《自然》：2023年有望改进科学研究方式的七大技术

韦布空间望远镜的6.5米主镜可探测数十亿光年外的物体。图片来源：《自然》杂志网站

研究人员可在实验室制作出类似天然胚胎的合成胚胎。图片来源：《自然》杂志网站

从单分子蛋白质测序到体电子显微镜，英国《自然》杂志网站在近日的报道中，列出了有可能在2023年改进科学研究方式的七大技术。

单分子测序曙光初现

可对样本中的许多蛋白质进行测序的单分子技术可能即将问世。

美国得克萨斯大学正在研究一种“荧光测序”方法，美国生物技术公司“量子硅”则描述了使用荧光标记的“黏合剂”来识别蛋白质末端特定氨基酸序列的技术。

其他研究人员正在开发模仿基于纳米孔的DNA测序技术的单分子测序技术，其能根据多肽通过微小通道时引起的电流变化来分析氨基酸。以色列理工学院团队正在研究由硅基材料制造的固态纳米孔器件，其可同时对多个蛋白质分子进行高通量分析。

韦布望远镜再接再厉

詹姆斯·韦布空间望远镜是有史以来最强大的空间望远镜，专门设计用于探测红外辐射，使其能够回看到宇宙第一批恒星和星系形成的时期，它也能测量某些类系外行星的大气组成。

全球很多研究人员正翘首以待韦布望远镜的最新观测结果，英国卡迪夫大学正在利用其研究可能导致恒星和行星形成的宇宙尘埃是如何产生的。

体电子显微镜更上层楼

研究人员正在利用电子显微镜研究覆盖数立方毫米的3D组织样本。

新涌现出的“体电子显微镜”技术各有优缺点：连续块面成像技术可处理接近1立方毫米大小的样品，速度相对较快，但深度分辨率较差；聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）技术深度分辨率更高，但更适用于体积较小的样品。一组科学家使用先进的定制FIB-SEM显微镜，在保持良好空间分辨率的同时，将单个实验中可成像体积增加200倍，揭示了很多细胞完整的3D体积内的各种细胞和亚细胞结构。

CRISPR技术遍地开花

基因组编辑工具CRISPR—Cas9在基因治疗、疾病建模等领域取得了重大突破，但其应用范围仍有限，科学家正试图突破其局限性。

美国麻省总医院利用蛋白质工程技术，从细菌化脓链球菌中产生了常用Cas9酶的一种变体，这些酶现在几乎可读取整个基因组，而传统CRISPR酶只能读取基因组的1%到10%。

还有许多天然存在的Cas变体有待发现。意大利特伦托大学梳理了100多万个微生物基因组，以识别和表征多个不同的Cas9变体，这些变体可能针对98%以上的人类已知致病突变。

放射性碳测年精益求精

对考古学家来说，放射性碳是天赐之物。自上世纪40年代以来，科学家一直使用放射性碳年代测定法缩小历史事件发生日期的区间，但其精度通常为几十年。

2012年，日本名古屋大学团队发现，从公元774年开始，树木年轮的放射性碳含量激增，随后科学家发现更多此类事件。这引发了考古学的一场革命。在古代样本中发现这种短尖峰，可将其年代锁定在一年内，而非像普通放射性碳定年法那样存在几十年甚至几百年的不确定性。

考古学家正用这种方法追溯新石器时代定居点和火山爆发遗址的形成时间，未来10年内，将为这些古老文明中的许多事件追溯精确的年份。

单细胞代谢组学方兴未艾

代谢组学驱动细胞的脂质、碳水化合物和其他小分子研究，最初是表征细胞或组织群体代谢产物的方法，现正转向单细胞尺度。科学家可利用这些细胞水平的数据揭示大量看似相同细胞的复杂功能，但转型面临严峻挑战。

2021年，研究人员推出开源软件工具SpaceM。使用光学显微镜成像数据，借助标准商用质谱仪对培养细胞进行空间代谢组学分析，研究人员对数万人和小鼠细胞中的数百种代谢产物进行了分析，相当于采用标准的单细胞转录组学方法对这些细胞分门别类。

体外胚胎模型更进一步

科学家们已在细胞尺度上详细描绘了小鼠和人类从受精卵到完全形成胚胎的发育过程，但驱动这一过程早期阶段的分子机制仍不清楚，“类胚胎”模型有助于填补这些知识空白，让研究人员更清楚地揭示能决定胎儿发育成败的重要早期事件。

2022年，英国剑桥大学研究团队利用胚胎干细胞产生了小鼠胚胎。另一组团队则采取一种不同的策略：重新编程人类干细胞，以模拟人类最早的发育阶段。虽然目前并没有完全实现，但的确让这些干细胞返回到类似于八细胞人类胚胎的状态。这是一个至关重要的里程碑。

（原标题《单分子蛋白质测序曙光初现 CRISPR技术遍地开花 《自然》：2023年有望改进科研的七大技术》）