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科學(xué)美國(guó)人：2014年十大科技成就  一、基因精靈 ——基于細(xì)菌“記憶”的DNA編輯技術(shù)可能顛覆醫(yī)學(xué)界，但也有“失控”隱憂 上世紀(jì)70年代，基因工程勃興。生產(chǎn)胰島素的博野基因技術(shù)公司，對(duì)大腸桿菌基因進(jìn)行修改，使之變成了一個(gè)人工合成基因。在實(shí)驗(yàn)室，研究人員使用轉(zhuǎn)基因老鼠來研究疾病。但早期的方法有兩大局限——不精確和難以規(guī)模化。 到了上世紀(jì)90年代，研究人員克服了第一個(gè)局限，他們可以剪切DNA特殊位置的蛋白質(zhì)，這對(duì)隨機(jī)在細(xì)胞中插入DNA并希望產(chǎn)生有用的突變來說，是個(gè)巨大的進(jìn)步。然而，他們還得為每個(gè)目標(biāo)DNA序列設(shè)計(jì)并定制一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，這個(gè)工作是個(gè)消耗時(shí)間且十分艱巨的工作。 此后兩年，一群來自瑞典和加州的大學(xué)研究人員在細(xì)胞的遺傳機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家可以用前所未有的速度編輯基因組。不久，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)證明，該技術(shù)可以用于進(jìn)行多個(gè)細(xì)胞基因修改。 已經(jīng)加速了的基因修改技術(shù)，對(duì)遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻和有益的影響。科學(xué)家可以在幾個(gè)星期內(nèi)改實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物基因，此前這工作需要一年完成。其他研究人員用該技術(shù)探討治療艾滋病、老年癡呆癥和精神分裂癥等疾病。然而，該技術(shù)使基因改造如此容易和便宜，一些倫理學(xué)家預(yù)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生很多負(fù)面影響。 這個(gè)技術(shù)叫做CRISPR，日本研究人員在上世紀(jì)80年代后期研究這個(gè)技術(shù)。該技術(shù)作為基因編輯工具獲得成功的跡象并沒有顯現(xiàn)，直到竇德娜和夏邦吉埃的團(tuán)隊(duì)找到解決方案——利用一個(gè)叫做Cas9的蛋白質(zhì)。 兩位科學(xué)家2011年在波多黎各的一次科學(xué)會(huì)議上碰面。他們有很多相似之處，他們的團(tuán)隊(duì)都在研究細(xì)菌如何防御病毒，所做工作都確認(rèn)了細(xì)菌能夠用對(duì)過去侵入者的DNA產(chǎn)生的“記憶”來防止再次被病毒攻擊的機(jī)制。 會(huì)后不久，兩位科學(xué)家決定“會(huì)師”，夏邦吉埃實(shí)驗(yàn)室尋找鏈球菌屬細(xì)菌所使用單個(gè)蛋白質(zhì)Cas9來切碎穿透細(xì)胞壁的病毒的證據(jù)，而竇德娜則讓伯克利實(shí)驗(yàn)室投入尋找Cas9工作的機(jī)制。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室都意識(shí)到Cas9可能對(duì)基因編輯有幫助，基因編輯是用酶作為分子剪刀的基因工程，能夠在DNA雙螺旋的特殊位置找到突破口，之后細(xì)胞可以修復(fù)這個(gè)突破口，有時(shí)合并科學(xué)家放置在細(xì)胞核中的新的基因材料。 當(dāng)兩位科學(xué)家開始合作，最先進(jìn)改變基因的技術(shù)是自定義一種可以找到并剪切所需DNA目標(biāo)的酶。換句話說，每一個(gè)基因修改，科學(xué)家必須專門制作一個(gè)新的蛋白質(zhì)。 但他們倆意識(shí)到，Cas9作為用在免疫系統(tǒng)中的鏈球菌屬酶，能雇傭RNA來將之導(dǎo)向到目標(biāo)DNA。Cas9-RNA結(jié)合體可以用彈開DNA的方法探測(cè)目的地，看起來很隨機(jī)，直到找到最有希望的位置為止。 這種彈跳是Cas9酶每次在搜索同樣的DNA序列的“信號(hào)”，Cas9會(huì)在RNA和DNA分子相匹配的時(shí)候?qū)嵤凹舨谩保蚓庉嬘锌赡苡纱俗兊酶?jiǎn)單、更便宜、更高效。 經(jīng)過幾個(gè)月的合作之后，這個(gè)團(tuán)隊(duì)取得重大突破。有一天兩人會(huì)面討論一個(gè)想法，他們認(rèn)為在鏈球菌屬細(xì)菌中，Cas9使用了兩個(gè)RNA引導(dǎo)其到侵略者DNA的正確位置。但如何能簡(jiǎn)化這兩個(gè)使者，而不損害其作為單獨(dú)使者時(shí)具有的有效性？ 他們最終實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，當(dāng)2012年8月17日該成果發(fā)表出來的時(shí)候，全世界該領(lǐng)域的科學(xué)家立刻意識(shí)到其巨大的革命性潛力。 去年，研究人員將CRISPR·Cas9用在比細(xì)菌更復(fù)雜的植物和動(dòng)物細(xì)胞上，在哈佛大學(xué)，遺傳學(xué)家喬治·丘奇用CRISPR技術(shù)改變了人類細(xì)胞的基因，為治療疾病帶來全新的可能性。 不足為奇的是，大量資金涌入這項(xiàng)工作。艾迪塔維爾醫(yī)藥公司以4300萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資來發(fā)展一個(gè)基于CRISPR的新藥。今年4月，在巴塞爾和倫敦投資2500萬美元的CRISPR治療公司也在瞄準(zhǔn)類似目標(biāo)。為實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)用品的公司則已經(jīng)轉(zhuǎn)型成為為全球用途提供用CRISPR技術(shù)改造或定制的小鼠、大鼠和兔子了。 如果客戶需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)用小鼠來研究帕金森疾病與新的可疑基因或特殊突變之間的關(guān)系，他會(huì)有好幾種選擇。從事CRISPR技術(shù)的科學(xué)家可以將目標(biāo)基因關(guān)閉來采用一個(gè)突變，或者關(guān)閉這個(gè)基因然后在這個(gè)位置插入人類基因。與此前的基因編輯技術(shù)不同，CRISPR技術(shù)使得研究人員能快速地對(duì)細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行多個(gè)基因修改。 在投入商用之前，研究人員和企業(yè)家對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用抱有很多美好的期待。比如，可以在懷孕早期調(diào)整可能出現(xiàn)的唐氏綜合癥異常染色體，或者把滅絕了的生物重新“喚醒”。 有人覺得這很可怕，這一點(diǎn)也不奇怪。7月份，哈佛團(tuán)隊(duì)發(fā)表的用CRISPR技術(shù)消除蚊子的論文引發(fā)了強(qiáng)烈討論。伯克利創(chuàng)新基因計(jì)劃組里，竇德娜專門召集了一個(gè)小組，研究CRISPR技術(shù)應(yīng)用的倫理問題。 6月份，麻省理工學(xué)院的研究人員報(bào)告說，用CRISPR技術(shù)治愈了成年小鼠的酪蛋白血癥，這是一種罕見肝臟疾病。 8月份，斯坦普大學(xué)的病毒學(xué)家卡邁勒·哈利利和他的同事使用CRISPR技術(shù)，從幾個(gè)人類細(xì)胞中切除了導(dǎo)致艾滋病的HIV病毒，被感染的細(xì)胞轉(zhuǎn)換成了未感染的細(xì)胞，且未受感染的細(xì)胞液受到了CRISPR的保護(hù)，“你可以稱它為基因疫苗。”哈利利說，“如果兩年前你問我，能否精確地從人類細(xì)胞中切除HIV病毒？我會(huì)說這是一個(gè)艱巨的任務(wù)，但是現(xiàn)在，我們做到了。” 二、可重新編輯的細(xì)胞 ——通過擠壓來控制它們 如果能按照我們的“命令”來制造細(xì)胞，它們可能制造胰島素、攻克腫瘤或者做其他有助于人類的事情。但是“劫持”一個(gè)細(xì)胞并不那么容易。目前的方法是用病毒穿透細(xì)胞壁，但同時(shí)帶來永久性的傷害。 2009年，來自美國(guó)麻省理工大學(xué)的研究人員“偶然”解決了這個(gè)難題。研究人員本來正在研究用微型腹腔鏡水槍將大分子和納米材料注入分子的方法。簡(jiǎn)單來說，他們正在嘗試將一種可能在保持細(xì)胞生命的同時(shí)改變細(xì)胞行為的東西放置到細(xì)胞內(nèi)部。 化學(xué)工程師阿爾曼·沙瑞注意到，一些被上述方法操作過的細(xì)胞，在變形的瞬間，外部材料得以進(jìn)到細(xì)胞內(nèi)部。“如果讓細(xì)胞足夠快地變形，就可以打破細(xì)胞膜的屏障。”沙瑞說，水槍就顯得太粗暴了，他們需要一種更“溫柔”的細(xì)胞擠壓方法。 沙瑞在兩個(gè)人領(lǐng)導(dǎo)下工作，一個(gè)是微注射領(lǐng)域開創(chuàng)者克萊維斯F.詹森，另一個(gè)是生物技術(shù)先驅(qū)、發(fā)明能讓細(xì)胞流過在硅玻璃芯片腐蝕的通道的羅伯特S.朗格。通道逐漸變得狹窄，越來越小，直到比細(xì)胞間距離還要狹窄。這樣就能獲得“擠壓”了的細(xì)胞，從而迫使它們通過通道。 在這個(gè)過程中，臨時(shí)的“孔洞”在細(xì)胞膜上生成了。“孔洞”雖然非常微小，但對(duì)于能改變細(xì)胞行為的蛋白質(zhì)、核酸和碳納米管來說，已經(jīng)足夠大了。這個(gè)技術(shù)甚至能用在干細(xì)胞和免疫細(xì)胞上，這兩種細(xì)胞對(duì)此前的方法非常敏感。 “這種方法可以應(yīng)用到很多種細(xì)胞上，這簡(jiǎn)直讓我們大吃一驚。”沙瑞說。自從第一次發(fā)現(xiàn)以來，小組已經(jīng)開發(fā)出16種針對(duì)不同細(xì)胞設(shè)計(jì)的通道陣列芯片。更多的芯片還會(huì)源源不斷地被設(shè)計(jì)出來，而且這種設(shè)備可以在同一秒內(nèi)處理50萬個(gè)細(xì)胞，越來越快、越來越高效。 課題組還成立了一個(gè)商業(yè)化此項(xiàng)技術(shù)的公司——SQZ生物技術(shù)，法國(guó)、德國(guó)、荷蘭和英國(guó)的科學(xué)家將會(huì)很快使用到他們的產(chǎn)品。 三、透明的生物 ——一項(xiàng)對(duì)身體世界頗有啟發(fā)的方法能加速生物醫(yī)藥研究 五年前，薇薇安納·格雷丁納魯正在一個(gè)神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室將老鼠大腦切成薄片，并為了用計(jì)算機(jī)渲染成3D效果圖慢慢將這些二維碎片的圖像拼接起來。業(yè)余時(shí)間，她會(huì)去看看身體世界的展覽。她對(duì)展覽上“塑化”的人類循環(huán)系統(tǒng)特別著迷。她突然想到，她在實(shí)驗(yàn)室里做的大部分事情都可以用同樣的方法更有效地完成。 “組織清除”已經(jīng)開展了一個(gè)多世紀(jì)，但是現(xiàn)有的方法包括將組織樣本浸泡在溶液中的做法，不僅效果很緩慢，還通常會(huì)對(duì)標(biāo)記細(xì)胞的熒光蛋白造成破壞。 為了創(chuàng)造一個(gè)更好的方法，當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的格雷丁納魯和同事專注于替換那些讓組織看起來不透明的脂肪分子。為了保持這些組織被破壞，替換的材料必須與脂肪分子的結(jié)構(gòu)很相近。 第一步是讓老鼠安樂死后，通過心臟將甲醛泵到其體內(nèi)；接下來去除皮膚層并在老鼠血管中注入丙烯酰胺單體、白色、無味結(jié)晶化合物單體創(chuàng)建一個(gè)支持性水凝膠網(wǎng)格，取代了脂質(zhì)，清理了組織。不久，他們就能在兩周之內(nèi)獲得一個(gè)通體透明的老鼠身體標(biāo)本。 此后，他們用透明老鼠繪制了完整的神經(jīng)系統(tǒng)圖。透明體讓識(shí)別周邊神經(jīng)尤其是極其微小的神經(jīng)束成為可能，他們還對(duì)注入老鼠尾巴的病毒進(jìn)行熒光標(biāo)記，進(jìn)而繪制出了到達(dá)老鼠大腦跨越血腦屏障的病毒擴(kuò)散圖。“相對(duì)于一片一片標(biāo)本地尋找，這簡(jiǎn)直就是看見了全部。”格雷丁納魯說。 這個(gè)過程減少了人類犯錯(cuò)的機(jī)會(huì)，讓實(shí)驗(yàn)室工作進(jìn)展迅速，產(chǎn)生更豐富的數(shù)據(jù)，還能減少對(duì)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物的需求量。格雷丁納魯將這種凝膠解決方案提供給了需要它的每個(gè)實(shí)驗(yàn)室。她的下一步是用這個(gè)技術(shù)尋找、繪制并深入了解癌細(xì)胞和干細(xì)胞。 四、唾液燃料電池 ——唾液可能成為醫(yī)療設(shè)備的可再生能源來源 阿拉伯國(guó)王科技大學(xué)電子工程學(xué)教授穆罕默德·穆塔法·侯賽因，為制造超微裝置貢獻(xiàn)了幾乎他所有的時(shí)間。2010年，他著手開發(fā)一個(gè)豐富的可再生能源電源，可用于從極遠(yuǎn)的地方凈化水或診斷疾病的機(jī)器，他不可避免地從“小”入手。比如說，微小的微生物燃料電池可能是個(gè)自然的起點(diǎn)。但用唾液為燃料電池供能卻并非自然而然的選擇。 這個(gè)利用唾液的點(diǎn)子來自侯賽因的同事賈斯汀E·閔科，當(dāng)時(shí)是他辦公室的博士候選人。那時(shí)候，閔科正在嘗試制造一種血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備，它需要電源足夠小，能到達(dá)糖尿病患者體內(nèi)胰腺附近。微生物燃料電池通過給細(xì)菌喂食有機(jī)物（唾液中含有很多）來產(chǎn)生電荷進(jìn)而變成電能的，這個(gè)方案自然成為閔科研究項(xiàng)目的備選。 他們兩個(gè)人用了一種高超導(dǎo)電極，裝滿了吃唾液的細(xì)菌，在幾個(gè)星期之內(nèi)他們就產(chǎn)生了近一個(gè)微瓦特（百萬分之一瓦特）的電。 1微瓦是非常非常小的電量，但是足夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室芯片、糖尿病工具和血糖監(jiān)測(cè)工具供電了。侯賽因正在與能3D打印人造器官的公司合作，將他的燃料電池植入到人造肝臟中去，那里也有大量的體液可提供燃料。他說，這只是長(zhǎng)期規(guī)劃的簡(jiǎn)單起步，他的目標(biāo)是在貧窮國(guó)家用發(fā)電廠有機(jī)廢物生產(chǎn)供海水淡化裝置使用的電能。 五、 視覺矯正屏幕 ——自動(dòng)適應(yīng)使用者視力的智能手機(jī)和iPads屏幕 在美國(guó)，40%四十歲以上的人需要在閱讀時(shí)帶上眼鏡，而在80歲以上的人群中的比例更是高達(dá)70%。“當(dāng)我們?cè)絹碓嚼希忮e(cuò)誤會(huì)在我們的生命中扮演越來越重要的作用。”斯坦福大學(xué)電子工程系助理教授高登·維茨斯坦說。 但是眼鏡和隱形眼鏡并不總是很理想。比如說，如果你是遠(yuǎn)視眼，你不需要在開車的時(shí)候戴眼鏡也能看清楚交通狀況，但是你確實(shí)在讀取轉(zhuǎn)速表或者GPS導(dǎo)航的時(shí)候需要戴眼鏡。維茨斯坦說，在這種狀況下的最佳解決方案，莫過于有一個(gè)專門為你“戴”上眼鏡的視覺調(diào)節(jié)屏幕。 維茨斯坦和他在麻省理工大學(xué)和加利福尼亞伯克利大學(xué)的同事發(fā)明了這樣一種屏幕。視覺調(diào)節(jié)演示屏對(duì)標(biāo)準(zhǔn)高分辨率智能手機(jī)或平板電腦有兩個(gè)調(diào)整方案。第一個(gè)是將低成本的、布滿針孔的透明膠片覆蓋在屏幕上，另一個(gè)是將算法編進(jìn)智能手機(jī)或平板電腦中，它能測(cè)定使用者與屏幕的相對(duì)位置，根據(jù)使用者的指示，扭曲被投影的圖像。 隨著畸變圖像在透明的屏幕膠片穿過針孔矩陣，硬件和軟件同時(shí)作用在屏幕上產(chǎn)生能夠針對(duì)眼睛誤差作出的調(diào)整，輸出一種看起來易碎的圖片。這種屏幕能矯正近視、遠(yuǎn)視、散光和更復(fù)雜的視力問題。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在八月份溫哥華舉辦的國(guó)際圖形圖像學(xué)術(shù)大會(huì)上提前發(fā)布了他們的工作成果。 對(duì)少數(shù)用戶的非正式測(cè)試表明該技術(shù)很成功，維茨斯坦說，但是未來還需要大范圍的研究來進(jìn)一步改進(jìn)它。在這個(gè)過程中，研究人員還計(jì)劃開發(fā)一種切片，能用于手動(dòng)調(diào)整屏幕的焦距。維茨斯坦說，這個(gè)技術(shù)可能對(duì)發(fā)展中國(guó)家的人們是個(gè)福利，相較于處方眼鏡，他們對(duì)手機(jī)設(shè)備的獲得更容易。 六、原子尺度的樂高積木 ——堆疊1個(gè)原子厚的材料能創(chuàng)造出全新屬性物質(zhì)，開創(chuàng)無限可能 |
