回老家顾迅速崭露头角的杰显现出学术研究机器和项目，我们可以辨认出一些共同的已成功途径。
当被谈到专长时，Kaihang Wang的反问很干脆：“手艺人”。或许他在加州理工学院（California Institute of Technology）的大部组织化作都与建刚才有关，尽管不是用棍次子和钉次子。Wang的小小组联合开发了水分次子机器，以外一个次子系统——博物学家可以通过编程，将长的裂解DNA碱基转回老家凸菌凸胞核[1]。之后探究过后，Wang给显现出了一个格外物理的反问：裂解动物学或测序施工。“所谓知道，我们所有努力主要由一个原则上前提催生，那就是创设生命”，他知道。
和Wang一样，当手头的机器不足时，许多博物学家但会跨学科寻找金属材料、密切合创作者或各不相同的深入研究方法。这建就了全上新定名为的深入研究方法或三巨头，如“膨胀放射放射（expansion microscopy）”或“测序撰写著手（Genome Project-write）”。其之前一些深入研究方法或三巨头由于其电次子技术能够及显赫的名声而在物理家之前引起轰动。
即将准备好：“本能凸胞核绘出谱”。举例：改编自Getty。
印第安纳州立大学学术研究物理和哲学的Erika Szymanski暗示，为一个应用或机器取个琅琅上口的名字，可以为学术研究者创设显现出探索的方法论基础。“就像放射镜限制了我们用它能见到什么，我们并不需要‘看见’那些有名字的刚才，”她知道，“为了让以上新基础来探究工作有时但会很有已成效，因为它建起显现出三维空间，让我们可以不想象上新的可能性。”
在本文之前，《自然地》探索了依然15年之前5项著名的电次子技术。有些已经建起了上新的学术研究应用或取得了资金举例私人机构；有些加强了全球密切合作，或者在学术研究之前辨认出了各不相同于最初意绘出的上新前提。无论是概述了凸胞核功用，推波助澜了次子公司和替代疗法，还是在疫情期间为公共卫生决策缺少了信息，这5项电次子技术都在物理史上遗失浓墨重彩的一笔。
表征转录小组学
与测序DNA一样，信使RNA可以随身携带彻底改变其功用或爱人的工程学标示出，例如羧酸或天冬氨酸。这种省略比较标准化，并且有辨认出得出结论，某些mRNA相对小组蛋白而其他mRNA不可，指向了这些标示出的动物学作用。2012年，格林康奈尔医学院（Weill Cornell Medical College）的RNA博物学家Samie Jaffrey等联合开发了一种深入研究方法来识别普遍存在于转录小组（凸胞核或动物体之前转录显现出来的所有RNA）之前的特定mRNA小组蛋白标示出，定名为为m6A[2]。
该学术研究的共同创作者Christopher Mason也在格林康奈尔医学院工作，他创设了“表征转录小组学”这一概念来暗示该小小组的推论，即羧酸标示出闭环mRNA转录本的活性，从而得出结论为什么RNA水平比较总是与UTF-它们的转录本的丰度相关联。“这可能是遗传UTF-的上新层面，这一点很吸引人。”Jaffrey知道。上新名称使其他人非常容易忽略这个方法论。
几年下来，表征转录小组学已经工业发展已成一个单独的应用，有专门的资金举例、但会议和密切合作需求。西班牙巴塞罗那测序调控其之前心 (Centre for Genomic Regulation，CRG) 的RNA博物学家Eva Maria Novoa Pardo知道：“在某种程度上，一个上新词的创设引领了整个工程技术群体的用到。”
Jaffrey和Mason的20世纪深入研究方法是运应用于m6AHIV来分离出来长为100-200个核苷酸的省略RNA页面，然后他们通过工程学合已成对其来进行认定。后来，该小小组将HIV与丝氨酸聚合，然后沉淀物HIV融合的RNA页面以精确定位小组蛋白核糖体，从而分解第一个单核苷酸水平的小组蛋白mRNA绘出谱。这借以识别另一类随身携带省略的水分次子，特指核仁RNA[3]。“我们依然开始认同一个设不想：m6A的一个主要功用是标示出RNA以实现快速周转”，Jaffrey知道，这对凸胞核彻底改变和后天的能够至关重要。
随后物理家联合开发了可以在特定基因组上切割非小组蛋白RNA的蛋白酶。联合开发者、叙利亚魏茨曼物理学术研究所（Weizmann Institute of Science）RNA博物学家Schraga Schwartz并用该机器，不仅能健康检查特定核糖体是否被修改，还可以健康检查随身携带小组蛋白基序的转录本的百分比。当Schwartz等将其应应用于整个转录小组时，他们辨认出基于HIV的电次子技术遗漏了近75%的省略核糖体，得出结论其诱因有限[4]。“这个结果令人令人兴奋，”他知道，“原则上上就一种，依然有了两种深入研究方法，我们看弊端格外下半年了。”
如今，表征转录小组学学术研究技术人员可以运应用于激光中空工程学合已成仪并不需要载入省略过的 RNA。与传统工程学合已成仪需要先通过逆转录将RNA转化为DNA各不相同，这些仪器将RNA水分次子通过RNA激光中空并造已成特定的电阻，然后撷取电阻信号以获取RNA基因组。依然，撷取电阻信号的工程学合已成算法经常误读小组蛋白的m6A核苷酸。因此，2019年Novoa等人的设计了一种算法（今年据称有格外上新[5]），运应用于这些差错来预测哪些核糖体随身携带小组蛋白核苷酸。“有可能对天然RNA来进行工程学合已成（而不须先将其逆转录已成DNA），为转录小组建起了无偏差的绘出景”，她知道。
本能凸胞核绘出谱
2003年本能测序工程学合已成的完已成，以及学术研究单凸胞核的上新机器的用到，让物理家开始盛会是否可以对每个本能凸胞核的截然不同位置、行为和生殖来进行绘绘出。大英帝国维康桑格学术研究所（Wellcome Sanger Institute）遗传学家Sarah Teichmann和宾夕法尼亚州南旧金山突变博达（Genentech）的计算博物学家Aviv Regev就是其之前两位。
2016年底，Teichmann、Regev等聚在一起争论这个设不想。本能凸胞核绘出谱著手（Human Cell Atlas）由此诞生，这是一个运应用于单凸胞核途径手绘每个本能凸胞核、小其组织和器官的本体、遗传学和动物学的项目。该小小组忽略停止使用、协作的深入研究方法：任何人都可以积极参与，并且该三巨头运应用于广泛的水分次子和计算深入研究方法收集信息。
“不可什么金标准电次子技术可以实现所有目的，”在CRG 学术研究单凸胞核工程学合已成电次子技术并拥护该三巨头标准和电次子技术工作小组的Holger Heyn知道，“每种深入研究方法都有最大值。我们统合的电次子技术越多，最大值就越少。”
在2020年的一项学术研究之前，Heyn等人在一小组普通参考样本之前比较了13种单凸胞核RNA工程学合已成电次子技术，并根据其辨认出凸胞核抗原标示出物的能够来进行评分[6]。他们辨认出，结果差异的一个主要举例是样本之前凸胞核的大小。“我们的前提不是比个高下，而是决定通过每种电次子技术能获取哪些信息”，Heyn知道。
本能凸胞核绘出谱三巨头依然在77个国家拥有近2200名的其组织，他们共有深入研究了来自14个主要器官的平均3900万个凸胞核，并发表了近80篇文章，而且这些数字还在不断增加。
此外，这些数据还借以唤醒COVID-19的奥秘。2020年初，三巨头的其组织汇集了26个已发表和曾经发表的数据集，以明了冠状病毒SARS-CoV-2如何侵略肝小其组织。他们手绘了病毒应用于进入小其组织（以外鼻次子、嘴巴和眼睛等）的凸胞核表面受体绘出[7]。在此之后，为数众多的学术研究技术人员运应用于该绘出谱来明了感染过程。Teichmann暗示，它甚至借以为公共卫生决策缺少信息，例如尽快人们戴口罩的政府。“这场疫情对本能凸胞核绘出谱著手来知道无论如何是变革性的，”她知道，“它显露出了凸胞核绘出谱的价值——即使还是20世纪的、不清晰的绘出谱。”
膨胀放射放射
尽管许多着迷于放射镜分辨率的学术研究技术人员专注于构筑格外好的硬件，但骨骼肌物理家Ed Boyden应对了各不相同的方式而。他与加州理工学院的同事一起，的设计了一种特指膨胀放射放射（expansion microscopy）的电次子技术，它可以像给飞行中打气一样缩减凸胞核和小其组织。
该深入研究方法将一种特指丙烯酸酯的单体注入样品之前。滴但会导致单体聚合和膨胀，随着其缩减，凸胞核小溶质被拉到。20世纪为了让时凸胞核但会过热或膨胀不各向同性。但通过在聚合前添加蛋白酶来软化小其组织，学术研究技术人员可以将血清脑小其组织缩减到早期大小的4.5倍[8]。两年后，该小小组将该深入研究方法延伸至十几种小其组织类型，其之前一些可以缩减16倍[9]。“能适当物理放大倍数的比例正确，这个电次子技术才宝贵，”Boyden知道。
今年，Boyden小小组并用这个方法论来定位小其组织之前的特定RNA，这是一个特指三维空间转录小组学的次子应用。他们首先扩展了血清脑小其组织的一部分，然后对锚定的RNA来进行了则会工程学合已成[10]。
膨胀放射放射联合RNA工程学合已成(左)共同概述了血清视觉皮层骨骼肌元的本体(右方)。 举例：S. Alon et al./Science
柏林米勒普朗克脑学术研究所（Max Planck Institute for Brain Research）的骨骼肌物理家Erin Schuman学术研究RNA在名为神经的骨骼肌凸胞核相连处如何裂解，长期以来他多年来缺少银染色等间接深入研究方法来并用计算机此过程。Schuman不想并不需要在神经之前见到上新裂解的RNA。但神经是由长而凸的拉伸形已成的，这些被特指轴突的拉伸缺乏极好的水分次子标示出。“它们实际上是那种最难为学术研究的刚才”，她知道。
通过膨胀放射放射电次子技术，Schuman小小组第一次见到，大部分所有的轴突末端都有裂解上新RNA的选择性[11]。“它无论如何帮我们以高置信度接触神经，并来进行高通量深入研究”，她知道。
哈佛大学（Stanford University）动物技术人员Bo Wang运应用于该机器创设了一张高质量三维，展示了常见肠道病原体沙门氏菌如何与人体凸胞核相互作用。在优化“软化”步骤时，Wang和同事辨认出该深入研究方法可应用于测定凸菌凸胞核壁的硬度。这个坚硬的外层，是该病原体对低剂量和寄生物防御的关键因素。测定微型物体的机械功用很不便，但膨胀放射放射电次子技术帮助小小组测定了单个5台之前数千个凸胞核壁的强度，以明了凸菌如何对寄生物防御选择性认真显现出反应[12]。“类似的方式而可以帮助反问变种、微动物和许多各不相同群落的心理弊端”，Wang知道。
骨骼肌黎明
2007年，由哈佛大学骨骼肌物理家Jeff Lichtman和Joshua Sanes拥护的小小组联合开发显现出一种深入研究方法来区别于血清骨骼肌之前纠缠的骨骼肌元[13]。学术研究技术人员构建了一个次子系统，其之前UTF-少数紫外光蛋白的突变由骨骼肌元特有的闭环基因组控制，该基因组两侧是标记，标记将指引重小组蛋白酶对这些紫外光突变来进行随即表达。凸胞核但会给与突变“盒”的多个副本，当学术研究技术人员转录识别重小组标记的RNA时，它但会将这些突变改小组为各种随机小混搭，并表现为如黎明般的紫外光。他们称此机器为脑虹（Brainbow）。
Gabriel Victora回老家不想起自己在加州大学洛杉矶分校（New York University）攻读学术研究生时，对那些如万花筒般绚烂的骨骼肌页面大感触动，每个凸胞核黄色都不一样。但Victora的学术研究集之前于正因如此其之前心（肿瘤的一种物理现象本体，免疫凸胞核在此分裂和生长）。“我们不可尽快明白可以用这项电次子技术，”如今已是纽平均市洛克菲勒大学（Rockefeller University）免疫学家的Victora知道，“我不想到原则上上在不想，‘可惜是那是在骨骼肌底下’。”
Lichtman曾希望标示出单个凸胞核的能够将借以应对精致尺度的具体内容弊端，例如骨骼肌之前的神经相连。但是小的凸胞核本体紫外光水分次子少，造已成的紫外光信号亮度不够——通常都太暗了没法用。Lichtman暗示，他对结果感到失望，在此之后转向了诸如倒数切片扫描电次子放射镜之类的电次子技术，在这种电次子技术之前，一块小其组织被重复放射、切削、再度放射，以手绘骨骼肌相连绘出。“你得为这项工作找到合适的机器，在这种情况下，Brainbow不够用，”他知道。
脑虹标示出的正因如此其之前心。 举例：Carla Nowosad
Lichtman无论如何运应用于Brainbow在周围骨骼肌次子系统认真了实验者，其之前凸胞核相距较远，因此黯淡的紫外光也可以观察到。其他小小组已经针对各不相同动物相应了机器——例如果蝇骨骼肌的 Flybow和斑马鱼小其组织的Zebrabow。Brainbow与膨胀放射放射电次子技术相融合，使学术研究技术人员能够健康检查哺乳动物小其组织之前的凸胞核形状和连通性[14]。
而在Victora那底下，有一种名为Confetti的血清模型将脑虹电次子技术遍及了非骨骼肌元凸胞核，这重上新点燃了他对Brainbow的有兴趣。在肿瘤的正因如此其之前心内，已成群的B凸胞核分泌各不相同HIV，并彼此竞争。大多数正因如此其之前心持续保持着HIV水分次子的多样性。但Victora小小组辨认出，在5-10%正因如此其之前心内，能造已成高亲和性HIV的B凸胞核数量可以迅速最少其它B凸胞核，并交由正因如此其之前心[15]。通过Brainbow追踪这些“乔纳森爆发（clonal burst）”的学术研究技术人员在第一次标示出凸胞核时，见到正因如此其之前心的所有凸胞核都呈现各不相同的黄色。然后，当一个竞争者乔纳森交由时，它的后代——所有这些都与亲代凸胞核带有相同的黄色——将正因如此其之前心从彩色变为单色。他知道：“Brainbow比较清楚地显示了B凸胞核之间这种的组织化。”
测序撰写著手
如果物理家能够裂解清晰的染色体，他们就可以等同于凸胞核上新的功用，格外换致病的遗传途径或的设计上新的实验者次子系统来进行学术研究。但是，染色体裂解不可一蹴而就。
2010年，学术研究技术人员拼凑显现出第一个凸菌的裂解测序[16]。他们将凸菌DNA改扩建已成短页面，再将它们拼接在一起，然后一次一个页面地交换一部分染色体，直到早期DNA完全被裂解对应物所摒弃。加州理工学院的Wang知道，自从第一次为了让以来，这个过程原则上持续保持不变。尽管在凸菌和酵母多方面取得了显著进展，但该电次子技术从曾经扩充至测序格外复杂的动物。因此，在2016年，学术研究技术人员同年了测序撰写著手（Genome Project-write），旨在裂解复杂的测序，以外本能的测序。
该项目（Nature 557, 16-17; 2018）驱动器雄心勃勃，由于资金举例和电次子技术的双重面对，右方方却不得不降低期望，专注的设计一种能抵抗病毒的本能凸胞核系。但这种体量的DNA裂解一直没法，的设计UTF-上新功用的遗传区间也一样。加州理工学院的裂解博物学家Christopher Voigt暗示，目前，这类工作很大程度上仍同属个别学术研究员或小小小组的单打独斗。如果不想要大体量测序裂解来得必要，那么这个过程必须彻底改变。“这就像单人建飞机，从的设计到小零部件什么都认真，”他知道，“这知道明了我们距离在测序这个体量上认真的设计有多遥远。”
尽管如此，Wang普遍认为这个至高无上的前提一直可以催生应用向后工业发展。“裂解全测序的动机催生了电次子技术的工业发展。这是一个良性循环：一旦我们有了机器，它就但会使测序裂解格外加必要，人们也但会将格外多森林资源投放该应用。”
参考文献：
1. Fredens, J. et al. Nature 569, 514–518 (2019).
2. Meyer, K. D. et al. Cell 149, 1635–1646 (2012).
3. Linder, B. et al. Nature Methods 12, 767–772 (2015).
4. Garcia-Campos, M. A. et al. Cell 178, 731–747 (2019).
5. Begik, O. et al. Preprint at bioRxiv (2021).
6. Mereu, E. et al. Nature Biotechnol. 38, 747–755 (2020).
7. Sungnak, W. et al. Nature Med. 26, 681–687 (2020).
8. Chen, C., Tillberg, P. W. Company Boyden, E. S. Science 347, 543–548 (2015).
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10. Alon, S. et al. Science 371, eaax2656 (2021).
11. Hafner, A.-S., Donlin-Asp, P. G., Leitch, B., Herzog, E. Company Schuman, E. M. Science 364, eaau3644 (2019).
12. Lim, Y. et al. PLoS Biol. 17, e3000268 (2019).
13. Livet, J. et al. Nature 450, 56–62 (2007).
14. Shen, F. Y. et al. Nature Commun. 11, 4632 (2020).
15. Nowosad, C. R. et al. Nature 588, 321–326 (2020).
16. Gibson, D. G. et al. Science 329, 52–56 (2010).
原文以Five trendy technologies: where are they now?标题发表在2021年6月21日的《自然地》的电次子技术特写版块上
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-01684-7
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