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　　蛋白质组呈现了细胞或生物体制造的一整套蛋白质，可能提供对待健壮和快病的悠远音讯，但对蛋白质组的表征仍旧是一项嗾使性的事情。

　　相对待核酸来谈，蛋白质是由更多的分子砌块（building blocks）组成的，约有20种天然生计的氨基酸（相比之下，组成DNA和信使RNA平分子的惟有4种核苷酸）；所以，蛋白质具有更大的化学百般性。有些蛋白质在细胞中的含量较少；而且与核酸不同，蛋白质不能被扩增；——这意味着蛋白质认识手段必需应用任何能用的材料。

　　大多半蛋白质组学分解利用质谱法，这是一种证据蛋白质的质量和电荷来剖判蛋白质夹杂物的技术。这些谱图或许同时量化数千种蛋白质，但检测到的分子并不总能彰着鉴别，并且混合物中的低丰采蛋白质往往被轻视。目今，能对样本中的很多（以致集体）蛋白质举办测序的单分子武艺大概即将问世，其中良多手艺类似于用于DNA的手艺。

　　德克萨斯大学奥斯汀分校的生死灭学家Edward Marcotte正在叙判一种云云的工夫，称为荧光测序（fluorosequencing）[1]。Marcotte的武艺报道于2018年，该技巧基于一种渐渐的化学进程，在此经过中，单个氨基酸被荧光标记，而后从形态偶联蛋白的最后逐个被剪切下来，此时摄像机缘缉捕到所呈现的荧光灯号。Marcotte解说叙：“所有人能够用分别的荧光染料标志蛋白质，然后在切割时逐个分子地游历。”昨年，位于康涅狄格州的生物技巧公司Quantum Si的推敲人员描摹了一种荧光测序的替代步调，该法子运用荧光标帜的“粘关剂”蛋白来鉴识蛋白质末端的特定氨基酸（或多肽）序列[2]。

　　其我商讨人员正在兴办师法基于纳米孔的DNA测序技术，依据多肽阅历微小通道时引起的电流改观来阐述多肽。荷兰代尔夫特理工大学的生物物理学家Cees Dekker及其同事于2021年涌现了如此一种办法，全班人诈骗蛋白质制成纳米孔，并或许判袂通过纳米孔的多肽中的单个氨基酸[3]。在以色列理工学院，生物医学工程师Amit Meller的团队正在斟酌由硅基资料制成的固态纳米孔器件，该器件可能同时对许多分歧的蛋白质分子举行高通量剖判。全部人说：“谁大概不妨同时参观数万以致数百万个纳米孔。”

　　纵然现时单分子蛋白质测序不外概念上的验证，但其生意化正在快速激动。比如，Quantum Si公司已颁发推敲今年推出第一代仪器，而且Meller指出，2022年11月在代尔夫特进行的蛋白质测序聚集上有一个特殊针对该规模开创企业的探究组。所有人谈：“这让全部人念起了第二代DNA测序技术面世前的那些日子。”

　　Marcotte是德克萨斯州奥斯汀市蛋白质测序公司Erisyon的联络开办人，他对此持乐观态度。他们叙：“这已经不是个行不成的标题，而是这项本领几时能送到人们手上。”

　　天文学家们从去年先导就翘首以盼，蕃昌不已。经历20多年的周到贪图和建造，美国国家航空航天局（NASA）与欧洲航天局和加拿大航天局团结，于2021年12月25日成功将詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope，缩写JWST）送入轨叙。因为仪器开办须要发展并笃信第一轮查看的地方，全宇宙不得不希望了近七个月，JWST才发端正常事件。

　　等待是值得的。马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学筹商所天文学家、JWST的望远镜科学家Matt Mountain展现，最先传来的图像高出了我们的最高预期。“本质上天空并不宽阔——随处都是星系，”我说，“理论上全班人们了解这一点，但真正看到这一现象带来了别样的情感袭击。”

　　JWST的准备是为了接替哈勃太空望远镜的事宜。哈勃望远镜可能看到令人惊叹的天下征象，但也有盲点：它根底上无法望见在红外界限内具有光暗号的迂腐恒星和星系。要加添这一点，需求一台高敏捷度的仪器，其活泼度要能够探测到数十亿光年外发出的极为脆弱的红外暗记。

　　JWST的终末贪图包罗18个集体滑润的铍质镜片阵列，当其全部展开时，直径为6.5米。Mountain说，这些反射镜的蓄意十分周全，“假使把一起镜面等比扩充到美国那么大，上面的凸起也不进步几英寸（高）。”这些反射镜配有开始进的近红外和中红外探测器。

　　这一预备使JWST可以增进哈勃望远镜的空白，包含捕获来自一个有135亿年史籍的星系发出的暗号，该星系产生了寰宇中最早的少少氧和氖原子。JWST也带来了极少惊喜，例如，它可以测量某些范例的系外行星的大气组成。

　　宇宙各地的辩论人员都在排队期待游览时期。英国卡迪夫大学的天体物理学家Mikako Matsuura正在用JWST举办两项商榷，造访寰宇灰尘的产生和捣蛋，这些尘埃恐怕会导致恒星和行星的出现。Matsuura讲，与她地址小组过去使用的望远镜相比，“JWST占领关座差异的乖巧度和明晰度等级”。她谈：“大家看到了这些天体内部正在出现的全部分化的景象——这真令人叹为观止。”

　　电子显微镜（Electron microscopy，EM）以其卓越的诀别率而驰名，但游历的主要是样本的景象。永久商榷样本的里面必要将样本切成极度薄的切片，这对于生物学家来叙屡屡不敷。伦敦弗朗西斯·克里克筹商所（Francis Crick Institute）的电子显微镜学家Lucy Collinson评释叙，仅掩饰单个细胞的体积就须要200个切片。她谈：“若是你唯有一个[切片]，谁即是在玩统计戏法。”

　　暂时，切磋人员正在将EM的分辩率行使于包括多个立方毫米体积的3D圈套样本上。

　　此前，从2D的EM图像重修如许体积的样本（比如，绘制大脑的神经络续图）需求体味疲困的样本规划、成像和盘算进程，才干将这些图像变换为多图像堆叠。如今，最新的“体积电子显微镜”本事大大简化了这一进程。

　　这些技巧有各类利益和限定性。继续切面成像（Serial block-face imaging）是一种相对速速的程序，它应用金刚石刀片在树脂包埋样品上切下一系列薄片，并实行成像，不妨收拾约1立方毫米大小的样品。不过，它的深度区分率较差，这意味着生成的体积沉修将相对含糊。聚焦离子束扫描电子显微镜（Focused ion beam scanning electron microscopy，FIB-SEM）能制备更薄的薄片样品，因此深度差别率更高，但更合用于体积较小的样品。

　　Collinson将体积电子显微镜的兴起刻画为一场“安宁的革命”，由来研讨人员专心于用这种步骤获得的收效，而不是天资这些功效的工夫。但这正在变动。比喻，2021年，弗吉尼亚州珍利亚接头园区（Janelia Research Campus）从事电子显微镜中细胞器离散（Cell Organelle Segmentation in Electron Microscopy，COSEM）计议的咨询人员在《自然》上宣告了两篇论文，聚焦了在绘制细胞内里机合方面获得的雄伟起色[4,5]。“这是一个绝佳的说理论证。”Collinson说。

　　COSEM商议会商运用细密的定制FIB-SEM显微镜，在连结优良空间判袂率的同时，可将单个试验中可成像的体积推广约200倍。将这些仪器与深度研习算法联结利用，该团队可以在各类细胞表率的齐备3D体积中定义种种细胞器和其全部人亚细胞罗网。

　　这种样品制备法子疲乏且难以驾驭，并且由此产生的数据集特别壮伟。但这一立志是值得的：Collinson仍旧看到了该技艺在传沾病计划和癌症生物学方面展示的意见。她目下正在与同事们协作，试探以高分袂率浸建完全小鼠大脑的可行性。她预计这项事情将需求十多年的光阴，消磨数十亿美元，并显示5亿GB驾驭的数据。她说：“这恐怕与绘制第一小我类基因组事情的数据量在一个数量级。”

　　基因组编辑对象CRISPR–Cas9举动在全部基因组的方针位点引入特定变更的首选措施，在基因调理、快病修模和其全部人洽商领域获得了打垮，无可非议地享有盛誉。但它的用谈多受局限。现在，商洽人员正在探究闪避这些范围的手段。

　　CRISPR编辑由短链指引RNA（short guide RNA，sgRNA）斡旋，sgRNA将联系的Cas核酸酶导向其目标基因组序列。但这种酶发扬感动还须要在靶点附近有一种叫做原分开序列附近基序（protospacer adjacent motif，PAM）的序列；假使没有PAM，基因编辑很可能会恶臭。

　　在波士顿的马萨诸塞州总医院，基因组工程师Benjamin Kleinstover利用蛋白质工程技艺，从化脓性链球菌中缔造出常用Cas9酶的“近乎不受PAM序列局限的（near-PAMless）”Cas变体。一个Cas变体须要由三个不停核苷酸碱基组成的PAM，此中腺嘌呤（A）或鸟嘌呤（G）核苷酸位于中央地方[6]。“这些酶现时简直或许读取整个基因组，而古板的CRISPR酶只读取1%到10%的基因组。”Kleinstover道。

　　这种对PAM序列不太严苛的央求，增添了编辑“脱靶”的机遇，但进一步的蛋白质工程野心可能进步其特异性。举动一种取代步伐，Kleinstiver的团队正在希望和测试巨额Cas9变体，每个变体对分化的PAM序列发扬出高度的特异性。

　　另有良多天然生活的Cas变体有待表现。自然条款下，CRISPR–Cas9体系是一种针对病毒作用的细菌防御机制，不同的微生物进化出了具有差别PAM序列偏好的各式酶。意大利特伦托大学的病毒学家Anna Cereseto和微生物组讲判人员Nicola Segata梳理了100多万个微生物基因组，占定和表征了一组各种的Cas9变体，谁们们揣测这些变体恐怕全豹可能针对98%以上的已知人类致病突变[7]。

　　但是，个中唯有少数能在哺乳动物细胞中发扬作用。Cereseto说：“大家的心思是尝试很多种酶，看看是什么决计身分使这些酶正常事情。”从这些天然酶库和高通量蛋白质工程事情中取得的见识来看，Kleinstiver谈，“全部人们们以为大家终末会有一个万分完全的编辑东西箱，能让我编辑任何大家想要的碱基。”

　　昨年，考古学家利用放射性碳测年技巧的抢先，对维京探险家初度来到美洲的精确年份——乃至是季节——进行了斟酌。荷兰格罗宁根大学的同位素认识巨匠Michael Dee和全部人的博士后Margot Kuitems率领的一个团队在加拿大纽芬兰岛北岸的一个聚落中闪现了少许被砍伐的木柴，经历对这些木材的计议，一定这棵树很恐怕在1021年被砍伐，况且或者是在春天[8]。

　　自20世纪40年初今后，科学家原来在利用有机人工制品的放射性碳测年法来紧缩史籍事变出现的期间领域。所有人们经过丈量同位素碳-14的陈迹来做到这一点，碳-14是世界射线与地球大气彼此陶染的功劳，在数千年中平缓衰变。但这种本领的精准度一再仅为几十年驾御。

　　加拿大纽芬兰省兰塞奥兹牧草地（LAnse aux Meadows）木材的正确放射性碳年头测定显示，维京人于1021年在此地砍倒了一棵树。图片缘由：All Canada Photos/Alamy

　　2012年，状况发生了改观，日本名古屋大学物理学家三宅芙沙（Fusa Miyake）指示的琢磨小组发现[9]，公元774到775年之间，日本雪松年轮中碳-14含量显着抬高。随后的商量[10]不只证明了这偶然期寰宇各地的木材样本中都生计这种碳-14含量的彰彰抬高，况且还涌现历史上生活至少五次如许的碳-14含量上涨，最早的一次可能追想到公元前7176年。有计划人员将这些碳-14峰值与太阳风暴运动闭联起来，但这一要是仍在探索中。

　　岂论其因由是什么，这些“三宅事故”的糊口，能让接头人员资历检测一个特定的三宅事故，而后对往后产生的年轮举办计数，从而准确地信任木制文物的创作年份。Kuitems谈，议论人员乃至或许笔据最外圈年轮的厚度来决定树木被砍伐的时令。

　　考古学家暂时正在将这种举措应用于新石器时期聚落和火山产生奇迹的商讨，Dee希望用它来商议中美洲的玛雅帝国。在接下来的十年操纵，Dee乐观地感触，“全班人们将对这些古老文明中的许多史册事故有实在切确到年头的合座记实，大家将也许以万分精细的时刻准则接头这些史籍转机。”

　　至于三宅，则还在不休搜索汗青中的功夫标尺。她道：“他们们目下正在搜索过去一万年中与公元774到775年的变乱非常的其他碳-14提升。”

　　代谢组学是咨询驱动细胞的脂质、碳水化合物和其他们小分子的科学，它最初是一套表征细胞或机关中代谢产物的措施，但现时正在转向单细胞水准。科学家们可以戏弄这些细胞程度的数据，理清洪量看似相同的细胞的机能庞杂性。但这一变更带来了贫寒的唆使。

　　代谢组包罗大量具有不同化学性质的分子。欧洲分子生物学试验室的代谢组学议论人员Theodore Alexandrov谈，此中一些分子糊口的时候至极姑且，代谢周转率为亚秒级别。它们或者很难检测：纵然单细胞RNA测序能够拘押细胞或生物体中涌现的近一半的RNA分子（转录组），但大多半代谢认识仅涵盖细胞代谢产物的一小控制。这些缺失的讯息里也许蕴涵了吃紧的生物学奇妙。

　　“代谢组本质上是细胞的活性部分。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的领悟化学家Jonathan Sweedler说，“在疾病形式下，若是谁想明白细胞形式，你们真的要斟酌代谢产物。”

　　良多代谢组学实验室利用折柳的细胞，这些细胞被捕捉在毛细管中，行使质谱法单独领会。相比之下，“成像质谱”设施得回了样本中分歧处所的细胞代谢产物发生挪动的空间音信。比如，协商人员或许运用一种称为基质助理激光解吸/电离（MALDI）的工夫，此中激光束扫过经独特措置的陷坑切片，释放出代谢产物，用于随后的质谱明白。这种设施也能拘系样本中代谢物来源的空间坐标。

　　Sweedler谈，理论上，这两种举措都也许量化数千个细胞中的数百种化合物，但要完毕这一目的每每需求顶级的定制硬件创造，本钱在百万美元支配。

　　当前，协商人员正在遍及这项技能。2021年，Alexandrov团队报叙了SpaceM，这是一种开源软件用具，它能用光学显微镜成像数据，利用标准商用质谱仪对汲引的细胞举办空间代谢组学理解[11]。全部人叙：“全班人算是做了数据剖释限制的体力活。”

　　Alexandrov的团队操纵SpaceM对层见迭出人和小鼠细胞中的数百种代谢产物进行了认识，并转向模范的单细胞转录组学步调将这些细胞分类。Alexandrov露出，全班人尤为热诚的是后一项事件，以及构筑“代谢组学图谱”的思惟——相像于为转录组学创办的图谱，以加快该范畴的希望。我们谈：“这一概是一个前沿范畴，并将对科学起到雄伟的胀吹影响。”

　　考虑人员如今可以在实习室中创设出人工关成胚胎（下图），它与8天大的自然胚胎（上图）雷同。源由：Magdalena Zernicka Goetz试验室

　　科学家们照旧在小鼠和人类的细胞水准上周到描写了从受精卵到全体爆发的胚胎这一经过。但驱动这一过程早期阶段的分子机制仍不显现。目前，“胚状体”模型的一系列动作有助于增进这些知识空白，让辩论人员更展示地明白不妨剖断胎儿发育成败的重要早期事故。

　　该范畴少少最严密的模型，来自加州理工学院和英国剑桥大学的发育生物学家Magdalena Zernicka Goetz的实行室。2022年，她和她的团队注明，大家或许举座从胚胎干细胞（embryonic stem cells，ES细胞）中出现植入期的小鼠胚胎[12,13]。

　　与完全多能干细胞雷同，ES细胞不妨形成任何细胞或构造表率，但它们必要与两种模范的胚外细胞慎密互相重染材干完毕寻常的胚胎发育。Zernicka-Goetz团队叙判出了开垦ES细胞形成这些胚外细胞的要领，并说明这些细胞能够与ES细胞共培养，以展示胚胎模型，该模型的成熟度是已往的体外测验无法来到的。“它就如谁能设想的胚胎模型那样。”Zernicka Goetz说，“全部人的胚胎模型发育出一个头部和心脏——而且还在跳动。”她的团队可以诳骗这个模型来揭露私人基因的调换若何危害平常的胚胎发育。

　　始末工程企图用于仿照胚胎8细胞期的细胞构成的胚状体。讲理：M.A Mazid et al./Nature

　　在中原科学院广州生物医药与康健计议院，干细胞生物学家Miguel Esteban和同事们正在抉择一种分歧的战略：从新编程人类干细胞，以模拟最早的发育阶段。

　　Esteban叙：“我们最初的想惟是，实际上以至创造关子也是恐怕的。”该团队没能整个收工这一点，但我实在映现了一种提升计谋，能使这些干细胞回到雷同于8细胞期人类胚胎的形状[14]。这是一个至关紧张的发育期里程碑，与基因表明的巨大挪动接洽，结果显示不合的胚胎细胞和胚外细胞谱系。

　　虽然还不完满，但Esteban的模型显露了自然形态下8细胞期胚胎中细胞的关头特性，并凸显了人类和小鼠胚胎何如启动向8细胞期阶段迁徙之间的仓猝差异。Esteban说：“全部人发现，一种乃至在小鼠体内都没有表示的转录因子，安排着完全迁移经过。”

　　团结起来，这些模型不妨建树商榷人员描写出仅仅几个细胞是如何发育为高度纷乱的脊椎动物躯体的。

　　在很多国家，对人类胚胎的商洽只能在发育14天以内举行，但在这些局限条件下，考虑人员仍有良多工作可做。Esteban谈，非人类灵长类动物模型供应了一种也许的代替策动，而Zernicka-Goetz叙，她的小鼠胚胎战术也或许崭露发育到第12天的人类胚胎。她谈：“在这个所有人能酌量的胚胎阶段，仍有良多问题有待提出。”