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(xiàng)對(duì)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(jì)蛋白質(zhì)、DeepFake檢測(cè)、大片段DNA插入、腦機(jī)接口、超高分辨率顯微成像、 細(xì)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(jìn)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(jì)蛋白質(zhì)

華盛頓大學(xué)的David Baker團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算工具從零開(kāi)始設(shè)計(jì)了一種新蛋白質(zhì)，現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已成熟，能夠定制生產(chǎn)酶和其他蛋白質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)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(lái)，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(lái)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)：基于序列和基于結(jié)構(gòu)。基于序列的方法通過(guò)分析蛋白質(zhì)序列來(lái)設(shè)計(jì)新蛋白質(zhì)，而基于結(jié)構(gòu)的方法更適合設(shè)計(jì)具有特定結(jié)構(gòu)或功能的蛋白質(zhì)。最近，一些先進(jìn)的算法使用了“擴(kuò)散”模型來(lái)形成生物學(xué)上可信的、用戶(hù)定義的結(jié)構(gòu)。

例如，Baker實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的RFdiffusion軟件和Generate Biomedicines的Chroma工具成功應(yīng)用了這些策略來(lái)設(shè)計(jì)新型蛋白質(zhì)。這些技術(shù)允許精確設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)以與特定目標(biāo)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(kāi)辟了新視野。

02

Deepfake檢測(cè)

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(jiǎn)單。這在多個(gè)地緣政治沖突和選舉中可能被用于操縱媒體。

專(zhuān)家們正在尋找方法來(lái)檢測(cè)和攔截這些深度偽造內(nèi)容。一個(gè)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(zhuān)注于檢測(cè)視頻中人臉特征替換的異常或其他編輯跡象。例如，一些工具能夠識(shí)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(kāi)發(fā)了一些工具箱和公共資源庫(kù)來(lái)分析和識(shí)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(guó)和英國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了首個(gè)基于CRISPR的基因編輯療法，用于治療鐮狀細(xì)胞病和β-地中海貧血。CRISPR技術(shù)通常用于在實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)正在研究一種從病毒衍生的分子，能幫助在人類(lèi)基因組中精確插入長(zhǎng)達(dá)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(kāi)發(fā)的PASTE技術(shù)，可以精確插入長(zhǎng)達(dá)36千堿基的DNA。

這些方法不僅與人類(lèi)健康相關(guān)。中國(guó)科學(xué)院的高彩霞領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開(kāi)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(diǎn)，酶可以使用這些靶點(diǎn)插入長(zhǎng)達(dá)20千堿基的DNA，提高作物的抗病能力。

04

腦機(jī)接口

患有漸凍癥（ALS）的Pat Bennett通過(guò)使用斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)大腦-計(jì)算機(jī)接口（BCI）設(shè)備，恢復(fù)了說(shuō)話能力。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)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(dòng)轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言，使得她能夠以每分鐘62個(gè)單詞的速度說(shuō)話。

腦機(jī)接口技術(shù)使Pat Bennett恢復(fù)了語(yǔ)言能力

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

除了幫助恢復(fù)語(yǔ)言能力，BCI技術(shù)還在其他方面取得進(jìn)展，如幫助四肢癱瘓者控制機(jī)器手臂。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，它們有望治療更多類(lèi)型的認(rèn)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(jiǎng)，他們的技術(shù)使得顯微鏡可以觀察到納米級(jí)的細(xì)節(jié)。

RESI的成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)DNA中單個(gè)堿基對(duì)的成像

最近，研究人員正在進(jìn)一步提高這種技術(shù)的分辨率。2023年，德國(guó)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種序列成像（RESI）的增強(qiáng)分辨率的方法，可以分辨出DNA鏈上的單個(gè)堿基對(duì)，使用標(biāo)準(zhǔn)的熒光顯微鏡實(shí)現(xiàn)了埃級(jí)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一步納米級(jí)擴(kuò)展（ONE）顯微鏡技術(shù)，雖然分辨率稍低，但能直接成像單個(gè)蛋白質(zhì)的微妙結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這些技術(shù)未來(lái)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(xì)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(gè)細(xì)胞圖譜項(xiàng)目——依靠單細(xì)胞分析和“空間組學(xué)”方法的進(jìn)步——正在接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，為生物學(xué)家提供他們渴望的全身細(xì)胞地圖。

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

人類(lèi)肺部的細(xì)胞圖譜展示了不同類(lèi)型的細(xì)胞以及其調(diào)節(jié)方式

這些項(xiàng)目部分得益于單細(xì)胞水平分子分析工具的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化。例如，Snyder的團(tuán)隊(duì)使用10X Genomics的Xenium平臺(tái)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，可以每周在4個(gè)組織樣本中同時(shí)檢測(cè)約400個(gè)基因的表達(dá)。其他技術(shù)還允許在同一細(xì)胞中同時(shí)分析多種分子類(lèi)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(jìn)展。例如，HCA發(fā)布了有關(guān)人類(lèi)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(jì)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(xì)胞的藥物靶向，以及了解細(xì)胞微環(huán)境如何影響復(fù)雜疾病的風(fēng)險(xiǎn)和成因。Snyder表示，雖然短期內(nèi)不太可能解決這些問(wèn)題，但它們是推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?br />

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(qiáng)的強(qiáng)度和改進(jìn)的能量存儲(chǔ)。為精確制造這類(lèi)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(guò)去幾年中，科學(xué)家們?cè)诳朔@些方法更廣泛應(yīng)用的限制方面取得了顯著進(jìn)展。

研究人員使用水凝膠制作了微觀金屬結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：Max Saccone/Greer實(shí)驗(yàn)室

速度是一個(gè)挑戰(zhàn)，但最近的技術(shù)改進(jìn)使得制造速度大幅提高，同時(shí)保持了納米級(jí)精度。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，并非所有材料都能通過(guò)光聚合直接打印，例如金屬，不能直接通過(guò)這種方式制造。為此，科學(xué)家們開(kāi)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(lái)制造納米結(jié)構(gòu)。

最后一個(gè)障礙是經(jīng)濟(jì)因素，很多光聚合方法中使用的基于脈沖激光的系統(tǒng)價(jià)格高達(dá)50萬(wàn)美元。但是，正在出現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的解決方案，比如使用比標(biāo)準(zhǔn)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(kù)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(xiàng)對(duì)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(jì)蛋白質(zhì)、DeepFake檢測(cè)、大片段DNA插入、腦機(jī)接口、超高分辨率顯微成像、 細(xì)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(jìn)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(jì)蛋白質(zhì)

華盛頓大學(xué)的David Baker團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算工具從零開(kāi)始設(shè)計(jì)了一種新蛋白質(zhì)，現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已成熟，能夠定制生產(chǎn)酶和其他蛋白質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)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(lái)，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(lái)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)：基于序列和基于結(jié)構(gòu)。基于序列的方法通過(guò)分析蛋白質(zhì)序列來(lái)設(shè)計(jì)新蛋白質(zhì)，而基于結(jié)構(gòu)的方法更適合設(shè)計(jì)具有特定結(jié)構(gòu)或功能的蛋白質(zhì)。最近，一些先進(jìn)的算法使用了“擴(kuò)散”模型來(lái)形成生物學(xué)上可信的、用戶(hù)定義的結(jié)構(gòu)。

例如，Baker實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的RFdiffusion軟件和Generate Biomedicines的Chroma工具成功應(yīng)用了這些策略來(lái)設(shè)計(jì)新型蛋白質(zhì)。這些技術(shù)允許精確設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)以與特定目標(biāo)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(kāi)辟了新視野。

02

Deepfake檢測(cè)

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(jiǎn)單。這在多個(gè)地緣政治沖突和選舉中可能被用于操縱媒體。

專(zhuān)家們正在尋找方法來(lái)檢測(cè)和攔截這些深度偽造內(nèi)容。一個(gè)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(zhuān)注于檢測(cè)視頻中人臉特征替換的異常或其他編輯跡象。例如，一些工具能夠識(shí)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(kāi)發(fā)了一些工具箱和公共資源庫(kù)來(lái)分析和識(shí)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(guó)和英國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了首個(gè)基于CRISPR的基因編輯療法，用于治療鐮狀細(xì)胞病和β-地中海貧血。CRISPR技術(shù)通常用于在實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)正在研究一種從病毒衍生的分子，能幫助在人類(lèi)基因組中精確插入長(zhǎng)達(dá)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(kāi)發(fā)的PASTE技術(shù)，可以精確插入長(zhǎng)達(dá)36千堿基的DNA。

這些方法不僅與人類(lèi)健康相關(guān)。中國(guó)科學(xué)院的高彩霞領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開(kāi)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(diǎn)，酶可以使用這些靶點(diǎn)插入長(zhǎng)達(dá)20千堿基的DNA，提高作物的抗病能力。

04

腦機(jī)接口

患有漸凍癥（ALS）的Pat Bennett通過(guò)使用斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)大腦-計(jì)算機(jī)接口（BCI）設(shè)備，恢復(fù)了說(shuō)話能力。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)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(dòng)轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言，使得她能夠以每分鐘62個(gè)單詞的速度說(shuō)話。

腦機(jī)接口技術(shù)使Pat Bennett恢復(fù)了語(yǔ)言能力

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

除了幫助恢復(fù)語(yǔ)言能力，BCI技術(shù)還在其他方面取得進(jìn)展，如幫助四肢癱瘓者控制機(jī)器手臂。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，它們有望治療更多類(lèi)型的認(rèn)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(jiǎng)，他們的技術(shù)使得顯微鏡可以觀察到納米級(jí)的細(xì)節(jié)。

RESI的成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)DNA中單個(gè)堿基對(duì)的成像

最近，研究人員正在進(jìn)一步提高這種技術(shù)的分辨率。2023年，德國(guó)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種序列成像（RESI）的增強(qiáng)分辨率的方法，可以分辨出DNA鏈上的單個(gè)堿基對(duì)，使用標(biāo)準(zhǔn)的熒光顯微鏡實(shí)現(xiàn)了埃級(jí)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一步納米級(jí)擴(kuò)展（ONE）顯微鏡技術(shù)，雖然分辨率稍低，但能直接成像單個(gè)蛋白質(zhì)的微妙結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這些技術(shù)未來(lái)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(xì)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(gè)細(xì)胞圖譜項(xiàng)目——依靠單細(xì)胞分析和“空間組學(xué)”方法的進(jìn)步——正在接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，為生物學(xué)家提供他們渴望的全身細(xì)胞地圖。

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

人類(lèi)肺部的細(xì)胞圖譜展示了不同類(lèi)型的細(xì)胞以及其調(diào)節(jié)方式

這些項(xiàng)目部分得益于單細(xì)胞水平分子分析工具的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化。例如，Snyder的團(tuán)隊(duì)使用10X Genomics的Xenium平臺(tái)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，可以每周在4個(gè)組織樣本中同時(shí)檢測(cè)約400個(gè)基因的表達(dá)。其他技術(shù)還允許在同一細(xì)胞中同時(shí)分析多種分子類(lèi)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(jìn)展。例如，HCA發(fā)布了有關(guān)人類(lèi)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(jì)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(xì)胞的藥物靶向，以及了解細(xì)胞微環(huán)境如何影響復(fù)雜疾病的風(fēng)險(xiǎn)和成因。Snyder表示，雖然短期內(nèi)不太可能解決這些問(wèn)題，但它們是推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?br />

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(qiáng)的強(qiáng)度和改進(jìn)的能量存儲(chǔ)。為精確制造這類(lèi)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(guò)去幾年中，科學(xué)家們?cè)诳朔@些方法更廣泛應(yīng)用的限制方面取得了顯著進(jìn)展。

研究人員使用水凝膠制作了微觀金屬結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：Max Saccone/Greer實(shí)驗(yàn)室

速度是一個(gè)挑戰(zhàn)，但最近的技術(shù)改進(jìn)使得制造速度大幅提高，同時(shí)保持了納米級(jí)精度。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，并非所有材料都能通過(guò)光聚合直接打印，例如金屬，不能直接通過(guò)這種方式制造。為此，科學(xué)家們開(kāi)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(lái)制造納米結(jié)構(gòu)。

最后一個(gè)障礙是經(jīng)濟(jì)因素，很多光聚合方法中使用的基于脈沖激光的系統(tǒng)價(jià)格高達(dá)50萬(wàn)美元。但是，正在出現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的解決方案，比如使用比標(biāo)準(zhǔn)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(kù)編譯，原文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00173-x