Nature：2018 年技术展望

作者：杨超月

物联网已经改变了我们生活的方方面面。事实上，物联网和其它技术一起，也将会改变生命科学研究。

1. 重编码基因组

George Church，美国马萨诸塞州波士顿哈佛医学院（Harvard Medical School）遗传学家

尽管基因编辑工具 CRISPR 掀起了一波热潮，但它并不是那么高效和精确的，一次性编辑多个位点非常困难。我的实验室已经创下了迄今为止的最高纪录——一次对单个细胞的基因组进行了 62 次修改，但是有些研究需要同时进行更多的修改。现在，能同时完成多个基因位点修改的新技术问世了！

“密码子重编码”（Codon recoding）是一种完全通用的、使各种生物体对大部分或所有病毒产生抵抗，可一次精确改变每个细胞中成千上百个位点的基因编辑技术。每个密码子——一段长度为三个碱基的 DNA，如 TTG，对应于一个特定的氨基酸，如亮氨酸或翻译信号（起始、终止等）。鉴于六个密码子可以编码成亮氨酸，我们可以利用遗传密码中的冗余来替换任何一个密码子。一旦完成这些交换，我们剔除了与切除的密码子相对应的亮氨酸转移 RNA（tRNA）的基因，所以细胞不能再识别该序列。

现在，当一种病毒感染一种具有所有这些密码子的细胞时，由于缺少 tRNA，病毒不能将其信使 RNA 转录成蛋白质，病毒就会死亡。病毒并不顽强，杀死它们轻而易举。

为了一次做出多个精确的改变，我们使用多重自动基因组工程（multiplexed automated genome engineering, MAGE）技术。包含想要的碱基对的遗传物质短片段被研究人员引入到防止 DNA 错配修复的细胞中。经过几轮细胞复制后，这些遗传物质被完全整合到细菌基因组中。

从理论上讲，这可以在任何一个细菌是有害的生物体——乳制品工业中使用的微生物和农业上重要的植物和动物——中完成。此外，研究人员还可以构建抗病毒的猪，用于产生可移植的器官；以及耐病毒的人类细胞，用于生产药物和疫苗。

这个技术最棒的地方在于你可以让一个生物体抵抗所有的病毒——甚至是从未被研究过的病毒。事实上，重编码技术能做的事情远不止于此。哈佛医学院（Harvard Medical School）的 Pamela Silver 和加利福尼亚州 Synthetic Genomics 公司的 Daniel Gibson 合作开发了另一种重编码技术来改进鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的疫苗株。

研究人员还可以重编码一种生物体，将非标准的氨基酸引入蛋白质中，以便引入生物体中原先不存在的化学物质：发光或与核酸结合，或形成不寻常的键的氨基酸。生物体中存在 20 种氨基酸，当你引入新的氨基酸时，全新的生化问题就出现了。英国剑桥 MRC 分子生物学实验室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的 Jason Chin 团队正在使用这种方法，从蛋白水平上对果蝇进行精确编辑。

最后，重编码技术为生物防护（bio-containment）提供了强有力的策略。如果一个抗病毒的生物体逃离实验室，进入自然环境，即使它们对环境无害，它们也会因为具有生存优势，在自然选择中胜出。使用这些非标准的氨基酸，你可以设计一个只有在被给予某种营养条件下才能生长的生物体。这就是一种新型的实验生物体的“防逃脱”策略。

2. 转录组图谱绘制

庄小威，美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学高级成像中心（Center for Advanced Imaging，Harvard University）主任

最近推出的人类细胞图谱（Human Cell Atlas, HCA）计划旨在确定人体内所有的细胞类型，并绘制其空间分布，该计划目标远大。这个规模的项目将需要许多辅助技术。

单细胞 RNA 测序（Single-cell RNA sequencing）是识别不同细胞类型的有效方法，也是绘制 HCA 的重要工具，但它需要将组织分离成单个细胞，然后再分离出 RNA。这种处理方式去除了组织中细胞的空间环境信息——这些细胞是如何组织在一起并相互作用的相关信息。

我们希望通过对完整组织中细胞的转录谱进行成像来研究这种空间背景。我的实验室正在开发多重抗误差矫正荧光原位杂交技术（multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization, MERFISH）——一种基于图像的单细胞转录组学方法。

MERFISH 使用出错率低的条形码识别细胞中的每种不同类型的 RNA，以大规模复合方式标记和连续成像来检测这些条形码（图：转录组学图谱绘制）。

MERFISH 技术可以在单细胞中对 1000 种不同的 mRNA 进行成像。随着进一步发展，MERFISH 有可能检测完整组织的细胞中的全部转录组。