2015技術(shù)展望之PCR

　　上世紀(jì)八十年代誕生的PCR已經(jīng)成為了生物學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典老技術(shù)，它衍生出來(lái)的實(shí)時(shí)定量PCR和數(shù)字PCR也都不再是新興事物了。那么，這么成熟的技術(shù)在未來(lái)一年中會(huì)有什么樣的新發(fā)展呢?

　　1. 超快PCR。盡管PCR基本反應(yīng)已經(jīng)非常成熟了，但它的性能依然有很大的改進(jìn)空間。擴(kuò)增反應(yīng)的速度就是其中最重要的參數(shù)之一。更快的PCR反應(yīng)總是受人歡迎的，這種改進(jìn)對(duì)分子診斷的意義最大，可以幫助人們?cè)诹餍行约膊〈笠?guī)模爆發(fā)之際及時(shí)鑒定病因。今年七月Carl Wittwer等人開發(fā)了一個(gè)能準(zhǔn)確檢測(cè)DNA聚合酶速度的新方法。在此基礎(chǔ)上，人們將有望進(jìn)一步提升熱穩(wěn)定DNA聚合酶的催化速度。

　　2.數(shù)字PCR廣泛應(yīng)用。數(shù)字PCR是PCR領(lǐng)域最激動(dòng)人心的創(chuàng)新之一，這一技術(shù)的誕生讓絕對(duì)定量的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。隨著這一技術(shù)的進(jìn)一步商業(yè)化，2015年數(shù)字PCR將會(huì)取得更加顯著的成績(jī)。實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析上的改良，將進(jìn)一步提升該技術(shù)非凡的敏感性和特異性。數(shù)字PCR的應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步拓展，比如單細(xì)胞分析、罕見腫瘤等位基因檢測(cè)、產(chǎn)前診斷以及血液中游離腫瘤DNA的研究。

　　3.DIY 實(shí)時(shí)定量PCR。盡管實(shí)時(shí)定量PCR儀的價(jià)格已經(jīng)在逐年下降，但它們依然是許多小型實(shí)驗(yàn)室難以承擔(dān)的。另外各種PCR技術(shù)也一直是許多DIY愛好者的心頭好。明年，一款平價(jià)實(shí)時(shí)PCR儀(Open qPCR)將首次交付使用，這無(wú)疑讓實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)更加平易近人。不出意外的話，這一技術(shù)將大大推動(dòng)資金匱乏區(qū)域的DNA診斷，幫助人們?cè)谶@些地區(qū)檢測(cè)埃博拉、HIV、食源性污染甚至假冒偽劣產(chǎn)品。

　　我們相信，2015年P(guān)CR技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)仍將以優(yōu)化反應(yīng)和拓展應(yīng)用為主，當(dāng)然出現(xiàn)PCR新變種的可能性是始終存在的。反應(yīng)速度、延伸范圍和檢測(cè)成本的不斷優(yōu)化，將幫助PCR繼續(xù)穩(wěn)坐現(xiàn)代分子生物學(xué)的頭把交椅。

2015技術(shù)展望之細(xì)胞分析

　　作為現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的“基石“技術(shù)，細(xì)胞培養(yǎng)方法和試劑的改變，可能比其他領(lǐng)域發(fā)生的更為緩慢。但是這并不意味著來(lái)年在細(xì)胞培養(yǎng)和分析領(lǐng)域不會(huì)發(fā)生什么驚人的進(jìn)展。為了找出這些可能發(fā)生的進(jìn)展，BioTechniques的編輯對(duì)來(lái)年的細(xì)胞培養(yǎng)和分析進(jìn)行了大膽的預(yù)測(cè)。

　　1. 細(xì)胞的3D生物打印。把它看作是下一個(gè)十年的細(xì)胞培養(yǎng)。長(zhǎng)久以來(lái)，我們一直在討論，在各種惰性材料制成的3D支架上種植和培育細(xì)胞。我們已經(jīng)了解如何改變支架的物理性能，以使不同的細(xì)胞過程(例如干細(xì)胞的分化)成為可能，以及如何將生長(zhǎng)因子和其他生物大分子放置到支架中，以與細(xì)胞相互作用。所有這一切，都是利用傳統(tǒng)移液器將細(xì)胞滴入這些支架中。但是，在細(xì)胞培養(yǎng)世界中，隨著細(xì)胞的3D生物打印在世界范圍內(nèi)的更為普遍，我們可能會(huì)突破這一技術(shù)限制。事實(shí)上，澳大利亞墨爾本St. Vincent醫(yī)院的研究人員正在致力于生物打印干細(xì)胞，最終為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究生成人腦組織。3D打印機(jī)的特異性與它們對(duì)生物學(xué)樣本的適應(yīng)性相結(jié)合，讓我們?cè)?015年有良好的時(shí)機(jī)，不僅能看到打印的腦組織，而且還能生物打印其他組織和細(xì)胞排列。

　　2. 最后了解你的細(xì)胞?我們繼續(xù)把它作為每年的一個(gè)預(yù)測(cè)問題。人們?cè)絹?lái)越了解生物學(xué)中的可重復(fù)性問題，已經(jīng)導(dǎo)致人們強(qiáng)烈抗議用定義明確、經(jīng)過驗(yàn)證的試劑開展的精確描述的實(shí)驗(yàn)。然而，問題仍在于，使用的是未經(jīng)驗(yàn)證的細(xì)胞系。來(lái)年我們能夠看到這方面發(fā)生重大變化嗎?也許在提供資金之前，資助機(jī)構(gòu)將需要細(xì)胞系的認(rèn)證數(shù)據(jù)?也許用于認(rèn)證的資金將被補(bǔ)充到研究資金里面?或者也許該出現(xiàn)一種用于好用細(xì)胞系認(rèn)證的單一數(shù)據(jù)庫(kù)和程序。

　　3. “太空細(xì)胞”�，F(xiàn)在我們來(lái)做出2015年最深遠(yuǎn)的預(yù)測(cè)：更多檢測(cè)有限重力對(duì)細(xì)胞的影響，將對(duì)真實(shí)感3D細(xì)胞培養(yǎng)和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用，提供一種更好的路徑。讓我解釋一下。隨著航天任務(wù)的增多，以前在太空檢測(cè)細(xì)胞的工作已經(jīng)有經(jīng)驗(yàn)了，在接下來(lái)的幾個(gè)月，太空細(xì)胞培養(yǎng)將變得越來(lái)越普遍。在2014年，英國(guó)杜倫大學(xué)的Stefan Przyborski，將細(xì)胞送到國(guó)際空間站，以檢測(cè)3D細(xì)胞培養(yǎng)，并研究微重力對(duì)細(xì)胞的生理學(xué)影響。Przyborski一直熱切地參與3D細(xì)胞培養(yǎng)方法的發(fā)展，他開發(fā)了一種支架，可使一種比傳統(tǒng)2D平板更加現(xiàn)實(shí)的培養(yǎng)環(huán)境成為可能。但事實(shí)證明，在微重力環(huán)境下，細(xì)胞更容易聚集在一起，一些學(xué)者甚至認(rèn)為，這樣的環(huán)境可能對(duì)于推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)工作而言是完美的。因此，在來(lái)年，商業(yè)太空旅行可能會(huì)大大增加，細(xì)胞太空培養(yǎng)方面的見解，可能為再生醫(yī)學(xué)進(jìn)步做了更好的準(zhǔn)備，我們認(rèn)為，2015年可以看到新的空間細(xì)胞生物學(xué)研究。

2015技術(shù)展望之蛋白質(zhì)分析

　　蛋白質(zhì)是細(xì)胞功能的執(zhí)行者，是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而人們對(duì)蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)組的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，蛋白質(zhì)分析被認(rèn)為是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。2015年是蛋白質(zhì)領(lǐng)域的關(guān)鍵一年，有可能決定著蛋白質(zhì)分析的未來(lái)走向。

　　1.人類蛋白互作圖譜取得更大的成果。最近Cell雜志上發(fā)表了一項(xiàng)大規(guī)模的蛋白質(zhì)研究，科學(xué)家們鑒定了一萬(wàn)四千個(gè)蛋白相互作用，獲得了迄今為止最大規(guī)模的人類蛋白互作圖譜。他們計(jì)劃將在未來(lái)六年中逐步完成人類基因組的全部互作圖譜。這種圖譜可以幫助人們更全面的了解人類互作組，進(jìn)一步理解疾病的發(fā)生和發(fā)展。對(duì)新發(fā)現(xiàn)的蛋白互作進(jìn)行研究，能夠揭示基因型和表型之間的真實(shí)關(guān)系。我們期待在2015年看到這類研究結(jié)出更多碩果。

　　2.人造環(huán)境為蛋白質(zhì)分析提供便利。今年八月Roy Bar-Ziv及其同事在Science雜志上發(fā)表文章，展示了以微流體DNA隔室為基礎(chǔ)的人造細(xì)胞。這些二維的人造細(xì)胞可以實(shí)現(xiàn)預(yù)編程的蛋白合成、代謝和通訊，是一種非常靈活的蛋白合成系統(tǒng)。研究顯示，人造細(xì)胞能夠更好的模擬蛋白表達(dá)的動(dòng)態(tài)模式，維持蛋白信號(hào)的梯度。人們可以利用這一系統(tǒng)來(lái)評(píng)估蛋白質(zhì)的活性和相互作用，這種方法將對(duì)蛋白質(zhì)功能研究產(chǎn)生重要的影響。

　　3. 一個(gè)時(shí)代的終結(jié)——蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)計(jì)劃PSI收官。PSI項(xiàng)目在運(yùn)行了十五年后，正逐步走向自己的終點(diǎn)。PSI項(xiàng)目已經(jīng)確定了六千三百多個(gè)蛋白結(jié)構(gòu)，為蛋白質(zhì)分析做出了重要的貢獻(xiàn)。那些為PSI而建的高通量蛋白生產(chǎn)中心可能會(huì)繼續(xù)維持下去，給其他結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們也可能啟動(dòng)與數(shù)據(jù)處理有關(guān)的中、大型項(xiàng)目，作為PSI的延續(xù)。

　　不管怎樣，對(duì)于蛋白質(zhì)領(lǐng)域來(lái)說明年都是特別的一年，研究者們需要決定PSI之后的前進(jìn)方向。我們希望未來(lái)能有更多類似人類互作組圖譜的大型項(xiàng)目，增進(jìn)我們對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的理解。

2015技術(shù)展望之基因組編輯

　　規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)CRISPR與內(nèi)切酶Cas9的組合，原本是細(xì)菌抵御病毒的重要武器，現(xiàn)在這一組合已經(jīng)成為了最熱門的基因組編輯利器。

　　2014年基因組編輯熱潮在持續(xù)發(fā)酵，CRISPR/Cas9仍舊是最引人注目的話題之一，相關(guān)論文被大量下載和引用�？v觀CRISPR/Cas9的發(fā)展我們可以看到，科學(xué)家們?nèi)栽谧非笞罾硐氲幕蚪M工程技術(shù)，而2015很有可能會(huì)成為基因組工程年。

　　這里我們不妨大膽預(yù)測(cè)一下，明年基因組工程領(lǐng)域會(huì)起那些波瀾：

　　1. 大規(guī)模CRISPR/Cas9。2013年，麻省理工的CRISPR技術(shù)先驅(qū)張鋒(Feng Zhang)和同事為我們展示了CRISPR/Cas9進(jìn)行多重基因組編輯的能力。相信在2015年大規(guī)模CRISPR/Cas9全基因組操作將越來(lái)越多，同時(shí)新多重基因組編輯法會(huì)大量涌現(xiàn)，還很可能會(huì)出現(xiàn)大型的引導(dǎo)RNA數(shù)據(jù)庫(kù)。在這樣的趨勢(shì)下，每個(gè)人都能在自己的基因組工程研究中用上CRISPR/Cas9。

　　2. CRISPR對(duì)簿公堂。2015年將有更多公司提供以CRISPR為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)工具，基于CRISPR的藥物也將離我們?cè)絹?lái)越近。在這種情況下，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域可能會(huì)迎來(lái)歷史上最大的專利訴訟。目前有三個(gè)團(tuán)隊(duì)都宣稱自己享有CRISPR/Cas9技術(shù)的部分專利權(quán)，他們很可能最終會(huì)對(duì)簿公堂，而專利權(quán)的歸屬將決定CRISPR/Cas9日后的命運(yùn)。

　　3.用細(xì)胞來(lái)記錄生命。假如細(xì)胞能將自己發(fā)生的所有事情記錄下來(lái)，我們將會(huì)讀到些什么呢?2014年Timothy K. Lu和Fahim Farzadfard在Science雜志上發(fā)表了一項(xiàng)令人振奮的成果。他們通過合成生物學(xué)技術(shù)，將細(xì)胞事件的模擬記憶編碼在活細(xì)胞DNA中。雖然這類研究還處于早期階段，但隨著研究者們不斷突破細(xì)胞工程的極限，我們期待在2015年看到更多的進(jìn)展和應(yīng)用。

　　當(dāng)然了以上都只是我們的推測(cè)，基因組工程領(lǐng)域其實(shí)是很難預(yù)測(cè)的，因?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)發(fā)展得非常之快。你看，短短兩三年CRISPR/Cas9系統(tǒng)就走了這么遠(yuǎn)。這些基因工程領(lǐng)域的預(yù)測(cè)是否過于保守，就讓我們拭目以待吧。