2024年1月22日，Nature雜志發(fā)表了題為“Seven technologies to watch in 2024”的文章，論述了七項對2024年科學(xué)創(chuàng)新具有重大影響的新技術(shù) 。

這些新技術(shù)包括：人工智能設(shè)計蛋白質(zhì)、DeepFake檢測、大片段DNA插入、腦機接口、超高分辨率顯微成像、 細胞圖譜和3D打印納米材料。特別值得一提的是，3D打印技術(shù)在2024年因其顯著的進步和廣泛的應(yīng)用前景，成功被《自然》雜志列為值得關(guān)注的技術(shù)之一。

01

深度學(xué)習(xí)全新設(shè)計蛋白質(zhì)

華盛頓大學(xué)的David Baker團隊利用計算工具從零開始設(shè)計了一種新蛋白質(zhì)，現(xiàn)在這項技術(shù)已成熟，能夠定制生產(chǎn)酶和其他蛋白質(zhì)。這項技術(shù)的進步得益于龐大的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)將蛋白質(zhì)序列與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，以及深度學(xué)習(xí)等人工智能方法的應(yīng)用。

研究人員使用兩種主要策略來設(shè)計蛋白質(zhì)：基于序列和基于結(jié)構(gòu)?；谛蛄械姆椒ㄍㄟ^分析蛋白質(zhì)序列來設(shè)計新蛋白質(zhì)，而基于結(jié)構(gòu)的方法更適合設(shè)計具有特定結(jié)構(gòu)或功能的蛋白質(zhì)。最近，一些先進的算法使用了“擴散”模型來形成生物學(xué)上可信的、用戶定義的結(jié)構(gòu)。

例如，Baker實驗室開發(fā)的RFdiffusion軟件和Generate Biomedicines的Chroma工具成功應(yīng)用了這些策略來設(shè)計新型蛋白質(zhì)。這些技術(shù)允許精確設(shè)計蛋白質(zhì)以與特定目標緊密結(jié)合，為工程化酶、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)器、功能性生物材料等開辟了新視野。

02

Deepfake檢測

隨著生成性AI算法變得普及，制作逼真的虛假圖像、音頻和視頻變得簡單。這在多個地緣政治沖突和選舉中可能被用于操縱媒體。

專家們正在尋找方法來檢測和攔截這些深度偽造內(nèi)容。一個方法是在AI生成的內(nèi)容中嵌入隱形水印。還有一些方法專注于檢測視頻中人臉特征替換的異?；蚱渌庉嬠E象。例如，一些工具能夠識別被數(shù)字操縱的嘴部或與頭部不匹配的面部。

盡管存在挑戰(zhàn)，但已經(jīng)開發(fā)了一些工具箱和公共資源庫來分析和識別深度偽造內(nèi)容。這些工具的推廣和使用可能有助于抵制深度偽造內(nèi)容的傳播，但抗擊AI生成的虛假信息可能還需要持續(xù)很多年。

03

大片段DNA插入

在2023年底，美國和英國監(jiān)管機構(gòu)批準了首個基于CRISPR的基因編輯療法，用于治療鐮狀細胞病和β-地中海貧血。CRISPR技術(shù)通常用于在實驗室中關(guān)閉有缺陷的基因或引入小的序列改變。但將大片段DNA（數(shù)千核苷酸）精確地插入基因組較為困難。

斯坦福大學(xué)的科學(xué)家Le Cong和他的團隊正在研究一種從病毒衍生的分子，能幫助在人類基因組中精確插入長達2千堿基的DNA。另一種方法是麻省理工學(xué)院的基因工程師Omar Abudayyeh和Jonathan Gootenberg及其同事開發(fā)的PASTE技術(shù)，可以精確插入長達36千堿基的DNA。

這些方法不僅與人類健康相關(guān)。中國科學(xué)院的高彩霞領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了PrimeRoot方法，它使用主要編輯技術(shù)在水稻和玉米中引入特定靶點，酶可以使用這些靶點插入長達20千堿基的DNA，提高作物的抗病能力。

04

腦機接口

患有漸凍癥（ALS）的Pat Bennett通過使用斯坦福大學(xué)開發(fā)的先進大腦-計算機接口（BCI）設(shè)備，恢復(fù)了說話能力。這項技術(shù)通過在她大腦中植入電極并利用深度學(xué)習(xí)算法將神經(jīng)活動轉(zhuǎn)換為語言，使得她能夠以每分鐘62個單詞的速度說話。

腦機接口技術(shù)使Pat Bennett恢復(fù)了語言能力

這只是近年來多項研究中的一項，展示了BCI技術(shù)如何幫助有嚴重神經(jīng)損傷的人恢復(fù)失去的技能，提高他們的獨立性。研究人員也在使用人工智能幫助解讀患者想要表達的內(nèi)容。例如，一項研究使因中風(fēng)而無法說話的女性通過BCI設(shè)備以每分鐘78個單詞的速度交流。

除了幫助恢復(fù)語言能力，BCI技術(shù)還在其他方面取得進展，如幫助四肢癱瘓者控制機器手臂。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，它們有望治療更多類型的認知障礙和心理健康狀況。

05

超高分辨率顯微鏡

斯特凡·赫爾、埃里克·貝齊格和威廉·莫納因提高光學(xué)顯微鏡的分辨率而獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎，他們的技術(shù)使得顯微鏡可以觀察到納米級的細節(jié)。

RESI的成像技術(shù)可以實現(xiàn)DNA中單個堿基對的成像

最近，研究人員正在進一步提高這種技術(shù)的分辨率。2023年，德國普拉內(nèi)格馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所的納米技術(shù)研究員 Ralf Jungmann 團隊開發(fā)了一種序列成像（RESI）的增強分辨率的方法，可以分辨出DNA鏈上的單個堿基對，使用標準的熒光顯微鏡實現(xiàn)了埃級分辨率。

此外，由阿里·沙伊布和西爾維奧·里佐利領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)的一步納米級擴展（ONE）顯微鏡技術(shù)，雖然分辨率稍低，但能直接成像單個蛋白質(zhì)的微妙結(jié)構(gòu)細節(jié)。這些技術(shù)未來可能有助于深入了解生物分子的結(jié)構(gòu)和疾病的診斷。

06

細胞圖譜

想象一下，如果像使用谷歌地圖找咖啡館一樣，能在復(fù)雜的人體內(nèi)部導(dǎo)航。多個細胞圖譜項目——依靠單細胞分析和“空間組學(xué)”方法的進步——正在接近實現(xiàn)這一目標，為生物學(xué)家提供他們渴望的全身細胞地圖。

其中最大也最雄心勃勃的項目是人類細胞圖譜（HCA），于2016年由Sarah Teichmann和Aviv Regev發(fā)起。它匯集了來自近100個國家的約3000名科學(xué)家，使用來自10000名捐贈者的組織。HCA是更廣泛的細胞和分子圖譜生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其中包括由美國國立衛(wèi)生研究院資助的項目，以及由艾倫研究所資助的艾倫腦細胞圖譜。

人類肺部的細胞圖譜展示了不同類型的細胞以及其調(diào)節(jié)方式

這些項目部分得益于單細胞水平分子分析工具的開發(fā)和商業(yè)化。例如，Snyder的團隊使用10X Genomics的Xenium平臺進行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，可以每周在4個組織樣本中同時檢測約400個基因的表達。其他技術(shù)還允許在同一細胞中同時分析多種分子類別。

去年，這些技術(shù)在生成特定器官的圖譜方面取得了顯著進展。例如，HCA發(fā)布了有關(guān)人類肺部的綜合分析，揭示了疾病如肺纖維化、不同腫瘤甚至COVID-19中的變化。

盡管還有很多工作要做，Teichmann估計HCA至少還需要五年才能完成。但完成后，這些圖譜將是極其寶貴的，有助于指導(dǎo)特定組織和細胞的藥物靶向，以及了解細胞微環(huán)境如何影響復(fù)雜疾病的風(fēng)險和成因。Snyder表示，雖然短期內(nèi)不太可能解決這些問題，但它們是推動整個領(lǐng)域發(fā)展的重要動力。

07

3D打印納米材料

在納米尺度上，可以制造出具有特殊特性的輕質(zhì)材料，比如更強的強度和改進的能量存儲。為精確制造這類納米材料，目前存在幾種策略，其中大多數(shù)使用激光誘導(dǎo)光敏材料的圖案化“光聚合”，在過去幾年中，科學(xué)家們在克服這些方法更廣泛應(yīng)用的限制方面取得了顯著進展。

研究人員使用水凝膠制作了微觀金屬結(jié)構(gòu)。圖片來源：Max Saccone/Greer實驗室

速度是一個挑戰(zhàn)，但最近的技術(shù)改進使得制造速度大幅提高，同時保持了納米級精度。另一個挑戰(zhàn)是，并非所有材料都能通過光聚合直接打印，例如金屬，不能直接通過這種方式制造。為此，科學(xué)家們開發(fā)了新方法，如使用水凝膠作為模板，然后用金屬替換這些模板來制造納米結(jié)構(gòu)。

最后一個障礙是經(jīng)濟因素，很多光聚合方法中使用的基于脈沖激光的系統(tǒng)價格高達50萬美元。但是，正在出現(xiàn)更經(jīng)濟的解決方案，比如使用比標準脈沖激光更便宜、更緊湊且功耗更低的連續(xù)激光。

注：本文由資源庫編譯，原文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00173-x

2024年1月22日，Nature雜志發(fā)表了題為“Seven technologies to watch in 2024”的文章，論述了七項對2024年科學(xué)創(chuàng)新具有重大影響的新技術(shù) 。

這些新技術(shù)包括：人工智能設(shè)計蛋白質(zhì)、DeepFake檢測、大片段DNA插入、腦機接口、超高分辨率顯微成像、 細胞圖譜和3D打印納米材料。特別值得一提的是，3D打印技術(shù)在2024年因其顯著的進步和廣泛的應(yīng)用前景，成功被《自然》雜志列為值得關(guān)注的技術(shù)之一。

01

深度學(xué)習(xí)全新設(shè)計蛋白質(zhì)

華盛頓大學(xué)的David Baker團隊利用計算工具從零開始設(shè)計了一種新蛋白質(zhì)，現(xiàn)在這項技術(shù)已成熟，能夠定制生產(chǎn)酶和其他蛋白質(zhì)。這項技術(shù)的進步得益于龐大的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)將蛋白質(zhì)序列與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，以及深度學(xué)習(xí)等人工智能方法的應(yīng)用。

研究人員使用兩種主要策略來設(shè)計蛋白質(zhì)：基于序列和基于結(jié)構(gòu)?；谛蛄械姆椒ㄍㄟ^分析蛋白質(zhì)序列來設(shè)計新蛋白質(zhì)，而基于結(jié)構(gòu)的方法更適合設(shè)計具有特定結(jié)構(gòu)或功能的蛋白質(zhì)。最近，一些先進的算法使用了“擴散”模型來形成生物學(xué)上可信的、用戶定義的結(jié)構(gòu)。

例如，Baker實驗室開發(fā)的RFdiffusion軟件和Generate Biomedicines的Chroma工具成功應(yīng)用了這些策略來設(shè)計新型蛋白質(zhì)。這些技術(shù)允許精確設(shè)計蛋白質(zhì)以與特定目標緊密結(jié)合，為工程化酶、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)器、功能性生物材料等開辟了新視野。

02

Deepfake檢測

隨著生成性AI算法變得普及，制作逼真的虛假圖像、音頻和視頻變得簡單。這在多個地緣政治沖突和選舉中可能被用于操縱媒體。

專家們正在尋找方法來檢測和攔截這些深度偽造內(nèi)容。一個方法是在AI生成的內(nèi)容中嵌入隱形水印。還有一些方法專注于檢測視頻中人臉特征替換的異?；蚱渌庉嬠E象。例如，一些工具能夠識別被數(shù)字操縱的嘴部或與頭部不匹配的面部。

盡管存在挑戰(zhàn)，但已經(jīng)開發(fā)了一些工具箱和公共資源庫來分析和識別深度偽造內(nèi)容。這些工具的推廣和使用可能有助于抵制深度偽造內(nèi)容的傳播，但抗擊AI生成的虛假信息可能還需要持續(xù)很多年。

03

大片段DNA插入

在2023年底，美國和英國監(jiān)管機構(gòu)批準了首個基于CRISPR的基因編輯療法，用于治療鐮狀細胞病和β-地中海貧血。CRISPR技術(shù)通常用于在實驗室中關(guān)閉有缺陷的基因或引入小的序列改變。但將大片段DNA（數(shù)千核苷酸）精確地插入基因組較為困難。

斯坦福大學(xué)的科學(xué)家Le Cong和他的團隊正在研究一種從病毒衍生的分子，能幫助在人類基因組中精確插入長達2千堿基的DNA。另一種方法是麻省理工學(xué)院的基因工程師Omar Abudayyeh和Jonathan Gootenberg及其同事開發(fā)的PASTE技術(shù)，可以精確插入長達36千堿基的DNA。

這些方法不僅與人類健康相關(guān)。中國科學(xué)院的高彩霞領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了PrimeRoot方法，它使用主要編輯技術(shù)在水稻和玉米中引入特定靶點，酶可以使用這些靶點插入長達20千堿基的DNA，提高作物的抗病能力。

04

腦機接口

患有漸凍癥（ALS）的Pat Bennett通過使用斯坦福大學(xué)開發(fā)的先進大腦-計算機接口（BCI）設(shè)備，恢復(fù)了說話能力。這項技術(shù)通過在她大腦中植入電極并利用深度學(xué)習(xí)算法將神經(jīng)活動轉(zhuǎn)換為語言，使得她能夠以每分鐘62個單詞的速度說話。

腦機接口技術(shù)使Pat Bennett恢復(fù)了語言能力

這只是近年來多項研究中的一項，展示了BCI技術(shù)如何幫助有嚴重神經(jīng)損傷的人恢復(fù)失去的技能，提高他們的獨立性。研究人員也在使用人工智能幫助解讀患者想要表達的內(nèi)容。例如，一項研究使因中風(fēng)而無法說話的女性通過BCI設(shè)備以每分鐘78個單詞的速度交流。

除了幫助恢復(fù)語言能力，BCI技術(shù)還在其他方面取得進展，如幫助四肢癱瘓者控制機器手臂。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，它們有望治療更多類型的認知障礙和心理健康狀況。

05

超高分辨率顯微鏡

斯特凡·赫爾、埃里克·貝齊格和威廉·莫納因提高光學(xué)顯微鏡的分辨率而獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎，他們的技術(shù)使得顯微鏡可以觀察到納米級的細節(jié)。

RESI的成像技術(shù)可以實現(xiàn)DNA中單個堿基對的成像

最近，研究人員正在進一步提高這種技術(shù)的分辨率。2023年，德國普拉內(nèi)格馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所的納米技術(shù)研究員 Ralf Jungmann 團隊開發(fā)了一種序列成像（RESI）的增強分辨率的方法，可以分辨出DNA鏈上的單個堿基對，使用標準的熒光顯微鏡實現(xiàn)了埃級分辨率。

此外，由阿里·沙伊布和西爾維奧·里佐利領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)的一步納米級擴展（ONE）顯微鏡技術(shù)，雖然分辨率稍低，但能直接成像單個蛋白質(zhì)的微妙結(jié)構(gòu)細節(jié)。這些技術(shù)未來可能有助于深入了解生物分子的結(jié)構(gòu)和疾病的診斷。

06

細胞圖譜

想象一下，如果像使用谷歌地圖找咖啡館一樣，能在復(fù)雜的人體內(nèi)部導(dǎo)航。多個細胞圖譜項目——依靠單細胞分析和“空間組學(xué)”方法的進步——正在接近實現(xiàn)這一目標，為生物學(xué)家提供他們渴望的全身細胞地圖。

其中最大也最雄心勃勃的項目是人類細胞圖譜（HCA），于2016年由Sarah Teichmann和Aviv Regev發(fā)起。它匯集了來自近100個國家的約3000名科學(xué)家，使用來自10000名捐贈者的組織。HCA是更廣泛的細胞和分子圖譜生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其中包括由美國國立衛(wèi)生研究院資助的項目，以及由艾倫研究所資助的艾倫腦細胞圖譜。

人類肺部的細胞圖譜展示了不同類型的細胞以及其調(diào)節(jié)方式

這些項目部分得益于單細胞水平分子分析工具的開發(fā)和商業(yè)化。例如，Snyder的團隊使用10X Genomics的Xenium平臺進行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，可以每周在4個組織樣本中同時檢測約400個基因的表達。其他技術(shù)還允許在同一細胞中同時分析多種分子類別。

去年，這些技術(shù)在生成特定器官的圖譜方面取得了顯著進展。例如，HCA發(fā)布了有關(guān)人類肺部的綜合分析，揭示了疾病如肺纖維化、不同腫瘤甚至COVID-19中的變化。

盡管還有很多工作要做，Teichmann估計HCA至少還需要五年才能完成。但完成后，這些圖譜將是極其寶貴的，有助于指導(dǎo)特定組織和細胞的藥物靶向，以及了解細胞微環(huán)境如何影響復(fù)雜疾病的風(fēng)險和成因。Snyder表示，雖然短期內(nèi)不太可能解決這些問題，但它們是推動整個領(lǐng)域發(fā)展的重要動力。

07

3D打印納米材料

在納米尺度上，可以制造出具有特殊特性的輕質(zhì)材料，比如更強的強度和改進的能量存儲。為精確制造這類納米材料，目前存在幾種策略，其中大多數(shù)使用激光誘導(dǎo)光敏材料的圖案化“光聚合”，在過去幾年中，科學(xué)家們在克服這些方法更廣泛應(yīng)用的限制方面取得了顯著進展。

研究人員使用水凝膠制作了微觀金屬結(jié)構(gòu)。圖片來源：Max Saccone/Greer實驗室

速度是一個挑戰(zhàn)，但最近的技術(shù)改進使得制造速度大幅提高，同時保持了納米級精度。另一個挑戰(zhàn)是，并非所有材料都能通過光聚合直接打印，例如金屬，不能直接通過這種方式制造。為此，科學(xué)家們開發(fā)了新方法，如使用水凝膠作為模板，然后用金屬替換這些模板來制造納米結(jié)構(gòu)。

最后一個障礙是經(jīng)濟因素，很多光聚合方法中使用的基于脈沖激光的系統(tǒng)價格高達50萬美元。但是，正在出現(xiàn)更經(jīng)濟的解決方案，比如使用比標準脈沖激光更便宜、更緊湊且功耗更低的連續(xù)激光。

注：本文由資源庫編譯，原文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00173-x