北京时间2月23日消息，日前《天然》杂志最新罗列2022年七项重要科学技能，将对科学范畴发生严重影响，其间包含：

1、完好版基因组

2019年，美国加州圣克鲁兹分校基因组学研讨员凯伦·米加（Karen Miga）和马里兰州贝塞斯达国家人类基因组研讨所研讨员亚当·菲利普（Adam Phillippy）启动了“端粒至端粒（T2T）”的联合研讨项目，当时大约全球十分之一的人类基因组仍未完成测序，但是，现在该数据已降至零。2021年5月，该联合研讨项目宣称发现第一个端粒至端粒的人类基因组序列，运用人类共识基因组序列图谱GRCh38添加了近2亿新碱基对，并为人类基因组计划写上了终究一章。

最早发布于2013年的GRCh38基因组序列图谱是一个具有价值的研讨工具，它是制造基因序列读数的“脚手架”，但它也存在许多漏洞，其主要问题在于基因序列读数虽然准确，但过于简略，无法明确制造高度重复的基因组序列，包含：掩盖染色体末端的端粒，细胞割裂期间和谐新仿制DNA割裂的着丝粒（centromeres）。

长读测序技能被证明是改动游戏规则的技能，该技能是美国太平洋生物科学公司和英国牛津纳米孔技能公司共同开发的，它能在一次性基因序列读取中，对数万至数十亿个碱基对进行排序，但至少在测序初期，并不是没有错误。时值2020年，T2T项目研讨人员重建了他们的第2、3条独自染色体——X和8，但是，太平洋生物科学公司的测序作业已取得严重进展，T2T科学家能检测到长期重复序列的细小改动，这些奇妙的“指纹”使长而重复的染色体片段变得更易处理，基因组剩下部分则很快排列起来，牛津纳米孔技能公司还捕获了许多调节基因表达的DNA润饰，一起，T2T基因测序能在基因组范围内制造“表观遗传标记”。

已测序的T2T基因组源自包含两组相同染色体的细胞株，正常的二倍体人类基因组的每个染色体有两个版本，现在研讨人员正在研讨“阶段战略”，能够自信地将每个序列分配给适宜的染色体副本。

T2T项目首席研讨员之一、纽约洛克菲勒大学遗传学家埃里希·贾维斯（Erich Jarvis）说：“咱们的方针是掌握均匀97%的人类等位基因多样性，我认为未来10年之内，咱们能将端粒至端粒基因组测序作为常规操作，一起，咱们希望运用完好的基因组安装才能供给地球每种脊椎动物的完好基因组序列。”

2、解析蛋白质结构

此前研讨人员很难衡量蛋白质结构功能，在曩昔两年时间里，科学试验和计算范畴取得的前进，为研讨人员以史无前例的速度和分辨率解析蛋白质结构。由DeepMind子公司Alphabet开发的AlphaFold2结构猜测算法根据“深度学习”战略，能推算出氨基酸序列折叠蛋白质的结构。该算法自2021年7月发布以来，已被运用于蛋白质组学，用于确定人类和20个模型生物中表达的一切蛋白质结构，以及Swiss-Prot数据库中近44万个蛋白质结构，大幅添加了高可信度建模数据的蛋白质数量。

与此一起，低温电子显微镜的技能改进使研讨人员能以试验办法处理最具挑战性的蛋白质和复合物，低温电子显微镜选用电子束扫描快速冻结的分子，生成多个方向的蛋白质图像，然后能够经过计算从头拼装成一个蛋白质3D结构。2020年，低温电子显微镜硬件和软件的改进使研讨团队能够生成分辨率小于1.5埃的水平解析蛋白质结构，捕捉到单个原子的方位。纽约结构生物学中心西蒙斯电子显微镜中心副主任布里奇特·卡拉格（Bridget Carragher）说：“此前咱们曾深入讨论‘原子分辨率’这个术语，但它仅是挨近原子，现在咱们试验证实取得原子等级清晰度解析蛋白质结构是可行的。”

还有一种相关办法，即低温电子断层扫描（cryo-ET），它能够捕捉冷冻细胞薄片中天然蛋白质特征，但运用该技能解析杂乱而拥堵的图像仍存在困难。卡拉格说：“选用机器学习世界的先进算法是必不可少的，信任未来咱们能处理扎手的科学难题。”

3、量子模拟

原子在特定条件下，能被诱导至一个高度激起状态，直径到达1微米或许更大。现在物理学家现已证实，经过对数百个原子阵列进行这种可控激起，能够处理一些具有挑战性的物理问题，完成传统计算机“极限晋级”。

量子计算机以量子位的形式办理数据，运用“量子羁绊”物理现象进行数据耦合，量子位能够在一定间隔内相互影响，这些量子位可大幅进步计算才能。现在，已有几个研讨团队成功运用单个离子作为离子位，但这些离子的电荷很难在高密度下拼装，物理学家正在探索另一种办法，其间包含法国国家科学研讨中心的安东尼·布罗维（Antoine browwaeys）和美国哈佛大学的米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin），他们运用光学镊子准确地将不带电原子定位在紧密排列的2D和3D阵列中，然后运用激光将这些粒子成为大直径的“里德堡原子（Rydberg atoms）”，使其与它们附近粒子羁绊在一起。

韩国高级科学技能研讨所物理学家jaaewook Ahn称，里德堡原子体系是独立可控的，它们的相互作用能够翻开和关闭，反之赋予了可编程性。量子模拟技能在短短几年时间里就取得了严重突破进展，技能前进进步了里德堡原子阵列的稳定性和功能，以及从几十个量子位快速扩展至几百个。据悉，量子模拟范畴的先驱者已成立了公司，正在开发试验室运用的里德堡原子阵列体系，布罗维估量这种先进量子模拟器能够在一两年内投入商业运用，但这项作业也或许为量子计算机的更广泛运用铺平道路，包含：经济学、物流和数字加密范畴等。

4、精准基因操控

虽然CRISPR–Cas9技能具有强壮的基因组修改才能，但该技能更简单基因失活，而不是到达基因修正，因为虽然针对Cas9酶的基因组序列相对准确，但细胞对该技能发生的双链切开修正却并不准确，CRISPR–Cas9修正经过一种称为“非同源端衔接”的进程进行，一般会被细小的基因刺进或许删去所混杂。

美国哈佛大学化学生物学家大卫·刘指出，大多数遗传疾病需要的是基因修正，而不是基因破坏。现在他和研讨搭档现已开发两种颇有希望的基因操控办法，第一种叫做碱基修改（base editing），将一种催化受损Cas9与一种酶结合，该酶能够协助一种核苷酸转化为另一种核苷酸，例如：胞嘧啶转化为胸腺嘧啶，腺嘌呤转化为鸟嘌呤，但现在该办法仅对特定碱基对有用；第二种叫做精准修改（Prime editing），将Cas9与逆转录酶衔接起来，并引导DNA将所需修改内容精准刺进基因组序列。经过一个多阶段的生化进程，这些成分将引导RNA仿制成DNA，终究取代方针基因组序列。重要的是，碱基修改和精准修改都仅剪切一条DNA链，这对细胞而言是一个更安全、破坏性更小的进程。

碱基修改技能首次公布于2016年，现已投入临床运用，由大卫·刘创建的Beam Therapeutics公司已获美国食品药物办理局批准，首次运用于人类镰状细胞病基因修正。相比之下，精准修改仍是一项新技能，但改进的迭代技能不断出现，该技能的运用前景也十分明确。韩国首尔延世大学医学院基因组修改专家Hyongbum Henry Kim现已证实，运用精准修改技能来纠正老鼠视网膜基因突变，可到达16%的治好率。他说：“假如咱们运用最近报导的更先进技能，医治功率将取得大幅进步，在某些情况下，假如能以10%，甚至以1%的基因进行替换，就能够治好该疾病。”

5、靶向基因医治

根据核酸的药物或许会对临床医治发生某些影响，但它们在可运用的安排方面仍受到限制，大多数医治办法要么需要局部给药，要么需要体外操作，从患者体内提取细胞，然后将其移植到患者体内。一个明显的比如是肝脏，能够过滤血液，被证明是挑选性药物运送的有用靶点，在这种情况下，静脉注射，甚至是皮下注射，均可到达该效果。

美国麻省理工学院化学工程师丹尼尔·安德森（Daniel Anderson）说：“靶向基因医治存在很大的挑战性，仅是将药物运送至人体任何安排进了困难的，咱们的身体是基因信息集合体，而不是承受新的基因信息。”现在研讨人员在开发基因医治方面正取得稳步进展，这些方案能够协助引导药物进入特定器官体系，而不影响其他非靶向安排。

近年来，腺相关病毒是许多基因医治作业的首选载体，相关动物研讨标明，理性挑选适宜的病毒，结合安排特异性基因启动子，能够完成高效、器官靶向医治。但是，相关病毒有时难以大规模出产，并潜在引起人体免疫反应，破坏效果或许发生身体不良反应。

脂质纳米颗粒供给了一种非病毒的代替办法，之前研讨人员发表的研讨陈述强调了脂质纳米颗粒具有安排特异性送递的潜力，例如：研讨人员能快速生成和挑选辨认脂质纳米颗粒，使其有用在肺等器官完成靶向医治。荷兰埃因霍温理工大学生物医学工程师罗伊·范德米尔（Roy van der Meel）称，现在首次研讨标明，假如对这些脂质纳米颗粒进行体系挑选，并且改动它们的成分，就能够改动它们在生物体中的散布。

6、空间多组学分析

单细胞组学的迅速发展意味着研讨人员能够常规地从单个细胞中取得遗传、转录、表观和蛋白质组学的见地，有时是一起获取，但是单细胞技能在将细胞从原生环境中剥离进程中，也失去了要害信息。2016年，瑞士皇家理工学院乔基姆·伦德伯格（Joakim Lundeberg）规划了一种战略克服了该问题，他和搭档运用条形码寡核苷酸（RNA或许DNA短链）制造载玻片，该载玻片能从完好的安排切片中捕获信使RNA，这样每个转录RNA能够根据条形码被分配至样本中的特定方位，他说：“无人信任咱们能从安排切片中提取全转录RNA分析，但事实证明，该战略十分简单。”

此后空间转录组学技能倍受科学家青睐，现在已有多个商业体系进行运用，包含：10x Genomics公司推出的Visium空间基因表达渠道，该渠道体系根据伦德伯格的最新技能。跟着学术团队不断开发创新的办法，将不断添加深度和空间分辨率来制造基因表达。

现在研讨人员正在空间地图范畴进一步叠加“分层组学见地”，例如：美国耶鲁大学生物医学工程师Rong Fan开发了一个名为DBiT-seq16的渠道，该渠道选用一个微流体体系，能够一起为数千个mRNA转录基因和数百个蛋白质标示寡核苷酸标签抗体。

7、根据CRISPR技能的确诊

CRISPR–Cas体系技能准确切开特定核酸序列的才能源于它作为细菌“免疫体系”对立病毒感染的作用，这种关联性激起了早期选用该技能的科学家考虑它对病毒确诊的适用性。美国麻省理工学院布罗德研讨所、哈佛大学剑桥分校遗传学家帕尔迪斯·萨贝提（Pardis Sabeti）说：“运用它们在天然界中规划的功能十分有意义，毕竟它们已演化了数十亿年。”

但并不是一切Cas酶都是一样的，Cas9是根据CRISPR的基因组操作的首选酶，但根据CRISPR的确诊的大部分作业都运用了被称为Cas13的RNA靶向分子宗族，该分子宗族是2016年由分子生物学家张峰（音译）首次发现的。美国加州大学伯克利分校詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）解说称，Cas13运用其RNA导游经过碱基对辨认RNA靶标，并激活核糖核酸酶活性，该活性经过运用陈述RNA作为确诊作业进行临床运用。据悉，她与马克斯·普朗克病原体科学研讨所艾曼纽·卡彭特（Emmanuelle Charpentier）因这项研讨发现共同取得2020年诺贝尔化学奖。这是因为Cas13不只会切开导游RNA靶向的RNA，还会对附近任何其他RNA分子进行“旁系切开”。许多根据Cas13的确诊运用陈述RNA，运用荧光标记抑制荧光的淬灭分子，当Cas13辨认病毒RNA后被激活时，它会切断陈述RNA，并从淬灭分子中释放荧光标记，发生可检测信号。有些病毒留下满足强的信号，能够在不进行扩增的情况下进行检测，然后简化了即时确诊。例如：2021年1月，美国加州旧金山格莱斯顿病毒学研讨所演示了一种根据鼻拭子的CRISPR-Cas13快速检测办法，能够运用手机摄像头对新冠病毒进行无扩增检测。

一起，RNA扩增能够进步对微量病毒序列的灵敏度，研讨人员现已开发一种微流体体系，仅运用几微升样本中扩增出的基因物质，就能一起挑选多种病原体。现在科学家已掌握一种一起检测21种病毒的办法，而每个样本的本钱缺乏10美元。此外，研讨人员还开发出根据CRISPR技能的工具，能够一起检测169种以上的人类病毒。

杜德纳称，其他Cas酶能够充分确诊工具箱，包含Cas12蛋白，它表现出与Cas13相似的特性，但其方针是DNA而不是RNA。整体而言，这些技能能够检测范围更广的病原体，甚至能够有用确诊其他非传染性疾病。（叶倾城）