作者：陳莫伊來源：生物探索

12月24日，The-Scientist雜志公布了其評選出的2018年頂級技術(shù)突破。

“雙父親”小鼠、摧毀腫瘤的納米機(jī)器人、“AI化”的液體活檢、顛覆基因表達(dá)分析的革命性技術(shù)……

這一年，科學(xué)家們，依然很“贊”！

1# 突破哺乳動物同性生殖障礙，首次獲得孤雄小鼠

一只健康的成年雙母親小鼠（bimaternal mouse）有了自己的后代；而雙父親小鼠（bipaternal）出生不久后便會死去。（圖片來源：LEYUN WANG）

同性生殖的現(xiàn)象在動物中并不罕見，例如在爬行類的蜥蜴、兩棲類的蛙以及多種魚類中，都有“孤雌生殖”現(xiàn)象：即不經(jīng)過與雄性的交配，雌性個體即可生下后代。但與孤雌生殖對應(yīng)的孤雄生殖則極其罕見，科學(xué)家們迄今只在一種斑馬魚中發(fā)現(xiàn)了孤雄生殖。

然而，對于高等哺乳動物來說，無論是孤雌生殖還是孤雄生殖都不存在。在爬行類和兩棲類動物中不存在、而在哺乳類動物中進(jìn)化出來的印記基因（imprinted genes）被認(rèn)為是阻礙哺乳動物同性生殖的重要因素。

圖片來源：Cell Stem Cell

今年10月，發(fā)表在Cell Stem Cell雜志上的一項研究中，來自中國科學(xué)院的科學(xué)家們首次用兩只雄性小鼠“生出了后代”，獲得了具有兩個父系基因組的孤雄小鼠。這些孤雄小鼠外觀正常，可以自主呼吸，但是都在出生后48小時內(nèi)死亡。

而早在2015年，科學(xué)家們曾成功培育出“雙母親”小鼠，這些“孤雌小鼠”似乎生長正常，并且能生育后代。

研究人員認(rèn)為，這項新成果證實，在最高等的哺乳動物中，孤雄生殖也有可能實現(xiàn)，但所有的孤雄小鼠均無法存活至成年，意味著相比孤雌生殖，孤雄生殖有著更多的障礙。

2# 摧毀腫瘤的DNA納米機(jī)器人

DNA納米機(jī)器人運輸了一種切斷小鼠體內(nèi)腫瘤血液供應(yīng)的藥物（圖片來源：BAOQUAN DING AND HAO YAN）

借助納米機(jī)器人將藥物精準(zhǔn)輸送至腫瘤細(xì)胞，在定向殺死癌細(xì)胞的同時又不危及周圍健康組織是許多科學(xué)家的夢想。

今年2月，來自中國國家納米科學(xué)中心的科學(xué)家們報道了一種用DNA制成的納米機(jī)器人，這種機(jī)器人可在血液中“穿行”，找到腫瘤，釋放一種導(dǎo)致血液凝固，從而觸發(fā)小鼠體內(nèi)癌細(xì)胞死亡的蛋白——凝血酶。

研究人員之所以采用DNA作為原料構(gòu)建納米機(jī)器人，主要是基于DNA本身的生物相容性（biocompatible）與生物可降解性（ biodegradable）。

實驗表明，這一新型納米機(jī)器人可精準(zhǔn)定位并有效殺死腫瘤細(xì)胞，在多種小鼠腫瘤模型中取得了較好的結(jié)果。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Biotechnology雜志上。

圖片來源：Nature Biotechnology

3# 液體活檢“AI化”

用于檢測血液中癌癥DNA的機(jī)器學(xué)習(xí)算法有望為個性化癌癥治療鋪平道路。（圖片來源：ISTOCK, VITANOVSKI）

“如何在癌癥很早期時發(fā)現(xiàn)它”以及“如何為患者提供個性化的、動態(tài)的治療”是現(xiàn)代癌癥醫(yī)學(xué)的兩大挑戰(zhàn)。為了找到解決方案，一些實驗室和生物技術(shù)公司開始轉(zhuǎn)向人工智能，也就是AI。他們希望開發(fā)出能夠幫助破譯血液中微弱信號的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。基于這些信號，科學(xué)家們可在早期識別癌癥，也可以實時判斷患者是否對接受的治療有響應(yīng)。

到目前為止，用于檢測血樣中微量腫瘤DNA的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在臨床驗證研究中表現(xiàn)良好，但還沒有一種自主學(xué)習(xí)算法被批準(zhǔn)用于臨床。通過直接從血液中尋找DNA、RNA和蛋白質(zhì)的突變，這些技術(shù)在檢測和監(jiān)測癌癥方面有可能超越成像和組織活檢技術(shù)。

4# 實驗動物的“救星”

基于軟件的化學(xué)篩選可以最大限度地減少動物實驗（圖片來源：ISTOCK, NIDERLANDER）

在世界范圍內(nèi)，數(shù)以百萬計的動物被用于化合物的毒性測試?，F(xiàn)在，毒理學(xué)家開發(fā)出了一款能夠準(zhǔn)確預(yù)測這些試驗結(jié)果的軟件。該軟件預(yù)測動物實驗結(jié)果的準(zhǔn)確率為87%，相比之下，重復(fù)實驗本身只在81%的情況下重現(xiàn)了原始結(jié)果。這一成果于今年7月發(fā)表在Toxicological Sciences雜志上。作者們希望，該軟件能夠減少實驗動物的使用。

5# 無人機(jī)的“大用途”

無人機(jī)使研究人員能夠比以往任何時候更容易收集大量的生物數(shù)據(jù)，且成本更低、分辨率更高。（圖片來源：ROHAN CLARKE）

一些研究人員希望盡量減少實驗動物的使用，而另一些人則希望盡可能多地收集有關(guān)野生動物的信息。如果使用得當(dāng)，無人機(jī)可能會是個“好幫手”。一些科學(xué)家正在利用無人機(jī)做這樣的事情，包括收集鯨魚的鼻涕、檢測整個海龜種群的大小和狀況等。

6# 革命性技術(shù)，改寫視網(wǎng)膜細(xì)胞研究

超柔性網(wǎng)狀電極監(jiān)測醒著的動物完好無損、功能正常的眼睛。（圖片來源：GEORGE RETSECK）

先前，為了記錄視網(wǎng)膜細(xì)胞的活動，研究人員往往需要將眼睛從動物身上摘除，解剖視網(wǎng)膜，然后把它平放在一組微電極上。這種處理下，視網(wǎng)膜細(xì)胞可以對光線做出幾小時的反應(yīng)。

今年6月，哈佛大學(xué)納米技術(shù)專家Charles Lieber及其同事開發(fā)了一款新型網(wǎng)狀電極。這種超柔性網(wǎng)狀電極能夠留在活體動物的眼睛內(nèi)，記錄視網(wǎng)膜細(xì)胞的活動長達(dá)數(shù)周。值得注意的是，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對視覺的影響很小，幾周后就會從視網(wǎng)膜上脫落。

加州大學(xué)伯克利分校的Marla Feller表示，這是一項“了不起的”創(chuàng)新。相關(guān)成果發(fā)表在頂級期刊Science雜志上。

圖片來源：Science

7# 邁向三維基因表達(dá)分析

STARmap能夠同時分析完整的、體積大的樣本中的多個RNA。（圖片來源： GEORGE RETSECK）

特定類型或組織的細(xì)胞可能看起來相似，但行為卻不同。例如，在大腦中，相同亞型的神經(jīng)元可能會根據(jù)它們的位置和連接扮演非常不同的角色。也就是說，當(dāng)涉及到特定的細(xì)胞功能時，空間信息是絕對關(guān)鍵的。因此，研究人員正在開發(fā)一種能夠檢測組織切片中多個基因表達(dá)的工具。

由斯坦福大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的STARmap便是這類工具中的一種。STARmap涉及將組織樣本轉(zhuǎn)化為水凝膠，以更好地檢測揭示目標(biāo)RNA位置的“條形碼”。研究小組利用該技術(shù)分析了多達(dá)28個基因同時在150微米的小鼠腦組織切片中的表達(dá)，以及1000多個基因同時在8微米的切片中的表達(dá)。這些分析揭示了興奮性和抑制性神經(jīng)元亞型在大腦皮層上分布的差異。

瑞典卡羅林斯卡學(xué)院的分子系統(tǒng)生物學(xué)家Sten Linnarsson認(rèn)為，STARmap是邁向真正三維基因表達(dá)分析的重要一步。相關(guān)成果也發(fā)表在Science雜志上。

圖片來源：Science

參考資料：

Top Technical Advances in 2018

Cell Stem Cell丨胡寶洋/周琪/李偉合作組突破哺乳動物同性生殖障礙，首次獲得孤雄小鼠——李勁松點評

Nat Biotech丨突破，中國學(xué)者研發(fā)出DNA納米機(jī)器人能在體內(nèi)精準(zhǔn)抑癌

革命性技術(shù)改寫視網(wǎng)膜細(xì)胞研究規(guī)則