近日，《Nature》精選5項在2023年最值得關注的生物技術，這些技術包含單分子蛋白質定序(Single-molecule protein sequencing)、體積電子顯微鏡(Volume electron microscopy)、基因編輯系統CRISPR、單細胞代謝體學(Single-cell metabolomics)、體外胚胎模型(Single-cell metabolomics)，有望在未來撼動整個科學界。
 

1.單分子蛋白質定序

蛋白質體可以提供有關健康和疾病的訊息，過往大多數蛋白質體學分析是使用質譜法，根據質量和電荷來分析蛋白質混合物，可以同時量化數千種蛋白質，但混合物中含量較低的蛋白質常常被忽略。

德州大學-奧斯汀分校(University of Texas-Austin)的生化學家Edward Marcotte發明了螢光定序法，首次於2018年發表，可以運用不同的螢光標記單個胺基酸，並逐個分子進行觀察。

去年，一家生物技術公司Quantum-Si的研究人員，利用類似螢光定序的方法，透過螢光標記結合蛋白來辨識蛋白質末端的特定胺基酸(或多肽)序列。

雖然單分子蛋白質定序目前還在概念驗證階段，但也即將邁入商業化。Quantum-Si已經宣布，將在今年推出第一代儀器。

而其他研究人員則正在開發模擬DNA/RNA 定序技術─固態奈米孔定序(Nanopore sequencing)，荷蘭台夫特理工大學(Technische Universiteit Delft)的生物物理學家Cees Dekker在2021年發表的方法中，就運用蛋白質製成的奈米孔，讓多肽通過微小通道時所引起的電流變化，來分析多肽中的單個胺基酸。

2.體積電子顯微鏡

電子顯微鏡的解析度很高，但僅能觀察樣品2D平面影像，若要深入觀察單個細胞的體積，可能需要將200個非常薄的切片影像重建在一起才能得到。

例如，2021 年，弗吉尼亞州阿什本的 Janelia 研究園區從事電子顯微鏡下細胞器分割 (COSEM) 計劃的研究人員在《Nature 》上發表了兩篇論文，運用聚焦離子束掃描式電子顯微鏡(FIB－SEM)讓成像體積增加大約 200 倍，同時保持良好的空間解析度，再與機器學習演算法結合後，可製作出細胞3D圖像，並能顯示不同胞器之間的關係，自動識別大約30 種不同類型的胞器和其他結構。

英國弗朗西斯·克里克研究院(Francis Crick Institute)的電子顯微鏡學家Lucy Collinson表示，最新的「體積電子顯微鏡技術」大大簡化了這個過程。她並形容該技術掀起一場「悄無聲息的革命」。

Collinson正在探索以高解析度重建小鼠整個大腦的可行性，她預測要完成小鼠大腦圖譜建構將需要十多年、耗資數十億美元，將產生50億GB的數據。Collinson指出，這可能與繪製第一個人類基因體圖譜一樣困難。

3.基因編輯系統CRISPR

基因編輯工具CRISPR Cas9理所當然地是2023年最受矚目的生物科技技術之一，持續推動基因治療、疾病模型建構和其他研究領域的突破，但CRISPR Cas9可以使用的地方還是有所限制，因此，許多研究人員正在跨越這些限制的方法。

CRISPR Cas酵素需辨認出的特定序列，被稱為「PAM」(protospacer adjacent motif)；進行基因切割時，Cas蛋白會與一段引導RNA (gRNA)形成複合體，再和與之互補的DNA進行辨識，此時主要透過gRNA前端約20個鹼基長度的序列來辨識，該序列稱為protospacer，緊接在這段序列後的三個核苷酸則稱為PAM。

美國麻省總醫院(Massachusetts General Hospital)的基因體工程師Benjamin Kleinstiver，開發出一項新的CRISPR基因編輯方法，運用CRISPR-Cas9酵素的變體「SpRY」，能突破以往使用Cas酵素系統的限制，讓DNA的切割不再受到「需位於兩段特定序列間」的限制。

傳統的CRISPR Cas酵素只能針對基因體1%~10%的部分進行編輯，但Kleinstiver開發的CRISPR Cas9酵素的變體SpRY幾乎可以讀取整個基因體，雖然可能會增加脫靶的機會，但進一步的工程設計可以提高CRISPR基因編輯的特異性。

在自然界中，CRISPR Cas9系統是一種細菌防禦病毒感染的機制，事實上，還有許多存在於自然的Cas變體有待發現，義大利特倫托大學(University of Trento)的病毒學家Anna Cereseto梳理超過100萬個微生物基因體，來尋找出一組Cas9系統可以針對98%以上已知人類致病突變基因。

4.單細胞代謝體學

代謝體學是細胞中的脂質、碳水化合物和其他小分子代謝物的研究，科學家們可以運用單細胞的代謝體數據來解開細胞的複雜功能。

歐洲分子生物學實驗室(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)代謝體學研究員Theodore Alexandrov表示，代謝體包含不同化學性質的分子，但許多代謝體出現的非常短暫，僅有次秒級的周轉率，可能難以被檢測到，雖然單細胞RNA定序可以捕捉細胞或生物體中產生所有RNA分子的一半，但大多數代謝體分析僅能涵蓋細胞代謝物的一小部分。

研究人員指出，代謝體實際上是細胞的活性部分，目前研究人員會利用一種稱為基質輔助雷射脫附電離(Matrix-assisted laser desorption/ionization, MALDI)的技術，運用雷射掃過經特殊處裡的組織切片，釋放代謝物後再使用質譜分析，可以捕捉樣本中代謝物產生的精準位置。

研究人員也正在讓這項技術大眾化，2021年，Alexandrov開發出一種軟體工具SpaceM，使用光學顯微鏡影像數據，加上質譜儀，對細胞進行空間代謝體學分析，已分析出數萬個人類和小鼠細胞中的代謝物，未來希望能夠建構出代謝體圖譜。

5.體外胚胎模型

在小鼠和人類中，從受精卵到形成胚胎的過程已經被詳細繪製出來，但驅動這一過程的早期分子機制仍然所知甚少。不過，體外類胚胎模型可以幫助填補這方面的知識，讓研究人員能更了解決定胎兒發育成敗的早期機制。

加州理工學院和英國劍橋大學的發育生物學家Magdalena Zernicka-Goetz在2022年時，證明可以在體外成功誘導胚胎幹細胞生成小鼠胚胎，Zernicka-Goetz表示，該體外胚胎模型長出了頭和會跳動的心臟，並可運用這胚胎模型來揭開個體基因改變如何影響胚胎發育。

而中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院(Guangzhou Institute of Biomedicine and Health, GIBH)的幹細胞生物學家Miguel Esteban則採取不同策略，他運用人類幹細胞進行重新編程來模擬胚胎發育的早期階段。

Esteban的研究團隊開發一種培養策略，可以將幹細胞編程回推到類似8細胞的人類胚胎階段，並發現了一種未在小鼠表現的轉錄因子，可調節整個發育過程。這是一個非常重要的里程碑，該模型可以幫助研究人員繪製出細胞如何發育成脊椎動物的圖譜。

參考資料：doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00178-y

(編譯/李林璦)