除動物還只局限于小鼠或其他低等動物。鋅指核酸酶技術(shù)提供了敲除更復(fù)雜的生物基因的新方法。除了轉(zhuǎn)基因,鋅指核酸酶技術(shù)還擁有從基礎(chǔ)研究、農(nóng)業(yè)到基因治療的廣闊應(yīng)用前景。

第 4名 可定量的照相機

圖7 可記錄絕對光強度的數(shù)碼相機

測量和比較標(biāo)記蛋白的熒光強度、尋找細(xì)胞膜上的共定位、描述病毒的出入細(xì)胞等是細(xì)胞生物學(xué)家的常規(guī)工作。他們一般用電子增量 CCD來完成這些任務(wù)。但是這些設(shè)備得到的圖像本質(zhì)上說是非客觀的,因為圖像的信號強度依賴于相機的 gain值得設(shè)定,而gain值是隨不同的相機或不同的使用環(huán)境調(diào)整的,這意味著這些圖像在不同實驗室之間是不可重復(fù)的?，F(xiàn)在新的照相機光傳感器可以計算每個感光點接受到的光子數(shù)目,使產(chǎn)生的圖像包含了定量信息,圖像變成可定量、可重復(fù)的數(shù)據(jù)。通過這一技術(shù),研究者可以在不同的實驗室重復(fù)他們實驗的圖像結(jié)果,也讓他們的數(shù)據(jù)可以直接比較,研究結(jié)果更定量化,更可信。該相機的誕生可能會引領(lǐng)圖像技術(shù)發(fā)展的方向——圖像的標(biāo)準(zhǔn)化。

第 3名 用光操作細(xì)胞

圖8 紅光激活細(xì)胞骨架蛋白,導(dǎo)致細(xì)胞形狀的改變

現(xiàn)在有層出不窮的方法和設(shè)備來標(biāo)記蛋白質(zhì),以觀察細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的事件,但直到最近研究者仍然缺乏精確的手段在分子水平控制這些細(xì)胞事件。通常情況下,光敏色素(一種對光敏感的植物蛋白)和光敏色素相關(guān)因子 PIF(光敏色素的伴侶分子)能對紅光產(chǎn)生反應(yīng),兩者結(jié)合形成二聚體并被轉(zhuǎn)位到核內(nèi),紅外線則可以破壞這種結(jié)合。研究人員修改了它們的基因,使它們被紅光光被激活時轉(zhuǎn)位到膜上而不是核內(nèi)。有實驗者把 PIF連接到細(xì)胞骨架蛋白,然后空間定位的給予紅光照射,使光敏色素與細(xì)胞骨架蛋白結(jié)合,從而激活細(xì)胞骨架蛋白,導(dǎo)致細(xì)胞形狀的改變。利用這一技術(shù),研究者可以通過將 PIF與別的任何蛋白連接,利用無任何細(xì)胞毒性的光能來控制蛋白相互作用。這是一種前所未有的能在細(xì)胞中精確定位控制蛋白質(zhì)相互作用的方法。

第 2名 病原體快速檢測儀

圖9 PLEX- ID病原體快速檢測儀

當(dāng)我們面對層出不窮的未知的致命的病原體時,任何時間的拖延都意味著生命的損失。這種病原體快速檢測儀的原理是基于不同微生物的基因組分子量不同,以此鑒別不同病原體。針對病毒或細(xì)菌的基因組中保守區(qū)域設(shè)計 PCR引物,這些保守序列在各種病原體普遍存在,但間隔距離卻各不相同。當(dāng)用這種引物進行 PCR擴增時,不同種類的病原體會得到相應(yīng)的分子量的產(chǎn)物。測量 PCR產(chǎn)物的分子量就可以知道是哪種微生物,或者是否有新的變異產(chǎn)生。這種方法還沒有進入臨床試驗,目前被用來檢測病毒的基本突變率以及用于美國海軍和疾病控制防疫中心鑒別新的 H1N1病毒等等。該設(shè)備綜合了遺傳學(xué)、機器人、質(zhì)譜、生物信息學(xué)等各學(xué)科技術(shù),大大加速了確診新病原體的速度,為早期疾病流行預(yù)報提供非常重要的依據(jù)。

第 1名 蛋白質(zhì)誘導(dǎo)小鼠胚胎纖維原細(xì)胞多能性

圖10 蛋白質(zhì)誘導(dǎo)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞成的多能干細(xì)胞

2009年 4月,誕生了本年度最激動人心的發(fā)現(xiàn)能——夠在不涉及基因組調(diào)節(jié)的情況下,僅憑借蛋白質(zhì)就能將小鼠胚胎成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)成多能干細(xì)胞,這一技術(shù)大大簡化了將細(xì)胞重編程為胚胎干細(xì)胞的常用技術(shù)的繁瑣步驟。盡管多能干細(xì)胞技術(shù)確實是一個突破性的發(fā)現(xiàn),但是基因調(diào)控所包含的包括癌癥等疾病在內(nèi)的嚴(yán)重負(fù)效應(yīng)成為其應(yīng)用的巨大阻礙。此項技術(shù)不僅克服了利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)多能干細(xì)胞帶來的風(fēng)險,而且這種多能性一旦被誘導(dǎo)出來,不再需要外源性重組蛋白的支持就能自我復(fù)制。采用這種新的誘導(dǎo)方式,可以借此構(gòu)建新的有用細(xì)胞系,也有利于更好的研究這些細(xì)胞。

(本文選譯自：美國《科學(xué)家》雜志,網(wǎng)絡(luò)版：Judge Bios.The scientist 2009 top 10 innovations[EB/OL]. [2010-01-08].http：∥www.the-scientist.com/ article/display/56171/)