梳理 | 2022年需要重点关注的七大生物技术！

来源：IVD分享库

1，完整测序的人类基因组

当“端粒到端粒”（Telomere-to-Telomere，T2T）研究项目在2019年启动时，接近十分之一的人类基因组（主要为异染色质和其它复杂区域）仍然没有完成测序或者错误较多。去年5月，T2T项目首次报告了人类基因组的端到端序列，在广泛使用的人类基因组图谱（GRCh38）的基础上添加了接近2亿个新碱基对，为人类基因组计划写上了最后的章节。

最初在2013年发布的GRCh38因为使用的短读测序技术的局限，无法确凿地描绘出高度重复基因组序列的图谱，这包括染色体两端的端粒，和在细胞分裂中调控新复制DNA分配的着丝粒（centromeres）。

长读测序技术为对这些区域进行测序带来了突破，这一技术可以一次对长度为数万到数十万碱基对的片段进行测序，从而让T2T项目的科学家们能够发现长段重复序列中的微小变异。这些像指纹一样的微小变异让他们能够追踪不同的重复序列，完成对剩余基因组的测序。

牛津纳米孔技术（ONT）公司的技术平台还能够捕捉到调控基因表达的多种DNA修饰，这让T2T的科学家能够在基因组范围描绘表观遗传学标志。

目前，T2T的合作机构之一，人类泛基因组参考联盟（Human Pangenome Reference Consortium）致力于通过对全球上百名供体的基因组进行测序，生成反映人类等位基因多样性，更具代表性的基因组图谱。该组织的目标是捕捉到97%的人类等位基因多样性。科学家表示，利用新近的全基因组测序技术，有望在未来生成地球上所有脊椎动物物种的全基因组图谱。

2，解析蛋白质结构

蛋白结构决定蛋白功能，然而解析蛋白结构却并不容易。过去两年里，实验技术和计算领域的进步赋予研究人员相辅相成的工具，让他们能以前所未有的速度和分辨率解析蛋白结构。

由DeepMind公司开发的AlphaFold2人工智能算法，依靠深度学习策略根据蛋白的氨基酸序列预测蛋白结构。去年7月发布的论文显示，它能够预测出98.5%的人类蛋白结构。同时，华盛顿大学蛋白设计研究所David Baker教授团队构建的RoseTTAFold软件系统在预测蛋白结构方面也表现出与AlphaFold2相当的能力。

与此同时，冷冻电镜（Cryo-EM）技术的发展让研究人员能够通过实验，解析最具挑战性的蛋白和复合体的结构。在2020年，冷冻电镜硬件和软件的进步让两支团队以清晰度小于1.5 å的水平解析蛋白结构，捕捉到单个原子的位置。这些研究显示在接近原子水平的清晰度解析复杂蛋白结构是可能的。

越来越多的实验科学家将AlphaFold2和冷冻电镜视为相辅相成的工具，计算机模型能够帮助冷冻电镜的数据分析和重建，而冷冻电镜能发现目前计算预测尚无法触达的结构。科学家们希望未来能够利用机器学习技术，辅助冷冻电镜解析蛋白与其它分子相互作用时的构象变化，以及它们在冷冻细胞切片中的自然行为。

3，量子模拟

量子计算机通过称为量子比特（qubits）的单元来处理数据，一个经典的二进制位只能表示一个单独的二进制值，例如0或1，这意味着它只能处于两种可能的状态之一。然而，一个量子比特可以表示一个0、一个1，或者0和1这两种状态组合的任意叠加，可能是一个0和一个1。由于它具有独特的物理特性，量子计算机具有超强的计算能力。

近年来的技术进展在迅速改善量子比特硬件稳定性和功能的同时，将量子计算机包含的量子比特数目从几十个提高到上百个。目前这一领域的先驱们已经成立公司，开发基于量子计算机的模拟器。业界人士估计量子模拟器有望在未来一两年内商业化。韩国科学技术高等研究院的物理学家Jaewook Ahn教授将它比作莱特兄弟最初制造的飞机。“他们制造的第一架飞机在运输方面没有任何优势。”他说，“然而它最终改变了世界！”

4，精准基因组编辑

CRISPR–Cas9技术以其所有的基因组编辑能力，比修复更适合基因失活。这是因为尽管将Cas9酶靶向基因组序列相对精确，但细胞对由此产生的双链切割的修复并不精确。

剑桥大学化学生物学家David Liu指出，大多数遗传疾病需要基因修正而不是破坏。刘和他的团队已经开发了两种有希望的方法来做到这一点。两者都利用了CRISPR的精确靶向，同时也限制了Cas9在该位点切割DNA的能力。第一种称为碱基编辑，将催化受损形式的Cas9与一种酶偶联，该酶有助于一个核苷酸化学转化为另一个核苷酸——例如，胞嘧啶转化为胸腺嘧啶或腺嘌呤转化为鸟嘌呤。新一代的先导编辑（prime editing）不但能够将任何碱基转换成其它类型的碱基，还能在基因组中精准插入DNA序列。单碱基编辑技术在2016年首次出现在科学论文中，如今基于这一技术的在研疗法即将步入临床开发阶段。

5，靶向基因疗法

基于核酸的药物可能在临床中产生影响，但在可应用的组织方面仍受到很大限制。大多数治疗需要对从患者体内采集并移植回患者体内的细胞进行局部给药或离体操作。其中一个例外是肝脏，这一过滤血液的器官是特异性药物递送的一个主要靶点，静脉输注、甚至皮下注射都可以达到肝脏特异性递送的效果。

腺相关病毒是许多基因治疗工作的首选载体，动物研究表明，仔细选择正确的病毒结合组织特异性基因启动子可以实现高效、特定器官的递送。

脂质纳米颗粒提供了一种非病毒的替代品，在过去几年发表的几项研究强调了调整其特异性的潜力。例如美国西南医学中心生物化学家Daniel Siegwart和他的同事开发的选择性器官靶向(SORT)方法，能够快速生成和筛选脂质纳米颗粒。

6，空间多组学

单细胞组学发展的爆炸式增长意味着研究人员现在可以从单个细胞中同时得出遗传、转录组学、表观遗传和蛋白质组学的见解。但单细胞技术也牺牲了至关重要的信息，将这些细胞从它们的原生环境中分离出来。

2016年，由斯德哥尔摩KTH皇家理工学院Joakim Lundeberg领导的研究人员设计了一种策略来克服这一问题。该团队用条形码寡核苷酸——短链RNA或DNA——制备载玻片，可从完整的组织切片中捕获信使RNA，这样每个转录本就可以根据其条形码分配到样本中的特定位置。Lundeberg说：“没有人真正相信我们可以从组织切片中拉出全转录组的分析。”“但结果却出人意料地容易。”

空间转录组学领域此后爆发。现在有多个商业系统可用，包括来自10x Genomics的Visium空间基因表达平台，它建立在Lundeberg的技术之上。

7，基于CRISPR的诊断

CRISPR–Cas系统精确切割特定核酸序列的能力源于其作为对抗病毒感染的细菌‘免疫系统’的作用。但并不是所有的Cas酶都是相等的。不同Cas酶的特征不一样，Cas9主要用于基于CRISPR的基因组修改，而基于CRISPR的诊断检测主要使用在2016年由张锋博士团队发现的Cas13。在RNA的指导下，Cas13不但能够切割靶点序列，还能够切割任何周围的RNA分子。

RNA扩增程序可以提高对微量病毒序列的灵敏度，Sabeti和她的同事开发了一种微流体系统，利用仅几微升样本扩增的遗传物质平行筛选多种病原体。她说：“目前，我们有一种检测方法，可以同时检测21种病毒，每份样本不到10美元。”她补充说，Sabeti和她的同事们开发出了基于CRISPR的同时检测超过169种人类病毒的工具。