《科学》特刊聚焦五大生物学革命性技术

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近年来，现代生命科学和生物技术取得了一系列重要突破。从早期观察细胞结构的显微镜到允许修改和编辑生物生命代码的工具，这项全新的技术正在加速我们对生物系统的理解，并渗透到应用领域。基因编辑、精确医学和高通量测序等词汇已经被公众所谈论。这些生物技术在解决资源、环境和健康问题方面具有巨大潜力。

最近，《科学》发表了一期关于技术转化生物学的特刊。本期特刊包括1篇社论、4篇评论和1篇研究论文，其中有许多中国科学家，如卢关达、庄小炜、程一凡和谢晓亮。这些文章强调了强大的新技术，这些技术正在打破生物研究中可能存在的障碍。

克里斯普-卡斯技术

crispr-cas系统的多样性、模块化和有效性正在推动一场生物技术革命。在第一篇评论中，加文&米多；加文·诺特和詹妮弗·米德尔顿；Jennifer doudna总结了crispr-cas系统，讨论了crispr-cas系统与其他基因编辑技术的区别，以及该系统如何用于治疗人类遗传性疾病(如肌营养不良)和设计作物的遗传特性。

活体dna书写技术

蒂莫西·卢和法希姆·米德多；在第二篇综述中，fahim farzadfard讨论了另一种动态基因组工程技术，体内dna书写，也就是众所周知的细胞dna记录器。这项技术可以将基因组dna转化为一种介质，用于记录和存储活细胞中的生物和人工信息。作者总结了这一技术的一系列潜在应用，包括在整个开发过程中创建活的生物传感器来跟踪细胞谱系，并讨论了目前的技术特点和局限性。

超高分辨率显微镜

在第三篇综述中，庄小炜的团队概述了超高分辨率显微镜、先进的功能以及在生物学中不断扩大的应用。由于超高分辨率成像方法突破了传统光学显微镜长期存在的障碍——衍射极限，可以显示生物系统中以前无法观察到的分子细节，因此可以用于细胞结构和生命系统的纳米级三维成像，有助于理解生命的分子基础，如揭示神经元突触的形式和功能。虽然这项技术仍有局限性，但有一天，这项技术的进一步发展将能够充分了解信号通路及其相关的分子组成。

低温电子显微镜技术

在第四篇综述中，程一凡关注了另一种类型的成像低温电子显微术(cryo-em)，开创了结构生物学的新时代。本文综述了低温电子显微镜的发展历史，并讨论了其突破性进展和未来发展方向。其中，单粒子冷冻技术帮助研究人员以接近原子的分辨率分析蛋白质的三维结构。程一凡认为，这项技术彻底改变了结构生物学中复杂问题的解决方案，并为其他基于结构的研究打开了一扇新的大门。

Dip-c全新的基因组三维结构重建

最后，在这份报告中，谢晓亮的团队提出了一种重建基因组三维结构的新方法。除了序列之外，基因组的三维结构在基因表达调控中起着重要的作用。尽管以前的研究已经报道了小鼠单倍体细胞的三维基因组结构，但是重建二倍体哺乳动物细胞的三维基因组结构仍然是一个挑战。新开发的单细胞染色质构象捕获技术(dip-c)成功地重建了一个二倍体人细胞的三维基因组结构。研究还表明，三维基因组的结构依赖于来源组织，对各种组织中细胞类型的系统研究可能会促进细胞分化、癌症、学习和记忆以及衰老领域的新发现。

这项技术的优点和应用是什么？这项研究的第一作者谭龙志博士说:dip-c技术的优势主要有两点。首先，它具有比普通光学显微镜更高的分辨率，并且可以研究基因的精细结构。例如，我们观察了经典的印迹位点h19/igf2。更重要的是，仅用父母基因组间0.1%的微小差异，我们就能区分这两组染色体，并首次获得二倍体细胞的三维结构。以前的技术只能研究单倍体，所以他们只能研究一种特殊的小鼠单倍体细胞系，而不能对正常细胞，尤其是人类细胞做任何事情。因此，dip-c特别适用于研究各种人体组织，如我们全身和大脑中的神经元、免疫细胞和上皮细胞，为我们构建高分辨率的人体细胞图谱提供了一个极好的工具。此外，许多疾病，尤其是癌症，都伴有明显的染色质结构和表观基因组异常。医学癌症最重要的指标之一是细胞核的大小和形状，因此dip-c也非常适合研究这些疾病。