《自然》雜志挑選出了七大很可能在2023年對(duì)科學(xué)產(chǎn)生重大影響的工具和技術(shù)，應(yīng)用范圍從蛋白質(zhì)測(cè)序到電子顯微鏡，從考古學(xué)到天文學(xué)。

單分子蛋白質(zhì)測(cè)序

蛋白質(zhì)組是細(xì)胞或器官產(chǎn)生的全套蛋白質(zhì)，可以深刻揭示有關(guān)健康和疾病的詳細(xì)信息，但如何刻畫(huà)其特征仍舊是一個(gè)相當(dāng)艱巨的挑戰(zhàn)。

構(gòu)造蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)是比核酸更大的一些分子，也就是氨基酸。天然氨基酸大約有20種，相比之下，構(gòu)成DNA和信使RNA的核苷酸分子只有4種。這意味著，蛋白質(zhì)的化學(xué)多樣性要豐富得多。有些蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的數(shù)量很少，而且與核酸不同，蛋白質(zhì)無(wú)法擴(kuò)增，這意味著分析蛋白質(zhì)的方法必須使用已有的材料和技術(shù)。

大多數(shù)對(duì)蛋白質(zhì)組的分析使用的是質(zhì)譜法，也即根據(jù)質(zhì)量和電荷分析蛋白質(zhì)組的組成。這種方法可以同時(shí)量化數(shù)千種蛋白質(zhì)，但探測(cè)到的蛋白質(zhì)分子并不能保證被準(zhǔn)確識(shí)別。另外，這種方法常常忽視蛋白質(zhì)組中豐度較低的蛋白質(zhì)?，F(xiàn)在，可以測(cè)序樣本中諸多（甚至是全部）蛋白質(zhì)的單分子蛋白質(zhì)測(cè)序技術(shù)即將問(wèn)世。這種技術(shù)中有很多都類似分析DNA時(shí)用到的技術(shù)。

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校分析生物化學(xué)家愛(ài)德華 · 馬爾科特（Edward Marcotte）正在開(kāi)發(fā)的單分子蛋白質(zhì)測(cè)序方法叫作“熒光測(cè)序法”。根據(jù)2018年的報(bào)道，馬爾科特這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)是一種循序漸進(jìn)的化學(xué)過(guò)程：?jiǎn)蝹€(gè)氨基酸分子用熒光標(biāo)記出來(lái)，當(dāng)照相機(jī)捕獲熒光信號(hào)后，再將它們一個(gè)接一個(gè)地從表面偶聯(lián)蛋白質(zhì)的末端剪下來(lái)?！拔覀兛梢杂貌煌伾臒晒鈽?biāo)記蛋白質(zhì)，然后在剪下來(lái)時(shí)逐個(gè)觀察?！瘪R爾科特解釋說(shuō)。去年，位于康涅狄格州吉爾福德的一家生物技術(shù)公司“量子測(cè)序”（Quantum-Si）的研究人員提出了另一種熒光測(cè)序技術(shù)，使用經(jīng)過(guò)熒光標(biāo)記的“結(jié)合物”蛋白質(zhì)識(shí)別蛋白質(zhì)末端的特定氨基酸（或多肽）序列。

其他研究人員開(kāi)發(fā)的技術(shù)則是模擬基于納米孔的DNA測(cè)序技術(shù)。這種技術(shù)根據(jù)多肽在通過(guò)微小通道時(shí)誘發(fā)的電流變化分析它們的性質(zhì)。2021年，荷蘭代爾夫特大學(xué)生物物理學(xué)家齊斯 · 德克爾（Cees Dekker）和他的同事展示了這種方法。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了由蛋白質(zhì)制成的納米孔，并且成功區(qū)分了通過(guò)納米孔的多肽含有的單個(gè)氨基酸。海法以色列理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程師阿米特 · 梅勒（Amit Meller）的團(tuán)隊(duì)則在研究由硅基材料制成的固態(tài)納米孔設(shè)備。這種設(shè)備可以同時(shí)對(duì)許多蛋白質(zhì)分子個(gè)體進(jìn)行高通量分析。“你可以同時(shí)看到數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)納米孔。”梅勒說(shuō)。

另一種單分子蛋白質(zhì)測(cè)序技術(shù)目前還處于概念驗(yàn)證階段，但商業(yè)化很快就可以到來(lái)。例如，Quantum-Si就計(jì)劃在2023年推出這類工具的第一代。梅勒則特別提到，在2022年11月于代爾夫特召開(kāi)的一次蛋白質(zhì)測(cè)序大會(huì)上有一個(gè)專門(mén)討論該領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)的小組?！斑@讓我想起了新一代DNA測(cè)序工具誕生之前的那段日子。”他說(shuō)。

馬爾科特——他也是得克薩斯奧斯汀一家叫作“埃利斯永”（Erisyon）的蛋白質(zhì)測(cè)序公司的聯(lián)合創(chuàng)始人——對(duì)這一領(lǐng)域信心滿滿?！艾F(xiàn)在的問(wèn)題，并不是這些工具是否有用，” 他說(shuō)，“而是它們還要多久能到人們的手上?！?/p>

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡

天文學(xué)家在2022年就已經(jīng)正襟危坐了。在長(zhǎng)達(dá)20余年的設(shè)計(jì)和建造之后，美國(guó)宇航局——以及合作的歐洲空間局與加拿大宇航局——終于在2021年12月25日成功將詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）發(fā)射升空。之后，全球人民又等待了接近7個(gè)月，這架望遠(yuǎn)鏡才抵達(dá)預(yù)定位置、展開(kāi)鏡面（以及各種工具）、調(diào)整姿態(tài)，開(kāi)始第一輪觀測(cè)。

事實(shí)證明，詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡配得上如此耐心的等待。馬里蘭巴爾的摩空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所天文學(xué)家、JWST項(xiàng)目科學(xué)家馬特 · 芒頓（Matt Mountain）就表示，收到的第一批照片已經(jīng)超越了他最大膽的期待?！斑@些照片告訴我們，原來(lái)天空中沒(méi)有一處是空的——到處都是星系，”他說(shuō)，“當(dāng)然，我們之前就已經(jīng)通過(guò)理論計(jì)算知曉了這點(diǎn)，但真正看到這樣的畫(huà)面，還是會(huì)大感震撼。”

JWST的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是填補(bǔ)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡留下的空白。當(dāng)然，后者已經(jīng)為人類拍攝了無(wú)數(shù)震撼照片，但并非沒(méi)有盲點(diǎn)，那就是：具有諸多紅外波段特征（可見(jiàn)光波段看不到）的古老恒星和星系。要彌補(bǔ)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的這一缺憾，就必須借助極為靈敏的儀器，它得靈敏到能夠探測(cè)到數(shù)十億光年之外產(chǎn)生的極微弱紅外信號(hào)。

JWST最后把主鏡設(shè)計(jì)成了一個(gè)由18塊極為平滑的子鏡面構(gòu)成的主鏡。這些子鏡面全部展開(kāi)后，主鏡口徑能達(dá)到6.5米。芒頓表示，這些鏡面建造得非常平滑，即便把它們等比例放大成全美國(guó)那么大，建造誤差導(dǎo)致的厚度差也不會(huì)超過(guò)幾厘米。此外，JWST還配備了最為先進(jìn)的中紅外和近紅外探測(cè)器。

借助這些功能強(qiáng)大的設(shè)備，JWST得以填補(bǔ)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡留下的空白，比如捕捉擁有135億年歷史的古老星系的信號(hào)。正是這些星系產(chǎn)生了宇宙中第一批氧原子和氖原子。另外，JWST還有我們意想不到的驚喜，例如測(cè)量了特定系外行星的大氣組成。

全世界的天文學(xué)家都排起長(zhǎng)隊(duì)等待JWST的觀測(cè)時(shí)間。英國(guó)卡迪夫大學(xué)天體物理學(xué)家松浦美香子借助JWST開(kāi)展了兩項(xiàng)研究，目標(biāo)是觀察與行星和恒星形成相關(guān)的宇宙塵埃的創(chuàng)生與毀滅。美香子表示，相比自己過(guò)去使用過(guò)的望遠(yuǎn)鏡，JWST的靈敏度和精準(zhǔn)度高了不止一個(gè)量級(jí)?！巴瑯邮沁@些天體，用JWST觀察到的畫(huà)面與此前完全不同——這可太令人驚奇了?！?/p>

體積電子顯微鏡

電子顯微鏡以其卓越的分辨率而著稱，但大多數(shù)只能檢測(cè)樣本的表面情況。要想深入研究樣本的內(nèi)部情況，就得把它們切割成極小的薄片，這對(duì)生物學(xué)家來(lái)說(shuō)往往難以實(shí)現(xiàn)。倫敦弗朗西斯 · 克里克研究所電子顯微鏡學(xué)家露西 · 科林森（Lucy Collinson）解釋說(shuō)，用現(xiàn)有顯微鏡檢視單個(gè)細(xì)胞，要想看到樣本的全部情況，需要把它切成200個(gè)薄片?！澳阋侵挥幸环萸衅?，那就只是在玩統(tǒng)計(jì)學(xué)游戲。”露西說(shuō)。

現(xiàn)在，研究人員正努力讓電子顯微鏡的高分辨率擴(kuò)展到囊括數(shù)立方厘米空間的三維結(jié)構(gòu)中。

在此之前，研究人員只能通過(guò)二維電子顯微鏡圖像構(gòu)建三維圖像——例如，繪制大腦中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)——但這需要無(wú)比繁雜的樣本準(zhǔn)備、成像、計(jì)算工作，才能把那些二維圖像轉(zhuǎn)換成三維。現(xiàn)在，最新的“體積電子顯微鏡”技術(shù)可以極大地簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。

體積電子顯微鏡技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有很多限制。就拿連續(xù)塊面成像來(lái)說(shuō)，體積電子顯微鏡利用金剛石制成的刀刃，相對(duì)快速地切入樣本，從而能一次處理體積約為1立方毫米的樣本。然而，目前通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)拍攝的樣本內(nèi)部照片分辨率不佳，所以構(gòu)建得到的三維圖像也比較模糊。聚焦粒子束掃描電子顯微鏡也可以把切片切得更薄——所以拍攝到的樣本內(nèi)部照片分辨率更高——因而更適合分析小體積樣本。

科林森把體積電子顯微鏡技術(shù)的崛起描述為一場(chǎng)“靜悄悄的革命”。研究人員原本更看重電子顯微鏡技術(shù)帶來(lái)的結(jié)果，而非技術(shù)本身。然而，目前這種狀況正在改變。例如，2021年，電子顯微鏡細(xì)胞器切割計(jì)劃的研究人員就在《自然》雜志上發(fā)表了一系列論文，強(qiáng)調(diào)了在繪制細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的重大進(jìn)展?！澳钦媸橇钊擞∠笊羁??！笨屏稚f(shuō)。

電子顯微鏡細(xì)胞器切割計(jì)劃使用了定制的高精度聚焦粒子束掃描電子顯微鏡，從而在保持良好空間分辨率的同時(shí)，將單次實(shí)驗(yàn)可以處理的樣本大小擴(kuò)大200倍左右。將這種先進(jìn)設(shè)備同深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來(lái)，研究人員就可以得到各種細(xì)胞器和其他亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的全3D內(nèi)部圖像。

當(dāng)然，樣本的準(zhǔn)備工作仍舊很繁瑣，甚至有些難以掌握，得到的數(shù)據(jù)集也十分龐雜。但事實(shí)證明，這些努力都是值得的：科林森已經(jīng)借助體積電子顯微鏡技術(shù)在傳染病研究和癌癥生物學(xué)領(lǐng)域收獲了新成果?，F(xiàn)在，她正與同事一道，探索構(gòu)建高分辨率小鼠全腦三維圖像的可行性。按照科林森的預(yù)測(cè)，這項(xiàng)工作耗時(shí)可能超過(guò)十年，需要數(shù)十億美元的資金，并且產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)?！斑@項(xiàng)工作的復(fù)雜程度很可能相當(dāng)于繪制第一張人類基因組圖譜?！笨屏稚f(shuō)。

CRISPR全面鋪開(kāi)

基因組編輯工具CRISPR-Cas9作為在基因組目標(biāo)位點(diǎn)引進(jìn)限定改變的關(guān)鍵方法，早已無(wú)可非議地獲得名聲，推動(dòng)基因療法、疾病建模和其他研究領(lǐng)域的種種突破。然而這項(xiàng)技術(shù)的用武之地還是有所限制。如今，科研人員在尋找方法來(lái)規(guī)避那些限制。

CRISPR編輯由一個(gè)短鏈向?qū)NA負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)。短鏈向?qū)NA指引一個(gè)相關(guān)的Cas核酸酶到基因組序列目標(biāo)處。但這種核酸酶還需要一個(gè)附近的原始間隔基相鄰基序（PAM）。假如沒(méi)有PAM，基因編輯很可能會(huì)失敗。

在位于波士頓的麻省總醫(yī)院，基因工程師本杰明 · 克萊因斯蒂弗（Benjamin Kleinstiver）使用蛋白質(zhì)工程，改造常用的、源自化膿性鏈球菌的Cas9核酸酶，創(chuàng)造出近似無(wú)需PAM的Cas變異體。一個(gè)Cas變異體所需的PAM只要有三個(gè)連續(xù)的核苷酸基，并且中間位置的核苷酸為A或G就行?！艾F(xiàn)在這些核酸酶幾乎能讀出整個(gè)基因組，而常規(guī)的CRISPR酶對(duì)于基因組的任何位置，讀出率都在1%到10%之間。”克萊因斯蒂弗說(shuō)道。

這樣放松后的PAM要求增加了脫靶編輯的概率，但進(jìn)一步的基因工程改造能改善專一性。作為一個(gè)替代方案，克萊因斯蒂弗的團(tuán)隊(duì)正在用基因工程改造和測(cè)試大量的Cas9變異體，每一種變異體都展現(xiàn)出對(duì)于特定PAM序列的高專一性。

還有許多天然出現(xiàn)的Cas變異體有待發(fā)現(xiàn)。在自然界，CRISPR-Cas9系統(tǒng)是細(xì)菌對(duì)抗病毒感染的防御機(jī)制，不同的微生物演化出不同的核酸酶，這些核酸酶擁有獨(dú)特的PAM偏好。意大利特倫托大學(xué)的病毒學(xué)家安娜 · 切雷塞特（Anna Cereset）和微生物組研究者尼古拉 · 塞加塔（Nicola Segata）梳理了一百多萬(wàn)種微生物基因組，識(shí)別了多種多樣的Cas9變異體。他們估計(jì)，這些變異體加在一起，能瞄準(zhǔn)超過(guò)人類中98%的已知會(huì)引起疾病的突變。

然而，這些變異體中只有少數(shù)會(huì)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)揮作用?！拔覀兊南敕ㄊ菧y(cè)試許多變異體，看一下讓那些核酸酶恰當(dāng)起作用的決定因素是什么?！鼻欣兹卣f(shuō)?？巳R因斯蒂弗說(shuō)，從這些天然核酸酶“池”中獲得的洞見(jiàn)，再加上高通量蛋白質(zhì)工程改造方面的努力，“我認(rèn)為我們最終會(huì)得到十分完整的編輯器工具箱，使得我們能編輯任何一個(gè)我們想要編輯的核苷酸基。”

高精度的放射性碳定年法

去年，考古學(xué)家利用放射性碳定年法的進(jìn)步，確定維京人探索者初次抵達(dá)美洲的準(zhǔn)確年份——甚至準(zhǔn)確到季節(jié)。荷蘭格羅寧根大學(xué)的同位素分析專家邁克爾 · 迪伊（Michael Dee）與博士后瑪戈 · 庫(kù)伊特姆斯（Margot Kuitems）帶領(lǐng)的一支團(tuán)隊(duì)用加拿大紐芬蘭北岸一處聚落出土的伐倒木材碎片做分析，確定這些樹(shù)很可能是在公元1021年被人伐倒的，并且大概是在春季。

從1940年代起，科學(xué)家一直在對(duì)有機(jī)人工制品使用放射性碳定年法來(lái)縮小歷史事件的日期范圍。他們通過(guò)測(cè)量碳-14同位素的痕量來(lái)定年。碳-14的形成是宇宙射線與地球大氣層相互作用的結(jié)果，在千百年里緩慢衰變。但這項(xiàng)技術(shù)的精確度通常只夠把年份推定到20年左右的范圍內(nèi)。

情況在2012年發(fā)生變化，由日本名古屋大學(xué)三宅芙沙（Fusa Miyake）帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)指出，他們可以將一棵日本柳杉年輪中碳-14水平的一個(gè)尖峰定年至公元774年至775年之間。隨后的研究不僅證實(shí)這一尖峰出現(xiàn)在全球各地這個(gè)時(shí)期的木材樣本中，另外還識(shí)別出至少五個(gè)其他尖峰，最早能追溯到公元前7176年。研究者已經(jīng)將這些尖峰與太陽(yáng)風(fēng)暴活動(dòng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，不過(guò)這種假說(shuō)仍然處在探索中。

不管背后的原因是什么，這些 “三宅事件” 允許研究者能精確地確定木質(zhì)人工制品的誕生年份，方法是先偵測(cè)一個(gè)特定的三宅事件，再清點(diǎn)自那之后形成的年輪數(shù)量。庫(kù)伊特姆斯說(shuō)，基于最外側(cè)年輪的寬度，研究者甚至能確定某棵樹(shù)是在哪個(gè)季節(jié)被砍伐的。

考古學(xué)家目前在將這個(gè)方法應(yīng)用到新石器時(shí)代聚落和火山爆發(fā)遺址，而迪伊希望用它來(lái)研究中部美洲的瑪雅帝國(guó)。迪伊樂(lè)觀地認(rèn)為，在接下來(lái)的十年左右，“我們會(huì)掌握許多古代文明的絕對(duì)記錄，精確到年份，而且我們將能在精細(xì)的尺度上探討它們的歷史發(fā)展?！?/p>

至于三宅芙沙，她對(duì)歷史“碼尺”的搜尋仍在繼續(xù)?！拔覀兡壳霸谶^(guò)往一萬(wàn)年中搜尋其他可與774—775年事件相比的碳-14尖峰?！彼f(shuō)道。

單細(xì)胞代謝物組學(xué)

代謝物組學(xué)是對(duì)脂質(zhì)、碳水化合物與其他驅(qū)動(dòng)細(xì)胞的小分子的研究，最初是一套描繪一類細(xì)胞或組織中代謝產(chǎn)物特征的方法，但如今轉(zhuǎn)變至單細(xì)胞層面?？茖W(xué)家能利用這樣細(xì)胞層面的數(shù)據(jù)來(lái)解開(kāi)大量貌似一模一樣的細(xì)胞中存在的功能復(fù)雜性。然而，研究的轉(zhuǎn)變提出令人畏縮的艱難挑戰(zhàn)。

代謝物組包含大量具有不同化學(xué)性質(zhì)的分子。歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室海德堡總部的代謝物組學(xué)研究者西奧多 · 亞歷山德羅夫（Theodore Alexandrov）說(shuō)，一些分子的存在十分短暫，擁有亞秒級(jí)的替換率。而且它們很難探測(cè)到：盡管單細(xì)胞RNA定序能捕捉到細(xì)胞或有機(jī)體（轉(zhuǎn)錄組）所有RNA分子的將近一半，但大多數(shù)代謝分析只涵蓋細(xì)胞代謝物中的極小一部分。喪失的信息可能包含關(guān)鍵的生物學(xué)見(jiàn)解。

“代謝物組實(shí)際上是細(xì)胞的活躍部分?！币晾Z伊大學(xué)厄巴納-尚佩恩分校的分析化學(xué)家喬納森 · 斯威德勒（Jonathan Sweedler）說(shuō)道，“當(dāng)你罹患疾病，假如你想要了解細(xì)胞狀態(tài)，你會(huì)想要看一下代謝物?！?/p>

許多代謝物組實(shí)驗(yàn)室以分離的細(xì)胞做研究，他們將這些細(xì)胞困于毛細(xì)管中，用質(zhì)譜法進(jìn)行個(gè)別分析。相比之下，成像質(zhì)譜法捕捉細(xì)胞代謝物生產(chǎn)在樣本不同位點(diǎn)如何變化的空間信息。譬如說(shuō)，研究者使用一種名叫基質(zhì)輔助激光解吸/電離（MALDI）的技術(shù)，讓激光光束掃過(guò)特別處理過(guò)的組織切片，隨后對(duì)釋放出的代謝物用質(zhì)譜法進(jìn)行分析。這種方法也能捕捉到樣本產(chǎn)生代謝物的位點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

理論上，兩種方法都能量化分析數(shù)千個(gè)細(xì)胞中的數(shù)百種化合物，但要達(dá)成該目標(biāo)，一般需要頂尖的定制硬件設(shè)備，花費(fèi)在100萬(wàn)美元范圍內(nèi)，斯威德勒說(shuō)。

現(xiàn)在，研究者在將這項(xiàng)技術(shù)以更低的成本推廣普及。2021年，亞歷山德羅夫的團(tuán)隊(duì)介紹了一個(gè)開(kāi)源軟件工具SpaceM，它使用光學(xué)顯微鏡成像數(shù)據(jù)，使得用標(biāo)準(zhǔn)商用質(zhì)譜儀對(duì)培養(yǎng)的細(xì)胞之代謝物組作空間剖析成為可能?！拔覀冇悬c(diǎn)像在數(shù)據(jù)分析的部分上做了吃力困難的工作。”他說(shuō)。

亞歷山德羅夫的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用SpaceM來(lái)剖析數(shù)萬(wàn)個(gè)人類細(xì)胞和小鼠細(xì)胞的數(shù)百種代謝物，利用標(biāo)準(zhǔn)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄方法來(lái)將那些細(xì)胞分為不同類別。亞歷山德羅夫說(shuō)，他對(duì)后一個(gè)方面特別感興趣，考慮匯編“代謝物組圖集”——類似于那些為轉(zhuǎn)錄組制定的圖集——來(lái)加速這個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。他說(shuō)：“這肯定是前沿領(lǐng)域，而且會(huì)是一個(gè)重要的使能者?！?/p>

體外胚胎模型

就小鼠和人類而言，從受精卵到完全成形的胚胎的歷程在細(xì)胞層面上已經(jīng)被詳細(xì)地描繪出來(lái)。然而，我們對(duì)驅(qū)動(dòng)這個(gè)過(guò)程早期階段的分子機(jī)械依然了解甚少。如今，胚狀體模型中的一系列活動(dòng)正在幫助我們填補(bǔ)這些知識(shí)空缺，讓研究者更清楚地觀察那些能決定胎兒發(fā)育成功與否的早期關(guān)鍵事件。

一些最為復(fù)雜的模型來(lái)自加州理工學(xué)院和劍橋大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家瑪格達(dá)萊娜 · 策尼卡-格茨（Magdalena Zernicka-Goetz）的實(shí)驗(yàn)室。2022年，她與團(tuán)隊(duì)示范了他們能夠完全從胚胎干細(xì)胞生成著床期的小鼠胚胎。

和所有多能干細(xì)胞類似，胚胎干細(xì)胞能形成任何細(xì)胞或組織類型——但它們需要與兩類胚外細(xì)胞的密切相互作用，才能完成正常的胚胎發(fā)育。策尼卡-格茨團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)如何誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞來(lái)形成那些胚外細(xì)胞，表明這些細(xì)胞能與胚胎干細(xì)胞一起培養(yǎng)，產(chǎn)生的胚胎模型能成熟到此前以體外方式未曾達(dá)到的階段。策尼卡-格茨說(shuō)：“它和你想象中的胚胎模型一樣。它發(fā)育出腦袋和心臟，而且心臟還會(huì)跳動(dòng)。”她的團(tuán)隊(duì)能利用該模型來(lái)揭示，個(gè)體基因的變更能夠如何讓正常的胚胎發(fā)育偏離正軌。

在中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院，干細(xì)胞生物學(xué)家米格爾 · 埃斯特萬(wàn)（Miguel Esteban）與同事選擇另一個(gè)研究方向：他們將人類干細(xì)胞重編程，建立胚胎發(fā)育最早期階段的模型。

“我們從這樣甚至也許能制造出受精卵的想法著手。”埃斯特萬(wàn)說(shuō)。團(tuán)隊(duì)并未實(shí)際達(dá)成目標(biāo)，但他們確定了一種推動(dòng)干細(xì)胞回到某個(gè)類似人類胚胎八細(xì)胞期的階段的培養(yǎng)策略。這是胚胎發(fā)育研究中的至關(guān)重要的里程碑，與基因表達(dá)的重大轉(zhuǎn)變有關(guān)。正是有了基因表達(dá)的重大轉(zhuǎn)變，才最終產(chǎn)生獨(dú)特的胚胎與胚外細(xì)胞譜系。

盡管尚不完美，埃斯特萬(wàn)的模型顯示天然八細(xì)胞期胚胎中細(xì)胞的關(guān)鍵特征，凸顯人類胚胎和小鼠胚胎開(kāi)始向八細(xì)胞期過(guò)渡時(shí)在方式上的重要差異。“我們看到一個(gè)在小鼠中甚至沒(méi)有被表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)了整個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程?！卑Ｋ固厝f(wàn)說(shuō)。

這些模型有助于研究人員弄清僅僅一些細(xì)胞是如何產(chǎn)生極其復(fù)雜的脊椎動(dòng)物軀體的。

在許多國(guó)家，人類胚胎的研究受到限制，有著所謂的“14天準(zhǔn)則”，即在體外培養(yǎng)人類胚胎的時(shí)間不得超過(guò)14天。但14天已經(jīng)足夠，研究人員能在上述限制條件下能進(jìn)行研究。埃斯特萬(wàn)說(shuō)，非人類的靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型提供一種可能的替代選擇。策尼卡-格茨說(shuō)，她的小鼠胚胎研究策略也能生成發(fā)育最長(zhǎng)達(dá)到第12天的人類胚胎?！拔覀?nèi)匀挥性S多對(duì)于那個(gè)發(fā)育階段的問(wèn)題要問(wèn)?！彼f(shuō)道。

資料來(lái)源 Nature