生物學(xué)研究領(lǐng)域值得關(guān)注的技術(shù)

奇云

在2013年乃至未來(lái)幾年內(nèi)，生物學(xué)研究領(lǐng)域重要技術(shù)發(fā)展有哪些？對(duì)此，世界著名科學(xué)雜志《自然-方法》（Nature Methods）邀請(qǐng)生物科學(xué)和相關(guān)學(xué)科的專(zhuān)家進(jìn)行研討，得出的結(jié)論是：納米孔測(cè)序、微生物組功能研究、近紅外熒光成像、鉆石氮空泡中心成像、構(gòu)建干細(xì)胞體外微環(huán)境、快速容積成像、蛋白復(fù)合體無(wú)損質(zhì)譜鑒定和機(jī)器自動(dòng)分辨表型等8大技術(shù)值得關(guān)注。

NO.1

納米孔測(cè)序

近年來(lái)，激烈的競(jìng)爭(zhēng)使得DNA測(cè)序技術(shù)迅猛發(fā)展?，F(xiàn)在，一種叫做納米孔測(cè)序的技術(shù)猶如一匹黑馬闖入大家的視線(xiàn)，看起來(lái)很有潛力在競(jìng)爭(zhēng)中拔得頭籌。

納米孔測(cè)序技術(shù)，是借助電泳驅(qū)動(dòng)單個(gè)分子逐一通過(guò)納米孔來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)序的。由于納米孔的直徑非常細(xì)小，僅允許單個(gè)核酸聚合物通過(guò)，因而可以在此基礎(chǔ)上使用多種方法來(lái)進(jìn)行高通量檢測(cè)。納米級(jí)別的孔徑保證了檢測(cè)具有良好的持續(xù)性，在測(cè)序過(guò)程中起始DNA不會(huì)被破壞，所以測(cè)序的準(zhǔn)確度非常高。錯(cuò)誤率目前介于1%～4%之間，并且是隨機(jī)分布的，而不是扎堆在讀取序列的兩端。

納米孔測(cè)序技術(shù)還有一個(gè)非常吸引人的優(yōu)勢(shì)，那就是測(cè)序距離長(zhǎng)。從原則上來(lái)說(shuō)，使用納米孔測(cè)序技術(shù)，只要DNA鏈不發(fā)生斷裂，并且能一直通過(guò)納米孔，就可以一直檢測(cè)下去。對(duì)于長(zhǎng)達(dá)1000個(gè)堿基的單鏈DNA分子、RNA分子或者更短的核酸分子而言，根本無(wú)需進(jìn)行擴(kuò)增或標(biāo)記，就可以使用納米孔測(cè)序技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

這種先進(jìn)的技術(shù)有可能將完整測(cè)出人類(lèi)基因組的費(fèi)用降低到1000美元以下，為個(gè)體化醫(yī)療帶來(lái)革命，并將基于遺傳學(xué)的診療及醫(yī)學(xué)帶入新的時(shí)代?！蹲匀?方法》雜志在介紹納米孔測(cè)序時(shí)，使用了“具有顛覆性的技術(shù)”一詞來(lái)形容。在2012年基因組生物科學(xué)與技術(shù)進(jìn)展研討會(huì)上，牛津納米孔科技公司宣布將推出第一款商品化的納米孔測(cè)序儀，隨即引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。專(zhuān)家們預(yù)測(cè)，納米孔測(cè)序技術(shù)有望彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)序平臺(tái)所存在的缺陷。

NO.2

微生物組功能研究

隨著高并行測(cè)序技術(shù)和高通量質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，微生物學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，從單菌株的分離研究時(shí)代進(jìn)入微生物群落整體研究時(shí)代。微生物組是指微生物的總和，包括在一個(gè)特定的環(huán)境中所有微生物的遺傳物質(zhì)及其與環(huán)境之間的相互作用。這個(gè)特定的環(huán)境，可以是人的胃，或是一份土壤樣品。

人體內(nèi)有兩個(gè)基因組，一個(gè)是從父母那里遺傳來(lái)的人基因組，編碼大約2.5萬(wàn)個(gè)基因；另一個(gè)則是出生以后才進(jìn)入人體的多達(dá)1000多種的共生微生物，其遺傳信息的總和叫“微生物組”，它們所編碼的基因有100萬(wàn)個(gè)以上。在研究基因與人體健康關(guān)系時(shí)，一定不能忽略共生微生物組功能的研究。為此，美國(guó)推出了“人類(lèi)微生物組計(jì)劃”項(xiàng)目，歐盟也推出了相應(yīng)的“人類(lèi)腸道宏基因組學(xué)計(jì)劃”。另外，法國(guó)、日本、加拿大等國(guó)還單獨(dú)為微生物組學(xué)研究設(shè)立了專(zhuān)項(xiàng)。2012年，人類(lèi)微生物組計(jì)劃首次全面精確地公布了人類(lèi)正常微生物構(gòu)成，并創(chuàng)建了一個(gè)龐大的參考數(shù)據(jù)庫(kù)，這將加速傳染病研究的進(jìn)程。

微生物組功能研究技術(shù)的發(fā)展，將打破醫(yī)學(xué)微生物和環(huán)境微生物之間的界限，不僅能夠?yàn)樘幚磲t(yī)學(xué)問(wèn)題、疾病治療提供新思路和新方法，還能讓人們根據(jù)個(gè)人生理特點(diǎn)及飲食習(xí)慣，來(lái)控制自己體內(nèi)微生物組成，從而改善健康狀況，甚至治療疾病。

NO.3

近紅外熒光成像

生物活體內(nèi)的血紅蛋白、水和脂質(zhì)對(duì)光譜范圍大約在650納米–900納米的近紅外熒光的吸收系數(shù)最低，進(jìn)而與可見(jiàn)光相比近紅外熒光可穿透更深層的組織。近紅外熒光成像的基本原理是以特定波譜范圍的激發(fā)光源照射熒光分子（近紅外熒光探針），此時(shí)熒光分子被激發(fā)出不同光譜特性的光子信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)濾光片后由超敏CCD照相機(jī)采集，然后通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像。

通過(guò)活體動(dòng)物近紅外熒光成像，可以觀測(cè)到疾病或癌癥的發(fā)展進(jìn)程以及藥物治療所產(chǎn)生的反應(yīng)，并因?yàn)榻t外線(xiàn)熒光成像中高特異性的智慧探針可以反映機(jī)體某些特殊酶類(lèi)的活動(dòng)情況，所以該技術(shù)可用來(lái)檢測(cè)體內(nèi)或體外的某些酶的表達(dá)，即可用于基因治療的療效評(píng)定和特殊標(biāo)記基因的顯像，以及用于腫瘤的生長(zhǎng)、血管生成、轉(zhuǎn)移中特殊酶類(lèi)的活動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)等。這項(xiàng)新型的成像技術(shù)還可用于風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、動(dòng)脈粥樣硬化、血栓形成等疾病的研究。

近紅外熒光成像的核心是近紅外探針。目前，近紅外探針有很多種，包括靶定的近紅外熒光染料、活性的近紅外熒光染料、紅移的熒光蛋白和生物熒光探針等等。近紅外熒光成像技術(shù)的未來(lái)發(fā)展主要為各種特異靶向探針和聰明探針的合成，并將其應(yīng)用于不同疾病的實(shí)驗(yàn)性研究，且主要集中于腫瘤、炎癥和心血管疾病的早期診斷及療效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從分子水平為疾病的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)歸提供信息。

NO.4

鉆石氮空泡中心成像

對(duì)于生物學(xué)家而言，鉆石的最大用途，來(lái)自于鉆石的有特定缺陷、高度規(guī)整的碳晶格結(jié)構(gòu)。這種所謂的缺陷，指的是在碳晶格結(jié)構(gòu)中有一些氮原子附近缺失了一些碳原子，這就形成了所謂的“氮空泡中心”。不過(guò)，這種不完美的結(jié)構(gòu)卻能夠發(fā)出不容易被光猝滅的熒光，而且只有4納米大小的鉆石同樣具備這種特性。再加上鉆石是由碳原子構(gòu)成的，所以也具有極佳的生物相容性。

現(xiàn)在，納米鉆石已經(jīng)被用于活體動(dòng)物成像當(dāng)中，主要被當(dāng)作探針使用。在超高分辨率顯微鏡下，這些鉆石還表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的定位精確性。不過(guò)這些鉆石現(xiàn)在還不太能夠用作細(xì)胞探針，因?yàn)樗鼈冞€不如其他的遺傳學(xué)探針好用，但是正在開(kāi)發(fā)的功能和靶向技術(shù)有望改變這一現(xiàn)狀。在熒光共振能量轉(zhuǎn)移過(guò)程中，氮空泡中心是一種高效的染料受體分子供體，而且可以被用來(lái)開(kāi)發(fā)出各種新型的感受器。

不過(guò)氮空泡中心最吸引人的潛在用途，還是來(lái)自其異常的電子自旋狀態(tài)。這種電子自旋態(tài)對(duì)于磁場(chǎng)非常敏感，而且還能夠發(fā)射熒光，通過(guò)熒光顯微鏡就可以觀察到這種熒光。在原子力掃描顯微鏡上使用一個(gè)氮空泡中心，就可以得到一幅非常漂亮的磁場(chǎng)照片。將這種技術(shù)進(jìn)一步小型化之后，就可以得到一款微型的臺(tái)式核磁共振成像儀，它能方便地對(duì)單分子蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定。

NO.5

重建干細(xì)胞體外微環(huán)境

人體內(nèi)的各種干細(xì)胞都有適合它們各自需求的生存微環(huán)境，這種微環(huán)境被稱(chēng)作微生態(tài)系統(tǒng)，是確保干細(xì)胞能夠發(fā)揮出正常功能的關(guān)鍵。所以，科研人員對(duì)于干細(xì)胞與所在位置微環(huán)境之間的關(guān)系非常感興趣。其中有一個(gè)研究方向，就是希望在體外細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中，重建出適合干細(xì)胞生存的微環(huán)境。

科學(xué)家們之所以想要在體外細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中，復(fù)制適合干細(xì)胞生存的微環(huán)境有兩個(gè)目的。首先，有了這種適宜干細(xì)胞生長(zhǎng)的條件，就可以在體外對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)。其次，這還有利于科學(xué)家了解干細(xì)胞與微環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，同時(shí)還可以通過(guò)改變微環(huán)境與干細(xì)胞之間的相互作用方式來(lái)構(gòu)建干細(xì)胞病理模型。

在重建干細(xì)胞體外培養(yǎng)微環(huán)境時(shí)，有一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的方式可供選擇，那就是對(duì)干細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞，或者其他在體內(nèi)就位于干細(xì)胞周?chē)募?xì)胞進(jìn)行共同培養(yǎng)。不過(guò)，要完全復(fù)制出這樣一套和體內(nèi)真實(shí)環(huán)境一樣復(fù)雜的、能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的干細(xì)胞生活微生態(tài)系統(tǒng)，還不是那么容易的。因?yàn)殡m然構(gòu)成微環(huán)境的其它因素都差不多，比如可溶性的信號(hào)分子、粘附信號(hào)分子、細(xì)胞間的相互作用、細(xì)胞與胞外基質(zhì)之間的相互作用、構(gòu)成微生態(tài)立體結(jié)構(gòu)的機(jī)械力以及代謝產(chǎn)物、氧氣等受到系統(tǒng)調(diào)控的其他因素等，但是適應(yīng)每一種干細(xì)胞生存的微環(huán)境在細(xì)節(jié)上都會(huì)有一些差別。

NO.6

快速容積成像

對(duì)生物樣品進(jìn)行的三維熒光成像操作，通常都是依靠多次拍攝之后將多個(gè)二維圖像疊加的方式完成的。不過(guò)這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且并不適合記錄瞬間的圖像，同時(shí)也不太適用于拍攝對(duì)光敏感的樣品?？焖偃莘e成像新技術(shù)采用的則是另外一種策略，使用這種技術(shù)可以只通過(guò)一次拍攝就得到一幅完整的三維圖像。美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家之前也曾經(jīng)設(shè)計(jì)了一臺(tái)能夠拍攝立體照片的光場(chǎng)顯微鏡。這種顯微鏡其實(shí)就是在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的主鏡片和傳感器之間又加上了一組顯微透鏡。在傳統(tǒng)顯微鏡中原本會(huì)穿過(guò)焦點(diǎn)的光線(xiàn)，到了這臺(tái)光場(chǎng)顯微鏡下，會(huì)轉(zhuǎn)而穿過(guò)那組顯微透鏡。這些光線(xiàn)然后分別會(huì)被光場(chǎng)檢測(cè)板記錄下來(lái)，這樣被拍攝樣品中的每一個(gè)不同的點(diǎn)，都會(huì)以不同圖像的方式被記錄下來(lái)。然后再用重疊合算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，最終每一幅圖像都會(huì)是一幅三維立體透視圖像。

這種顯微鏡拍攝的三維圖像包含了足以滿(mǎn)足我們需要的信息。斑馬魚(yú)幼體大腦中鈣熒光蛋白分布三維圖像就是個(gè)很好的例子。日本國(guó)立遺傳學(xué)研究所的科研人員在通體透明的斑馬魚(yú)幼魚(yú)身上進(jìn)行了測(cè)試。他們搭建起液晶顯示屏，用以向靜止的斑馬魚(yú)幼魚(yú)的一側(cè)展示閃爍的點(diǎn)。隨著點(diǎn)的出現(xiàn)和消失，研究人員觀察到相應(yīng)的閃光自斑馬魚(yú)的頂蓋位置發(fā)出，而這反映了它的神經(jīng)活動(dòng)。當(dāng)科學(xué)家把閃爍點(diǎn)從左側(cè)移動(dòng)到右側(cè)，或從上方移到下方時(shí)，他們又在頂蓋位置看到了水平和垂直方向的大腦信號(hào)。研究小組隨后引入了活體草履蟲(chóng)。其被放置在幼魚(yú)的頭部附近，當(dāng)它開(kāi)始游動(dòng)時(shí)，斑馬魚(yú)腦部的信號(hào)便會(huì)和獵物的運(yùn)動(dòng)步調(diào)趨于一致。

NO.7

蛋白復(fù)合體無(wú)損質(zhì)譜鑒定

細(xì)胞中的每個(gè)蛋白質(zhì)通常以蛋白復(fù)合體的形式實(shí)現(xiàn)特定生物學(xué)功能，所以識(shí)別和分析蛋白復(fù)合體的組分是研究蛋白功能所必需的。但由于蛋白質(zhì)鑒定的困難，大多數(shù)蛋白復(fù)合體都是未知的。解析和鑒定蛋白復(fù)合體的最常用方法是利用抗體做免疫共沉淀分離復(fù)合體，再使用質(zhì)譜方法鑒定復(fù)合體的組成成分并研究相關(guān)蛋白質(zhì)的功能。

在絕大多數(shù)情況下，使用質(zhì)譜技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分析時(shí)采用的都是“鳥(niǎo)槍法”分析策略，即首先將待檢測(cè)的蛋白質(zhì)分解成不同大小的肽段，然后再進(jìn)行分析。雖然目前這種鳥(niǎo)槍測(cè)序法已經(jīng)可以用于高通量的蛋白質(zhì)組鑒定工作，但是在鑒定過(guò)程當(dāng)中還是會(huì)丟失很多重要的生物學(xué)信息。我們知道蛋白質(zhì)上經(jīng)常會(huì)攜帶各種翻譯后修飾信息，比如磷酸化等修飾信息，這些修飾物對(duì)蛋白質(zhì)的功能都具有非常重要的影響作用，可是當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被分解成小片段之后我們就很難讀取到這類(lèi)修飾物的信息。不過(guò)新開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)就可以對(duì)蛋白質(zhì)或者蛋白復(fù)合體進(jìn)行無(wú)損鑒定，今后這些重要的蛋白質(zhì)功能信息就再也不會(huì)被遺漏了。在這種新技術(shù)下，蛋白質(zhì)首先會(huì)經(jīng)過(guò)比較輕柔的離子化處理，使其變?yōu)闅鈶B(tài)，此時(shí)蛋白質(zhì)還會(huì)保留原有的三維立體結(jié)構(gòu)，而且在合適的條件下，即便是更大的、以非離子鍵結(jié)合的、可溶性的膜蛋白復(fù)合體都可以保持原本的狀態(tài)。

NO.8

機(jī)器自動(dòng)分辨表型

識(shí)別細(xì)胞或者是模式生物的各種表型，通常都需要進(jìn)行各種視覺(jué)上的辨別。比如：使用某種信號(hào)激活劑或者抑制劑之后，某種蛋白的細(xì)胞定位會(huì)發(fā)生哪些變化？某個(gè)特定基因突變或者被敲除之后，果蠅頭部外形會(huì)發(fā)生哪些改變，或者小鼠的活動(dòng)會(huì)出現(xiàn)哪些變化？對(duì)這些表型進(jìn)行人工辨別，會(huì)是一項(xiàng)非常繁重的任務(wù)。尤其是在需要觀測(cè)大量樣本的情況下，更是讓人難以承受?，F(xiàn)在科學(xué)家們提出可以利用計(jì)算機(jī)，機(jī)器自動(dòng)分辨生物表型。

要計(jì)算機(jī)進(jìn)行表型識(shí)別，需要對(duì)機(jī)器進(jìn)行訓(xùn)練，教會(huì)它們自己訓(xùn)練自己。要做到這一點(diǎn)，首先就要讓機(jī)器學(xué)會(huì)如何從圖像中挑選出可以進(jìn)行表型識(shí)別的有用信息。這些圖像信息有可能是靜態(tài)的，也有可能是動(dòng)態(tài)的；可以是細(xì)胞的圖像，也可能是模式生物的圖像或者是其它一些圖像。研究者可以事先根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)各種表型進(jìn)行基本的注釋和分類(lèi)，也可以讓機(jī)器對(duì)其自動(dòng)進(jìn)行分類(lèi)。

這種自動(dòng)表型篩選儀，尤其適用于對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)樣品進(jìn)行大規(guī)模篩查的工作。自動(dòng)表型分選技術(shù)除了可以對(duì)表型進(jìn)行定性的分選之外，還可以進(jìn)行定量分選，此時(shí)需要對(duì)比較細(xì)微的表型差異進(jìn)行鑒別，或者需要對(duì)大量的樣本進(jìn)行表型鑒別，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得出結(jié)論。此外，還可以對(duì)行為學(xué)表型進(jìn)行鑒別，并自動(dòng)進(jìn)行錄像，記錄一定時(shí)間之內(nèi)的表型變化等。

科學(xué)家們近期公布了一項(xiàng)這方面的最新研究成果——利用一種人工智能和前沿圖像加工的自動(dòng)化系統(tǒng)，快速檢測(cè)了大量的個(gè)體秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)。這一系統(tǒng)無(wú)需人為干預(yù)就能夠檢測(cè)到線(xiàn)蟲(chóng)間的細(xì)微差異，而且能鑒別出用其他方式有可能無(wú)法檢測(cè)到的遺傳突變。

（作者單位：淮南聯(lián)合大學(xué)）