12月24日，The-Scientist雜志公布了其評(píng)選出的2018年頂級(jí)技術(shù)突破。“雙父親”小鼠、摧毀腫瘤的納米機(jī)器人、“AI化”的液體活檢、顛覆基因表達(dá)分析的革命性技術(shù)……這一年，科學(xué)家們，依然很“贊”！
1# 突破哺乳動(dòng)物同性生殖障礙，首次獲得孤雄小鼠
一只健康的成年雙母親小鼠（bimaternal mouse）有了自己的后代；而雙父親小鼠（bipaternal）出生不久后便會(huì)死去。（圖片來源：LEYUN WANG）
同性生殖的現(xiàn)象在動(dòng)物中并不罕見，例如在爬行類的蜥蜴、兩棲類的蛙以及多種魚類中，都有“孤雌生殖”現(xiàn)象：即不經(jīng)過與雄性的交配，雌性個(gè)體即可生下后代。但與孤雌生殖對(duì)應(yīng)的孤雄生殖則極其罕見，科學(xué)家們迄今只在一種斑馬魚中發(fā)現(xiàn)了孤雄生殖。
然而，對(duì)于高等哺乳動(dòng)物來說，無論是孤雌生殖還是孤雄生殖都不存在。在爬行類和兩棲類動(dòng)物中不存在、而在哺乳類動(dòng)物中進(jìn)化出來的印記基因（imprinted genes）被認(rèn)為是阻礙哺乳動(dòng)物同性生殖的重要因素。
今年10月，發(fā)表在Cell Stem Cell雜志上的一項(xiàng)研究中，來自中國科學(xué)院的科學(xué)家們首次用兩只雄性小鼠“生出了后代”，獲得了具有兩個(gè)父系基因組的孤雄小鼠。這些孤雄小鼠外觀正常，可以自主呼吸，但是都在出生后48小時(shí)內(nèi)死亡。
而早在2015年，科學(xué)家們?cè)晒ε嘤?ldquo;雙母親”小鼠，這些“孤雌小鼠”似乎生長正常，并且能生育后代。
研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)新成果證實(shí)，在等的哺乳動(dòng)物中，孤雄生殖也有可能實(shí)現(xiàn)，但所有的孤雄小鼠均無法存活至成年，意味著相比孤雌生殖，孤雄生殖有著更多的障礙。
2# 摧毀腫瘤的DNA納米機(jī)器人
DNA納米機(jī)器人運(yùn)輸了一種切斷小鼠體內(nèi)腫瘤血液供應(yīng)的藥物（圖片來源：BAOQUAN DING AND HAO YAN）
借助納米機(jī)器人將藥物精準(zhǔn)輸送至腫瘤細(xì)胞，在定向殺死癌細(xì)胞的同時(shí)又不危及周圍健康組織是許多科學(xué)家的夢(mèng)想。
今年2月，來自中國國家納米科學(xué)中心的科學(xué)家們報(bào)道了一種用DNA制成的納米機(jī)器人，這種機(jī)器人可在血液中“穿行”，找到腫瘤，釋放一種導(dǎo)致血液凝固，從而觸發(fā)小鼠體內(nèi)癌細(xì)胞死亡的蛋白——凝血酶。
研究人員之所以采用DNA作為原料構(gòu)建納米機(jī)器人，主要是基于DNA本身的生物相容性（biocompatible）與生物可降解性（ biodegradable）。
實(shí)驗(yàn)表明，這一新型納米機(jī)器人可精準(zhǔn)定位并有效殺死腫瘤細(xì)胞，在多種小鼠腫瘤模型中取得了較好的結(jié)果。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Biotechnology雜志上。
3# 液體活檢“AI化”
用于檢測(cè)血液中癌癥DNA的機(jī)器學(xué)習(xí)算法有望為個(gè)性化癌癥治療鋪平道路。（圖片來源：ISTOCK, VITANOVSKI）
“如何在癌癥很早期時(shí)發(fā)現(xiàn)它”以及“如何為患者提供個(gè)性化的、動(dòng)態(tài)的治療”是現(xiàn)代癌癥醫(yī)學(xué)的兩大挑戰(zhàn)。為了找到解決方案，一些實(shí)驗(yàn)室和生物技術(shù)公司開始轉(zhuǎn)向人工智能，也就是AI。他們希望開發(fā)出能夠幫助破譯血液中微弱信號(hào)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法?；谶@些信號(hào)，科學(xué)家們可在早期識(shí)別癌癥，也可以實(shí)時(shí)判斷患者是否對(duì)接受的治療有響應(yīng)。
到目前為止，用于檢測(cè)血樣中微量腫瘤DNA的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在臨床驗(yàn)證研究中表現(xiàn)良好，但還沒有一種自主學(xué)習(xí)算法被批準(zhǔn)用于臨床。通過直接從血液中尋找DNA、RNA和蛋白質(zhì)的突變，這些技術(shù)在檢測(cè)和監(jiān)測(cè)癌癥方面有可能超越成像和組織活檢技術(shù)。
4# 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的“救星”
基于軟件的化學(xué)篩選可以限度地減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（圖片來源：ISTOCK, NIDERLANDER）
在世界范圍內(nèi)，數(shù)以百萬計(jì)的動(dòng)物被用于化合物的**測(cè)試。現(xiàn)在，毒理學(xué)家開發(fā)出了一款能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些試驗(yàn)結(jié)果的軟件。該軟件預(yù)測(cè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率為87%，相比之下，重復(fù)實(shí)驗(yàn)本身只在81%的情況下重現(xiàn)了原始結(jié)果。這一成果于今年7月發(fā)表在Toxicological Sciences雜志上。作者們希望，該軟件能夠減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用。
5# 無人機(jī)的“大用途”
無人機(jī)使研究人員能夠比以往任何時(shí)候更容易收集大量的生物數(shù)據(jù)，且成本更低、分辨率更高。（圖片來源：ROHAN CLARKE）
一些研究人員希望盡量減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用，而另一些人則希望盡可能多地收集有關(guān)野生動(dòng)物的信息。如果使用得當(dāng)，無人機(jī)可能會(huì)是個(gè)“好幫手”。一些科學(xué)家正在利用無人機(jī)做這樣的事情，包括收集鯨魚的鼻涕、檢測(cè)整個(gè)海龜種群的大小和狀況等。
6# 革命性技術(shù)，改寫視網(wǎng)膜細(xì)胞研究
超柔性網(wǎng)狀電極監(jiān)測(cè)醒著的動(dòng)物完好無損、功能正常的眼睛。（圖片來源：GEORGE RETSECK）
先前，為了記錄視網(wǎng)膜細(xì)胞的活動(dòng)，研究人員往往需要將眼睛從動(dòng)物身上摘除，解剖視網(wǎng)膜，然后把它平放在一組微電極上。這種處理下，視網(wǎng)膜細(xì)胞可以對(duì)光線做出幾小時(shí)的反應(yīng)。
今年6月，哈佛大學(xué)納米技術(shù)專家Charles Lieber及其同事開發(fā)了一款新型網(wǎng)狀電極。這種超柔性網(wǎng)狀電極能夠留在活體動(dòng)物的眼睛內(nèi)，記錄視網(wǎng)膜細(xì)胞的活動(dòng)長達(dá)數(shù)周。值得注意的是，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)視覺的影響很小，幾周后就會(huì)從視網(wǎng)膜上脫落。
加州大學(xué)伯克利分校的Marla Feller表示，這是一項(xiàng)“了不起的”創(chuàng)新。相關(guān)成果發(fā)表在頂級(jí)期刊Science雜志上。
7# 邁向三維基因表達(dá)分析
特定類型或組織的細(xì)胞可能看起來相似，但行為卻不同。例如，在大腦中，相同亞型的神經(jīng)元可能會(huì)根據(jù)它們的位置和連接扮演非常不同的角色。也就是說，當(dāng)涉及到特定的細(xì)胞功能時(shí)，空間信息是絕對(duì)關(guān)鍵的。因此，研究人員正在開發(fā)一種能夠檢測(cè)組織切片中多個(gè)基因表達(dá)的工具。
由斯坦福大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的STARmap便是這類工具中的一種。STARmap涉及將組織樣本轉(zhuǎn)化為水凝膠，以更好地檢測(cè)揭示目標(biāo)RNA位置的“條形碼”。研究小組利用該技術(shù)分析了多達(dá)28個(gè)基因同時(shí)在150微米的小鼠腦組織切片中的表達(dá)，以及1000多個(gè)基因同時(shí)在8微米的切片中的表達(dá)。這些分析揭示了興奮性和抑制性神經(jīng)元亞型在大腦皮層上分布的差異。
瑞典卡羅林斯卡學(xué)院的分子系統(tǒng)生物學(xué)家Sten Linnarsson認(rèn)為，STARmap是邁向真正三維基因表達(dá)分析的重要一步。相關(guān)成果也發(fā)表在Science雜志上。
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