2009年生命科学研究技术十大热点

贺 毅

(首都医科大学生理学系 神经变性病教育部重点实验室)

对于产业界而言,2009年无疑是艰难的一年,生命科学也不例外。然而全球的生物技术公司和实验室已经发展了众多的新技术产品可以帮助你进行更深入的研究。今年实验室的预算肯定比往年更紧张,哪种技术更值得投资呢?美国《科学家》(The Scientist)杂志邀请了一组专家学者,对 2009年生命科学领域的创新技术和产品进行了评选,这是《科学家》连续第 2年进行此类评选,以下为评选结果前 10名。

第 10名 三维立体细胞培养技术

图1 B ioLevitator立体细胞培养机

BioLevitator是一种培养箱和离心机一体机,是最早的桌面型三维细胞培养系统之一。在培养体系中加入了一种独特的微磁珠,表面包被了蛋白与细胞有很好的亲和性,有利于细胞在其表面生长。BioLevitator一次可以培养 4管细胞,在磁场作用下可使细胞均匀悬浮。磁珠包被不同的蛋白后可以适合不同的细胞生长。细胞培养时,每管的 CO2、温度、细胞密度、pH值可以随时监控。培养结束后,所有的数据可以通过USB数据接口传送到计算机进行数据分析。三维立体细胞培养这一全新的技术优势,除能够进行三维细胞培养外,更重要的是更接近于在体状态,并可以在短期内得到比普通细胞培养方法更多的细胞。

第 9名 蛋白表达的新策略

图2 用DNA2.0算法设计外源基因的表达

外源性基因表达系统是一种能得到高水平蛋白表达的高效、省时而又灵活的工具,也是现代生物技术的基石之一。由于密码子的简并性,编码一个蛋白质可能有数种密码子的组合,一些组合的产率可能比别的高,研究者通常会进行测试性表达,从中挑选高表达的组合。现在一种称为DNA2.0的新算法,可以基于基因的序列特征预测最合适的密码子组合。DNA2.0的设计者MarkWelch表示,用这个方法设计的外源性基因表达系统,蛋白表达量是以前方法的 10倍。这又是一个利用外源性基因表达系统的里程碑,特别是对于蛋白工程的应用具有重要意义。

第 8名 新陈代谢的新测量方法

图3 XF96细胞能量代谢分析仪

XF96分析仪是第 1个可以测量细胞 2种主要能量代谢途径状态(线粒体呼吸和糖酵解)的仪器,可以全面了解细胞的能量代谢情况及其在疾病过程中的改变。在 XF96分析仪出现之前,科学家们依靠克拉克电极测量细胞的氧消耗,这是个耗时而低效的技术。现在只需要 35～90 min,XF96分析仪就能测量出氧消耗,该参数代表线粒体呼吸。除此之外,可以检测到细胞外的酸化作用,这是糖酵解的副产品。从培养皿里分离微量的细胞,利用光学生物传感器,就可以测量到溶解氧和 pH值的变化。如果使用 96孔板,则可以检测多达 4种药物对细胞代谢的影响。在XF96分析仪发明之前,同时进行如此数量庞大的或者设计复杂的实验几乎不可想象。

第 7名 新型基因组序列捕获工具

图4 可以定制的 Genion生物芯片

科学家们现在拥有约 30亿碱基对这样大量的基因组数据,却没有好的办法加以利用。对于研究者而言基因组过于庞大,而新型基因组序列捕获工具能够利用DNA芯片技术找到基因组中与特定疾病密切相关的重要区域。该技术可以让研究者分解庞大的基因组,分离出对疾病研究有价值的信息。这种技术已经被用于研究癌症、多发性硬化、阿尔兹海默病和糖尿病。整个系统相当小巧 (55.7 cm×90.7 cm×66.5 cm;110 kg),一天可以处理 16个样本,大大加速了分析的进程。基因组范围庞大,而事实上只有少量的DNA序列变化就能导致疾病和各种表型,说明未来正需要这种有效而经济的方法来捕获基因组中我们感兴趣的目的序列。

第 6名 多合一显微镜

图5 世界上第一台自主式的激光共聚焦显微镜

今年在美国上市了世界上第一台自主式的激光共聚焦显微镜 Fluouiew Fv10i。可以自动拍摄 3D重建图像。它完全不同于传统意义上的显微镜,一般的荧光显微镜需要一间暗室,但该系统所装备的照明系统、显微镜、移动台、相机都集中放置在一个盒子里,所以它可以放在任何地方,甚至可以在开着灯的实验室工作,这对于获取荧光图像非常有利。这种显微镜很容易操作,即使是初学者也不需要任何培训即可以照出高质量的图像。其易操作性对于用户来说,显然是十分有利的。

第 5名 锌指核酸酶技术成功培育首个靶基因敲除大鼠

图6 锌指核酸酶技术培育的基因敲除大鼠

锌指核酸酶(ZFN)技术在去年评比中名列第三。今年,该技术实现了从细胞系到整体动物的跨越,通过这一技术培育出了基因定向敲除大鼠,并可以插入表达荧光蛋白。该技术通过设计好的锌指蛋白与特定序列的双链DNA结合,并依靠与锌指蛋白连接的核酸酶切断DNA链。基因敲除被认为是解基因功能的革命性事件,但是现在大多数基因敲除动物还只局限于小鼠或其他低等动物。锌指核酸酶技术提供了敲除更复杂的生物基因的新方法。除了转基因,锌指核酸酶技术还拥有从基础研究、农业到基因治疗的广阔应用前景。

第 4名 可定量的照相机

图7 可记录绝对光强度的数码相机

测量和比较标记蛋白的荧光强度、寻找细胞膜上的共定位、描述病毒的出入细胞等是细胞生物学家的常规工作。他们一般用电子增量 CCD来完成这些任务。但是这些设备得到的图像本质上说是非客观的,因为图像的信号强度依赖于相机的 gain值得设定,而gain值是随不同的相机或不同的使用环境调整的,这意味着这些图像在不同实验室之间是不可重复的。现在新的照相机光传感器可以计算每个感光点接受到的光子数目,使产生的图像包含了定量信息,图像变成可定量、可重复的数据。通过这一技术,研究者可以在不同的实验室重复他们实验的图像结果,也让他们的数据可以直接比较,研究结果更定量化,更可信。该相机的诞生可能会引领图像技术发展的方向——图像的标准化。

第 3名 用光操作细胞

图8 红光激活细胞骨架蛋白,导致细胞形状的改变

现在有层出不穷的方法和设备来标记蛋白质,以观察细胞内发生的事件,但直到最近研究者仍然缺乏精确的手段在分子水平控制这些细胞事件。通常情况下,光敏色素(一种对光敏感的植物蛋白)和光敏色素相关因子 PIF(光敏色素的伴侣分子)能对红光产生反应,两者结合形成二聚体并被转位到核内,红外线则可以破坏这种结合。研究人员修改了它们的基因,使它们被红光光被激活时转位到膜上而不是核内。有实验者把 PIF连接到细胞骨架蛋白,然后空间定位的给予红光照射,使光敏色素与细胞骨架蛋白结合,从而激活细胞骨架蛋白,导致细胞形状的改变。利用这一技术,研究者可以通过将 PIF与别的任何蛋白连接,利用无任何细胞毒性的光能来控制蛋白相互作用。这是一种前所未有的能在细胞中精确定位控制蛋白质相互作用的方法。

第 2名 病原体快速检测仪

图9 PLEX- ID病原体快速检测仪

当我们面对层出不穷的未知的致命的病原体时,任何时间的拖延都意味着生命的损失。这种病原体快速检测仪的原理是基于不同微生物的基因组分子量不同,以此鉴别不同病原体。针对病毒或细菌的基因组中保守区域设计 PCR引物,这些保守序列在各种病原体普遍存在,但间隔距离却各不相同。当用这种引物进行 PCR扩增时,不同种类的病原体会得到相应的分子量的产物。测量 PCR产物的分子量就可以知道是哪种微生物,或者是否有新的变异产生。这种方法还没有进入临床试验,目前被用来检测病毒的基本突变率以及用于美国海军和疾病控制防疫中心鉴别新的 H1N1病毒等等。该设备综合了遗传学、机器人、质谱、生物信息学等各学科技术,大大加速了确诊新病原体的速度,为早期疾病流行预报提供非常重要的依据。

第 1名 蛋白质诱导小鼠胚胎纤维原细胞多能性

图10 蛋白质诱导小鼠胚胎成纤维细胞成的多能干细胞

2009年 4月,诞生了本年度最激动人心的发现能——够在不涉及基因组调节的情况下,仅凭借蛋白质就能将小鼠胚胎成纤维细胞诱导成多能干细胞,这一技术大大简化了将细胞重编程为胚胎干细胞的常用技术的繁琐步骤。尽管多能干细胞技术确实是一个突破性的发现,但是基因调控所包含的包括癌症等疾病在内的严重负效应成为其应用的巨大阻碍。此项技术不仅克服了利用转基因技术生产多能干细胞带来的风险,而且这种多能性一旦被诱导出来,不再需要外源性重组蛋白的支持就能自我复制。采用这种新的诱导方式,可以借此构建新的有用细胞系,也有利于更好的研究这些细胞。

(本文选译自：美国《科学家》杂志,网络版：Judge Bios.The scientist 2009 top 10 innovations[EB/OL]. [2010-01-08].http：∥www.the-scientist.com/ article/display/56171/)