近年來，現(xiàn)代生命科學與生物技術(shù)取得了一系列重要突破，從早先觀察細胞結(jié)構(gòu)的顯微鏡到允許改造編輯生物生命密碼的工具，全新的技術(shù)正在加速我們對生物系統(tǒng)的理解，并且正在向應(yīng)用領(lǐng)域滲透?；蚓庉?、精準醫(yī)療、高通量測序等詞開始被大眾談起。而這些生物技術(shù)在解決資源、環(huán)境、健康等問題上有著巨大的潛力。

    近期，《科學》雜志出了技術(shù)轉(zhuǎn)化生物學特刊。特刊包含1篇社論、4篇綜述和1篇研究性論文，其中不乏盧冠達、莊小威、程亦凡、謝曉亮等華人科學家的身影。這些文章突出報道了強大的新技術(shù)，這些技術(shù)正在打破生物學研究中可能的壁壘。

    CRISPR-Cas技術(shù)

    CRISPR-Cas系統(tǒng)的多樣性、模塊化和有效性正在推動一場生物技術(shù)革命。在第一篇綜述中，加文·諾特（Gavin Knott）和詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）概述了CRISPR-Cas系統(tǒng)，討論了CRISPR-Cas系統(tǒng)與其他基因編輯技術(shù)的區(qū)別，以及該系統(tǒng)如何用于治療人類遺傳性疾?。ㄈ缂I養(yǎng)不良癥）和設(shè)計農(nóng)作物的遺傳特性。

    體內(nèi)DNA編寫技術(shù)

    盧冠達（Timothy Lu）和法希姆·法爾扎法德（Fahim Farzadfard）在第二篇綜述中討論了另一種動態(tài)基因組工程技術(shù)——體內(nèi)DNA編寫（in vivo DNA writing），享有細胞DNA“錄音機”的美稱。該技術(shù)能將基因組DNA轉(zhuǎn)化為在活細胞內(nèi)記錄存儲生物和人工信息的介質(zhì)。作者概述了該技術(shù)一系列潛在的用途，包括了創(chuàng)建活體生物傳感器，進而追蹤整個發(fā)育過程中的細胞譜系，并討論了技術(shù)特點和現(xiàn)階段的局限。

    超高分辨率顯微技術(shù)

    在第三篇綜述中，莊小威團隊概述了超高分辨率顯微方法、先進的功能和在生物學上不斷拓展的應(yīng)用。由于突破了衍射極限這一傳統(tǒng)光學顯微鏡長久以來的障礙，超高分辨率成像方法能夠顯示生物系統(tǒng)中早先無法觀察到的分子細節(jié)，因此可用于細胞結(jié)構(gòu)和生命系統(tǒng)的納米級三維成像，幫助理解生命的分子基礎(chǔ)，如揭示神經(jīng)元突觸的形式和功能。盡管該技術(shù)仍然存在局限性，但有朝一日，技術(shù)進一步的發(fā)展將能夠全面了解信號通路及其相關(guān)分子組成。

    冷凍電子顯微鏡技術(shù)

    在第四篇綜述中，程亦凡關(guān)注另一種類型的成像——冷凍電子顯微鏡技術(shù)（cryo-EM，冷凍電鏡），它開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)生物學的新紀元。該綜述概述了冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展歷程，并討論了它們的突破性進展和未來發(fā)展方向。其中，單一微粒冷凍電子顯微術(shù)（single particle cryo-EM）幫助研究人員解析近原子分辨率的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。程亦凡認為，這一技術(shù)徹底改變了結(jié)構(gòu)生物學中復雜問題的解決方式，為基于結(jié)構(gòu)的其他研究打開了新的大門。

    Dip-C——全新的基因組3D結(jié)構(gòu)重建

    最后，在本期的報告中，謝曉亮團隊提出了一種全新的基因組三維結(jié)構(gòu)重建方法。除了序列之外，基因組的3D結(jié)構(gòu)在基因表達調(diào)控中起著重要作用。雖然先前的研究已經(jīng)報道了小鼠單倍體細胞的3D基因組結(jié)構(gòu)，但重建二倍體哺乳動物細胞的3D基因組結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn)。研究人員新開發(fā)單細胞染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（Dip-C）成功重建單個二倍體人類細胞的3D基因組結(jié)構(gòu)。研究還表明3D基因組結(jié)構(gòu)取決于來源的組織，對各種組織中細胞類型的系統(tǒng)調(diào)查有可能促使細胞分化、癌癥、學習記憶以及衰老等領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。

    至于這項技術(shù)優(yōu)勢在哪里以及有哪些應(yīng)用？這項研究的第一作者譚隆志博士介紹：“Dip-C 技術(shù)的優(yōu)勢主要有兩點。首先它的分辨率高，超過了普通光學顯微鏡，可以研究基因的精細結(jié)構(gòu)，比方說我們觀察了H19/IGF2 這個經(jīng)典的印跡位點。更重要的是，利用父母基因組之間僅0.1％的細微差異，我們得以區(qū)分這兩套染色體，首次獲得了雙倍體細胞的三維結(jié)構(gòu)。以往的技術(shù)只能研究單倍體，因此只能研究一種特殊的小鼠單倍體細胞系，對正常細胞、尤其是人類細胞無能為力。所以 Dip-C 特別適合研究各種人類組織，比如說我們?nèi)砗痛竽X里的各種神經(jīng)元、免疫細胞、上皮細胞等，為我們建高分辨率人類細胞圖譜提供了絕佳工具。另外很多疾病，尤其是癌癥，會伴有明顯的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和表觀基因組異常。醫(yī)學上癌癥里很重要的指標之一，就是細胞核的大小和形態(tài)，所以 Dip-C 也非常適合研究這些疾病?！?/p>

    （馮 梟，作者系中山大學碩士研究生）