2015技術(shù)展望之PCR

　　上世紀八十年代誕生的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。擴增反應的速度就是其中最重要的參數之一。更快的PCR反應總是受人歡迎的，這種改進(jìn)對分子診斷的意義最大，可以幫助人們在流行性疾病大規模爆發(fā)之際及時(shí)鑒定病因。今年七月Carl Wittwer等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)能準確檢測DNA聚合酶速度的新方法。在此基礎上，人們將有望進(jìn)一步提升熱穩定DNA聚合酶的催化速度。

　　2.數字PCR廣泛應用。數字PCR是PCR領(lǐng)域最激動(dòng)人心的創(chuàng )新之一，這一技術(shù)的誕生讓絕對定量的夢(mèng)想成為現實(shí)。隨著(zhù)這一技術(shù)的進(jìn)一步商業(yè)化，2015年數字PCR將會(huì )取得更加顯著(zhù)的成績(jì)。實(shí)驗方法和數據分析上的改良，將進(jìn)一步提升該技術(shù)非凡的敏感性和特異性。數字PCR的應用范圍也將進(jìn)一步拓展，比如單細胞分析、罕見(jiàn)腫瘤等位基因檢測、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)驗室難以承擔的。另外各種PCR技術(shù)也一直是許多DIY愛(ài)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(huà)，這一技術(shù)將大大推動(dòng)資金匱乏區域的DNA診斷，幫助人們在這些地區檢測埃博拉、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)展趨勢仍將以?xún)?yōu)化反應和拓展應用為主，當然出現PCR新變種的可能性是始終存在的。反應速度、延伸范圍和檢測成本的不斷優(yōu)化，將幫助PCR繼續穩坐現代分子生物學(xué)的頭把交椅。

2015技術(shù)展望之細胞分析

　　作為現代生物學(xué)實(shí)驗室的“基石“技術(shù)，細胞培養方法和試劑的改變，可能比其他領(lǐng)域發(fā)生的更為緩慢。但是這并不意味著(zhù)來(lái)年在細胞培養和分析領(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的編輯對來(lái)年的細胞培養和分析進(jìn)行了大膽的預測。

　　1. 細胞的3D生物打印。把它看作是下一個(gè)十年的細胞培養。長(cháng)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，以使不同的細胞過(guò)程(例如干細胞的分化)成為可能，以及如何將生長(cháng)因子和其他生物大分子放置到支架中，以與細胞相互作用。所有這一切，都是利用傳統移液器將細胞滴入這些支架中。但是，在細胞培養世界中，隨著(zhù)細胞的3D生物打印在世界范圍內的更為普遍，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醫院的研究人員正在致力于生物打印干細胞，最終為神經(jīng)系統疾病的研究生成人腦組織。3D打印機的特異性與它們對生物學(xué)樣本的適應性相結合，讓我們在2015年有良好的時(shí)機，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胞排列。

　　2. 最后了解你的細胞?我們繼續把它作為每年的一個(gè)預測問(wèn)題。人們越來(lái)越了解生物學(xué)中的可重復性問(wèn)題，已經(jīng)導致人們強烈抗議用定義明確、經(jīng)過(guò)驗證的試劑開(kāi)展的精確描述的實(shí)驗。然而，問(wèn)題仍在于，使用的是未經(jīng)驗證的細胞系。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，資助機構將需要細胞系的認證數據?也許用于認證的資金將被補充到研究資金里面?或者也許該出現一種用于好用細胞系認證的單一數據庫和程序。

　　3. “太空細胞”�，F在我們來(lái)做出2015年最深遠的預測：更多檢測有限重力對細胞的影響，將對真實(shí)感3D細胞培養和再生醫學(xué)應用，提供一種更好的路徑。讓我解釋一下。隨著(zhù)航天任務(wù)的增多，以前在太空檢測細胞的工作已經(jīng)有經(jīng)驗了，在接下來(lái)的幾個(gè)月，太空細胞培養將變得越來(lái)越普遍。在2014年，英國杜倫大學(xué)的Stefan Przyborski，將細胞送到國際空間站，以檢測3D細胞培養，并研究微重力對細胞的生理學(xué)影響。Przyborski一直熱切地參與3D細胞培養方法的發(fā)展，他開(kāi)發(fā)了一種支架，可使一種比傳統2D平板更加現實(shí)的培養環(huán)境成為可能。但事實(shí)證明，在微重力環(huán)境下，細胞更容易聚集在一起，一些學(xué)者甚至認為，這樣的環(huán)境可能對于推動(dòng)再生醫學(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，細胞太空培養方面的見(jiàn)解，可能為再生醫學(xué)進(jìn)步做了更好的準備，我們認為，2015年可以看到新的空間細胞生物學(xué)研究。

2015技術(shù)展望之蛋白質(zhì)分析

　　蛋白質(zhì)是細胞功能的執行者，是一切生命的物質(zhì)基礎。然而人們對蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)組的了解還遠遠不夠，蛋白質(zhì)分析被認為是一項復雜而艱巨的任務(wù)。2015年是蛋白質(zhì)領(lǐng)域的關(guān)鍵一年，有可能決定著(zhù)蛋白質(zhì)分析的未來(lái)走向。

　　1.人類(lèi)蛋白互作圖譜取得更大的成果。最近Cell雜志上發(fā)表了一項大規模的蛋白質(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模的人類(lèi)蛋白互作圖譜。他們計劃將在未來(lái)六年中逐步完成人類(lèi)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(lèi)互作組，進(jìn)一步理解疾病的發(fā)生和發(fā)展。對新發(fā)現的蛋白互作進(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(lèi)研究結出更多碩果。

　　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隔室為基礎的人造細胞。這些二維的人造細胞可以實(shí)現預編程的蛋白合成、代謝和通訊，是一種非常靈活的蛋白合成系統。研究顯示，人造細胞能夠更好的模擬蛋白表達的動(dòng)態(tài)模式，維持蛋白信號的梯度。人們可以利用這一系統來(lái)評估蛋白質(zhì)的活性和相互作用，這種方法將對蛋白質(zhì)功能研究產(chǎn)生重要的影響。

　　3. 一個(gè)時(shí)代的終結——蛋白質(zhì)結構計劃PSI收官。PSI項目在運行了十五年后，正逐步走向自己的終點(diǎn)。PSI項目已經(jīng)確定了六千三百多個(gè)蛋白結構，為蛋白質(zhì)分析做出了重要的貢獻。那些為PSI而建的高通量蛋白生產(chǎn)中心可能會(huì )繼續維持下去，給其他結構生物學(xué)實(shí)驗室使用。結構生物學(xué)家們也可能啟動(dòng)與數據處理有關(guān)的中、大型項目，作為PSI的延續。

　　不管怎樣，對于蛋白質(zhì)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)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(lèi)似人類(lèi)互作組圖譜的大型項目，增進(jìn)我們對蛋白質(zhì)結構和功能的理解。

2015技術(shù)展望之基因組編輯

　　規律成簇的間隔短回文重復CRISPR與內切酶Cas9的組合，原本是細菌抵御病毒的重要武器，現在這一組合已經(jīng)成為了最熱門(mén)的基因組編輯利器。

　　2014年基因組編輯熱潮在持續發(fā)酵，CRISPR/Cas9仍舊是最引人注目的話(huà)題之一，相關(guān)論文被大量下載和引用�？v觀(guān)CRISPR/Cas9的發(fā)展我們可以看到，科學(xué)家們仍在追求最理想的基因組工程技術(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測一下，明年基因組工程領(lǐng)域會(huì )起那些波瀾：

　　1. 大規模CRISPR/Cas9。2013年，麻省理工的CRISPR技術(shù)先驅張鋒(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，還很可能會(huì )出現大型的引導RNA數據庫。在這樣的趨勢下，每個(gè)人都能在自己的基因組工程研究中用上CRISPR/Cas9。

　　2. CRISPR對簿公堂。2015年將有更多公司提供以CRISPR為基礎的實(shí)驗工具，基于CRISPR的藥物也將離我們越來(lái)越近。在這種情況下，基礎研究領(lǐng)域可能會(huì )迎來(lái)歷史上最大的專(zhuān)利訴訟。目前有三個(gè)團隊都宣稱(chēng)自己享有CRISPR/Cas9技術(shù)的部分專(zhuān)利權，他們很可能最終會(huì )對簿公堂，而專(zhuān)利權的歸屬將決定CRISPR/Cas9日后的命運。

　　3.用細胞來(lái)記錄生命。假如細胞能將自己發(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)表了一項令人振奮的成果。他們通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)，將細胞事件的模擬記憶編碼在活細胞DNA中。雖然這類(lèi)研究還處于早期階段，但隨著(zhù)研究者們不斷突破細胞工程的極限，我們期待在2015年看到更多的進(jìn)展和應用。

　　當然了以上都只是我們的推測，基因組工程領(lǐng)域其實(shí)是很難預測的，因為相關(guān)技術(shù)發(fā)展得非常之快。你看，短短兩三年CRISPR/Cas9系統就走了這么遠。這些基因工程領(lǐng)域的預測是否過(guò)于保守，就讓我們拭目以待吧。