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2018年,这7大顶级技术突破“很赞”

发布时间:2018-12-28

12月24日,The-Scientist杂志公布了其评选出的2018年顶级技术突破。

“双父亲”小鼠、摧毁肿瘤的纳米机器人、“AI化”的液体活检、颠覆基因表达分析的革命性技术……

这一年,科学家们,依然很“赞”!

 

 

突破哺乳动物同性生殖障碍,首次获得孤雄小鼠

 

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一只健康的成年双母亲小鼠(bimaternal mouse)有了自己的后代;而双父亲小鼠(bipaternal)出生不久后便会死去。(图片来源:LEYUN WANG)

 

同性生殖的现象在动物中并不罕见,例如在爬行类的蜥蜴、两栖类的蛙以及多种鱼类中,都有“孤雌生殖”现象:即不经过与雄性的交配,雌性个体即可生下后代。但与孤雌生殖对应的孤雄生殖则极其罕见,科学家们迄今只在一种斑马鱼中发现了孤雄生殖。

 

然而,对于高等哺乳动物来说,无论是孤雌生殖还是孤雄生殖都不存在。在爬行类和两栖类动物中不存在、而在哺乳类动物中进化出来的印记基因(imprinted genes)被认为是阻碍哺乳动物同性生殖的重要因素。

 

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图片来源:Cell Stem Cell

 


今年10月,发表在Cell Stem Cell杂志上的一项研究中,来自中国科学院的科学家们首次用两只雄性小鼠“生出了后代”,获得了具有两个父系基因组的孤雄小鼠。这些孤雄小鼠外观正常,可以自主呼吸,但是都在出生后48小时内死亡。

而早在2015年,科学家们曾成功培育出“双母亲”小鼠,这些“孤雌小鼠”似乎生长正常,并且能生育后代。

 

研究人员认为,这项新成果证实,在最高等的哺乳动物中,孤雄生殖也有可能实现,但所有的孤雄小鼠均无法存活至成年,意味着相比孤雌生殖,孤雄生殖有着更多的障碍。

 

 

 


摧毁肿瘤的DNA纳米机器人


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DNA纳米机器人运输了一种切断小鼠体内肿瘤血液供应的药物(图片来源:BAOQUAN DING AND HAO YAN)


借助纳米机器人将药物精准输送至肿瘤细胞,在定向杀死癌细胞的同时又不危及周围健康组织是许多科学家的梦想。

 

今年2月,来自中国国家纳米科学中心的科学家们报道了一种用DNA制成的纳米机器人,这种机器人可在血液中“穿行”,找到肿瘤,释放一种导致血液凝固,从而触发小鼠体内癌细胞死亡的蛋白——凝血酶。

 

研究人员之所以采用DNA作为原料构建纳米机器人,主要是基于DNA本身的生物相容性(biocompatible)与生物可降解性( biodegradable)。

 

实验表明,这一新型纳米机器人可精准定位并有效杀死肿瘤细胞,在多种小鼠肿瘤模型中取得了较好的结果。相关成果发表在Nature Biotechnology杂志上。

 


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图片来源:Nature Biotechnology

 

      

 



液体活检“AI化”



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用于检测血液中癌症DNA的机器学习算法有望为个性化癌症治疗铺平道路。(图片来源:ISTOCK, VITANOVSKI)

 


“如何在癌症很早期时发现它”以及“如何为患者提供个性化的、动态的治疗”是现代癌症医学的两大挑战。为了找到解决方案,一些实验室和生物技术公司开始转向人工智能,也就是AI。他们希望开发出能够帮助破译血液中微弱信号的机器学习算法。基于这些信号,科学家们可在早期识别癌症,也可以实时判断患者是否对接受的治疗有响应。

到目前为止,用于检测血样中微量肿瘤DNA的机器学习算法在临床验证研究中表现良好,但还没有一种自主学习算法被批准用于临床。通过直接从血液中寻找DNA、RNA和蛋白质的突变,这些技术在检测和监测癌症方面有可能超越成像和组织活检技术。

 

 



实验动物的“救星”


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基于软件的化学筛选可以最大限度地减少动物实验(图片来源:ISTOCK, NIDERLANDER)


在世界范围内,数以百万计的动物被用于化合物的毒性测试。现在,毒理学家开发出了一款能够准确预测这些试验结果的软件。该软件预测动物实验结果的准确率为87%,相比之下,重复实验本身只在81%的情况下重现了原始结果。这一成果于今年7月发表在Toxicological Sciences杂志上。作者们希望,该软件能够减少实验动物的使用。

 

 

  


无人机的“大用途”



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(图片来源:ROHAN CLARKE)


无人机使研究人员能够比以往任何时候更容易收集大量的生物数据,且成本更低、分辨率更高。

一些研究人员希望尽量减少实验动物的使用,而另一些人则希望尽可能多地收集有关野生动物的信息。如果使用得当,无人机可能会是个“好帮手”。一些科学家正在利用无人机做这样的事情,包括收集鲸鱼的鼻涕、检测整个海龟种群的大小和状况等。



 


革命性技术,改写视网膜细胞研究



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超柔性网状电极监测醒着的动物完好无损、功能正常的眼睛(图片来源:GEORGE RETSECK)

 

 

先前,为了记录视网膜细胞的活动,研究人员往往需要将眼睛从动物身上摘除,解剖视网膜,然后把它平放在一组微电极上。这种处理下,视网膜细胞可以对光线做出几小时的反应。

今年6月,哈佛大学纳米技术专家Charles Lieber及其同事开发了一款新型网状电极。这种超柔性网状电极能够留在活体动物的眼睛内,记录视网膜细胞的活动长达数周。值得注意的是,网状结构对视觉的影响很小,几周后就会从视网膜上脱落。

加州大学伯克利分校的Marla Feller表示,这是一项“了不起的”创新。相关成果发表在顶级期刊Science杂志上。


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图片来源:Science

 







迈向三维基因表达分析

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STARmap能够同时分析完整的、体积大的样本中的多个RNA。(图片来源: GEORGE RETSECK)

 

特定类型或组织的细胞可能看起来相似,但行为却不同。例如,在大脑中,相同亚型的神经元可能会根据它们的位置和连接扮演非常不同的角色。也就是说,当涉及到特定的细胞功能时,空间信息是绝对关键的。因此,研究人员正在开发一种能够检测组织切片中多个基因表达的工具。

由斯坦福大学科学家开发的STARmap便是这类工具中的一种。STARmap涉及将组织样本转化为水凝胶,以更好地检测揭示目标RNA位置的“条形码”。研究小组利用该技术分析了多达28个基因同时在150微米的小鼠脑组织切片中的表达,以及1000多个基因同时在8微米的切片中的表达。这些分析揭示了兴奋性和抑制性神经元亚型在大脑皮层上分布的差异。

瑞典卡罗林斯卡学院的分子系统生物学家Sten Linnarsson认为,STARmap是迈向真正三维基因表达分析的重要一步。相关成果也发表在Science杂志上。


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图片来源:Science