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2015年度9大改變世界的革命性技術(shù)
閱讀：559 發(fā)布時間：2014-12-17基因編輯更快更準更簡單
1973年,，斯坦利·N·科恩(Stanley N. Cohen)和赫伯特·W·博耶(Herbert W. Boyer)找到了改變生物體基因組的方法，成功將蛙的DNA插入到細菌中,。20世紀70年代末,，博耶的基因泰克(Genetech)公司對大腸桿菌進行基因改造,，使其帶有一個人源基因(這個基因是人工合成的)，zui后生產(chǎn)出治療糖尿病的胰島素,。很快,，加利福尼亞州拉霍亞的索爾克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的科學(xué)家培育出了*只轉(zhuǎn)基因小鼠,。
20世紀70年代，科學(xué)家就找到了改變生物體基因組的方法，但這些方法不甚,，并且難以用于量產(chǎn)。因此,，很多基因修飾實驗依然既困難又昂貴。
現(xiàn)在,，一種名叫CRISPR的新技術(shù),，也許將*革新基因組編輯。這一技術(shù)源自細菌的免疫防御系統(tǒng),，比傳統(tǒng)方法更快速,、更便宜,、更簡單。商業(yè)化的CRISPR技術(shù)公司己經(jīng)吸引到了大量資金,。
研究人員已經(jīng)開始探索，如何將CRISPR技術(shù)應(yīng)用于艾滋病,、精神分裂癥等多種疾病的治療,。然而,，因為CRISPR能非常輕易地改變植物、昆蟲和人類的基因組,，倫理學(xué)家擔(dān)心這會引發(fā)一些負面后果,。
基因工程領(lǐng)域取得的這些巨大成就改變了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進程。但是,，早期的基因改造方法有兩大局限：不甚,，并且難以量產(chǎn)。那時,，DNA插入基因組的行為是隨機的,，科學(xué)家只能祈求好運，但愿自己能得到一個有用的突變,。1990年,，研究人員取得了跨越式的進步。他們設(shè)計出能在特定位點對DNA進行剪切的蛋白,，突破了*個局限,。但是，每想要修改一段DNA序列,，他們都必須設(shè)計一個新的蛋白,，這種工作非常耗時，并且十分艱苦,。
時間終于到了2012年,。瑞典于默奧大學(xué)(Ume? University)的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的珍妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報道，他們在細胞中發(fā)現(xiàn)了一種遺傳機制，能讓科學(xué)家以的速度編輯基因組,，并且過程十分簡單,。此后不久，哈佛大學(xué)和麻省理工大學(xué)的一個課題組運用這種技術(shù),，一次性地對細胞基因組的多個位點進行了修改,。
這種先進的技術(shù)已經(jīng)加快了基因工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)也有深遠的推動作用,?？茖W(xué)家現(xiàn)在只要幾周時間，就能按需定制出經(jīng)過基因改造的實驗動物,，省去了從前一年的工作量與時間,。目前，研究人員正在運用該技術(shù),，探索艾滋病,、阿爾茨海默病、精神分裂癥等疾病的治療方法,。該技術(shù)將生物體的基因修飾過程變得相當(dāng)簡單與廉價,，研究人員和倫理學(xué)家甚至開始擔(dān)心，這會催生負面效應(yīng),。
這種技術(shù)名叫CRISPR,，是“clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats”(即成簇、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列)的縮寫,。利用這種序列,，細菌可以對侵襲過它的病毒產(chǎn)生“記憶”。自從日本科學(xué)家20世紀80年代末發(fā)現(xiàn)CRISPR之后,，科學(xué)家就一直在研究這種奇怪的基因序列,。然而，直到杜德娜和卡彭蒂耶偶然注意到一種名叫Cas9的蛋白,，CRISPR才顯示出它作為基因組編輯工具的巨大潛力。
2011年,，杜德娜和卡彭蒂耶在波多黎各圣胡安的一次科學(xué)會議上相識,。他們有很多共同點：他們的團隊都在研究細菌防御病毒入侵的機制；他們都已經(jīng)確認,，細菌可以記住以前入侵過自己的病毒的DNA,，以此來識別病毒，當(dāng)該病毒再次入侵時,，它們就會立刻認出“敵人”,。
那次會議后不久，卡彭蒂耶和杜德娜決定合作。當(dāng)時,，卡彭蒂耶在于默奧大學(xué)的實驗室剛剛發(fā)現(xiàn),，鏈球菌似乎會用Cas9蛋白來“搗碎”突破其細胞壁的病毒。于是,，杜德娜在伯克利的實驗室,，也開始探究Cas9蛋白的作用機理。
很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)的背后都有一連串巧事,，CRISPR的故事也不例外,。卡彭蒂耶實驗室的克日什托夫·黑林斯基(Krzysztof Chylinski)和杜德娜實驗室的馬丁·伊內(nèi)克(Martin Jinek)在毗鄰的城鎮(zhèn)長大,，說著同樣的波蘭方言,。杜德娜說：“他們開始通過Skype聊天。兩人一拍即合,，然后就開始分享數(shù)據(jù),、討論做實驗的想法。這個項目就這樣正式開始了,。”
兩個實驗室的科學(xué)家都意識到,，他們或許可以用Cas9蛋白來進行基因組編輯?；蚪M編輯是基因工程中的一種方法,，酶是這一過程中的“分子剪刀”，可以剪切DNA,。這種酶名叫核酸酶(nuclease),，能在特定的位點切斷雙鏈DNA。DNA斷裂后,，細胞會對斷裂位點進行修復(fù),。有時，細胞中一些人為導(dǎo)入的基因片段,，會在修復(fù)的過程中插入這些位點,。杜德娜和卡彭蒂耶剛開始合作的時候，科學(xué)家如果想改變或關(guān)閉一個基因,，的方法,，是定制一種能找到特定DNA位點并對其進行切割的酶。換句話說,，每修飾一次基因,，科學(xué)家都不得不設(shè)計一種新的蛋白，專門針對想要修飾的DNA序列,。
但杜德娜和卡彭蒂耶意識到,，Cas9蛋白——這種鏈球菌用于免疫防衛(wèi)的酶,，會用RNA來引導(dǎo)自己找到目標DNA。為了探測作用位點,，Cas9-RNA復(fù)合物會在DNA上不停“彈跳”,，直到找到正確的位點。這一過程看似隨機,，其實不然,。Cas9蛋白的每次彈跳，都是在搜索同一段短小的“信號”序列,。Cas9會附著到DNA上,，檢測鄰近的序列是否和充當(dāng)向?qū)У腞NA匹配。這種RNA叫做向?qū)NA(guide RNA,，簡稱gRNA),，而只有當(dāng)gRNA和DNA匹配時，Cas9蛋白才會對DNA進行切割,。如果能將這套天然的RNA向?qū)到y(tǒng)利用起來,，研究人員在切割DNA位點時，就不用每次都構(gòu)建一種新的酶了,?；蚪M編輯可能會因此變得更簡單、更便宜,，也更有效,。
這個橫跨大西洋的團隊一起對Cas9蛋白進行了幾個月的研究，并且取得了突破,。杜德娜還能清楚地記起那個時刻,。他們的實驗室坐落在伯克利校園邊緣一個綠樹成蔭的山坡上，對面就是希臘劇院,，彼時還在做博士后研究的伊內(nèi)克一直那里在對Cas9蛋白進行實驗,。一天，他來杜德娜的辦公室討論實驗結(jié)果,。面對伊內(nèi)克和黑林斯基一直在討論的一個問題,，他們陷入了沉思：在自然界中——也就是在鏈球菌體內(nèi)，Cas9蛋白倚靠的不是一個,，而是兩個RNA,，來引導(dǎo)自己尋找DNA上的正確位點。
如果在保留其向?qū)Чδ艿那疤嵯?，將兩條gRNA整合成一條RNA鏈，結(jié)果會怎么樣呢,？如果只需修飾一個RNA序列,，研究人員的工作速度將會得到極大的提升,。gRNA序列與目標DNA序列之間存在精妙的互補關(guān)系，利用這種關(guān)系構(gòu)建一條gRNA,，比定制一個核酸酶更容易,。
“看著這些數(shù)據(jù)，我們突然就開竅了——這種事情經(jīng)常發(fā)生,，”杜德娜說道,，“我們意識到，其實可以將這些RNA分子設(shè)計成一條gRNA,。一套由一個蛋白質(zhì)和一條gRNA組成的系統(tǒng),，就足以成為一個強大的基因修飾工具。我打了個寒顫,，心想,，‘天哪，我要趕快跑到實驗室去,，如果這能成功的話……’”
他們真的成功了,。結(jié)果超出了杜德娜的設(shè)想(盡管她本來就抱有很高的期待)。2012年8月17日,，當(dāng)杜德娜和卡彭蒂耶將他們對CRISPR-Cas9的研究成果公諸于眾時,，該領(lǐng)域的科學(xué)家立刻認識到這一技術(shù)的變革性力量,，他們都想知道CRISPR-Cas9究竟能做什么，一場性競賽由此拉開序幕,。
CRISPR是怎樣工作的,？CRISPR 是細菌的“武器”，它能“搗碎”入侵細菌的病毒的DNA,?？茖W(xué)家可以利用這套工具,，改變他們想要修飾的DNA序列。和從前的基因組編輯方法不同,，CRISPR 系統(tǒng)采用一個通用酶——Cas9 來執(zhí)行剪切,。研究人員需要做的一切,，就是制造一個gRNA來引導(dǎo)Cas9,，而合成一條RNA，遠比合成一個酶更加容易,。
2013年之前,，研究人員一直在嘗試將CRISPR-Cas9應(yīng)用于植物和動物細胞——它們比細菌要復(fù)雜得多,。在他們看來,，這和復(fù)活尼安德特人與猛犸象一樣激動人心,。在哈佛大學(xué),，遺傳學(xué)家喬治·丘奇(George Church)領(lǐng)導(dǎo)的團隊用CRISPR技術(shù)來改變?nèi)祟惢?，為疾病的治療提供了多種可能性。
CRISPR-Cas9很快成為了投資的熱點,。一年多以前，杜德娜聯(lián)手丘奇,、麻省理工學(xué)院的張峰和其他研究人員，共同成立了愛迪塔斯醫(yī)藥公司(Editas Medicine),，他們獲得了4300萬美元的風(fēng)險投資,，用以開發(fā)一類新的,、基于CRISPR的藥物(該公司還沒有透露他們首先瞄準的是哪類疾病),。2014年4月，獲得2500萬美元投資的CRISPR醫(yī)療公司(CRISPR Therapeutics)在瑞士巴塞爾和英國倫敦成立,，他們的目標也是開發(fā)基于CRISPR的疾病療法。愛迪塔斯醫(yī)藥公司和CRISPR醫(yī)療公司都需要多年時間,，才能開發(fā)出相應(yīng)的療法,，然而,，實驗室的供貨商們已經(jīng)在向世界各地的客戶銷售可以立即用于動物注射的CRISPR材料，并開始為客戶定制經(jīng)CRISPR改造的小鼠,、大鼠和兔子,。
今年,，我在一個潮濕的夏日拜訪了位于圣路易斯的SAGE實驗室(SAGE Labs)，它是*批獲準使用杜德娜的CRISPR技術(shù)來改造嚙齒類動物的公司之一,。在那里，我能親眼見識CRISPR是如何起作用的,。SAGE實驗室向大約20家*制藥公司,，以及眾多高校、研究所和基金會供應(yīng)實驗材料,。英國劍橋的生物技術(shù)公司地平線發(fā)現(xiàn)集團(Horizon Discovery Group)早前也已獨立涉足CRISPR產(chǎn)品的研發(fā),；2014年9月，他們又以4800萬美元收購了SAGE實驗室,。SAGE實驗室位于一個工業(yè)園區(qū)內(nèi),，建在一條馬路盡頭的一組低矮的辦公建筑里,。這里的科學(xué)家收到一個來自實驗室的網(wǎng)上訂單：加利福尼亞州薩克拉門托(Sacramento)的一個實驗室為研究帕金森病，訂購20只敲除了Pink1基因的小鼠,。建筑新修的側(cè)樓耗資200萬美金,，里面是為客戶定制的基因改造大鼠，以及其他經(jīng)CRISPR改造的嚙齒類動物,。這些動物生活在超凈,、恒溫的籠子里,，籠子整整齊齊地放在一起，從地板一直排到天花板,。工作人員填寫訂單,、選出相應(yīng)的20只大鼠,，將它們輕輕地放在盒子里打包，然后空運到加利福尼亞——整個流程就是這么簡單,。如果有人想要研究精神分裂癥或疼痛控制,，也可以這樣訂購實驗動物。
不過,，如果倉庫里沒有客戶想要定制的那種動物,，流程就不一樣了。例如,，有一個客戶想要研究帕金森病和一種新發(fā)現(xiàn)的可疑基因(或者一個基因的特定突變)之間的關(guān)系,，當(dāng)他到SAGE實驗室訂購嚙齒類動物的時候，有幾個選擇,。SAGE實驗室的科學(xué)家能用CRISPR技術(shù)“關(guān)掉”目標基因,，制造一個突變；他們也可以關(guān)掉目標基因,，然后再往里插入一個人源基因,。從帕金森病到囊性纖維化，再到艾滋病，許多疾病都和基因突變有關(guān),。過去,，科學(xué)家需要一年時間，才能培育出這些帶有復(fù)雜基因突變的實驗動物,。但CRISPR不同于以往的基因組編輯技術(shù),。利用這種技術(shù)，研究人員能同時在細胞內(nèi)快速地改變多個基因,。培育基因工程動物的時間已因此縮短到幾周,。
SAGE的員工首先使用化學(xué)試劑盒，合成客戶定制的DNA,，以及與這條DNA相匹配的RNA。他們將RNA和Cas9蛋白在培養(yǎng)皿里混合,，一套具有基因組編輯功能的CRISPR工具就誕生了,。然后他們會花上大約一周的時間，用一種外形類似于掃描儀的儀器,，測試該工具在動物細胞內(nèi)的功能,。這種儀器能夠發(fā)射電流，將CRISPR工具注入細胞,。進入細胞的CRISPR工具會立刻開始工作,，對DNA進行剪切，進行小量的基因插入與刪除,。CRISPR并非100%有效：在某些細胞里,，它們會剪切DNA、制造突變,，在另一些細胞里則*不起作用,。為了觀察CRISPR的表現(xiàn)究竟如何，科學(xué)家會從細胞中收集DNA,，將它們集中起來,，并將目標位點附近的片段DNA復(fù)制多個拷貝。他們會對這些DNA進行處理與分析,，然后查看顯示在電腦屏幕上的分析結(jié)果,。如果CRISPR成功切開目標位點，制造出突變,，屏幕上就會顯示出一條模糊的條帶,，并且，CRISPR剪切過的DNA越多,，條帶就越明亮,。接下來，“戰(zhàn)場”轉(zhuǎn)移到了側(cè)樓的動物實驗室里?？茖W(xué)家就是在這里制造出經(jīng)基因改造的胚胎,，以及突變過的嚙齒動物。生物學(xué)家安德魯·布朗(Andrew Brown)戴著外科手套,、身穿藍色的長袍,、戴著套鞋和蓬松的帽子，彎腰伏在解剖顯微鏡前,。他用玻璃移液管的吸起一個大鼠胚胎,，然后走到房間的另一頭，將胚胎轉(zhuǎn)移至另一臺裝有機械手臂的顯微鏡上,。他將胚胎放到載玻片上的一滴液體里,，固定到臺面上。現(xiàn)在,，CRISPR就要發(fā)揮它的魔力了：他用右手控制操縱桿,，一只機械手臂將一根空的玻璃針頭扎入胚胎。
從顯微鏡的目鏡看去,，胚胎中來自雙親的兩個原核(pronucleus)就像是月球表面的環(huán)形山,。布朗輕輕推動細胞，直到其中一個原核移到針尖的旁邊,。他點擊電腦鼠標,，一滴含有CRISPR的液體從針頭噴出，穿過細胞膜進入細胞,。原核立即像一朵快速盛開的花一樣膨脹開來,。布朗運氣不錯，一個突變細胞就此誕生了,。SAGE實驗室中有3個技術(shù)員,，他們一周4天、一天300次地重復(fù)著這項工作,。
布朗將完成注射的大鼠胚胎吸入移液管,，移進培養(yǎng)皿，存儲在加熱至動物體溫的培養(yǎng)箱中,。zui后,，他需要將30~40枚經(jīng)過修飾的胚胎注射到代孕母鼠體內(nèi)。20天后,，代孕大鼠將懷上5~20個“孩子”,，當(dāng)這些“孩子”長到10天大的時候，SAGE實驗室的科學(xué)家將抽取組織樣本,，檢測哪個“孩子”帶有改造過的基因,。
“這是zui令人激動的時候，”布朗說道。20個胚胎中,，可能只有1個能被成功改造,，而改造成功的動物，就是我們所說的種源動物(founder animal),。到了這一步,，每個人都會慶祝一下。在我們看來,，SAGE實驗室的科學(xué)家制造RNA,、注射胚胎的方法似乎很簡單，很多實驗室也在用同樣的步驟培養(yǎng)基因工程動物,。正如SAGE的執(zhí)行官戴維·斯莫勒(David Smoller)說的那樣,，這是可以“量產(chǎn)”的基因組編輯技術(shù)。
CRISPR已經(jīng)勇猛地踏上了商業(yè)化的征途,，研究人員和商人都在為這種技術(shù)設(shè)想新的商業(yè)用途,，其中的某些想法甚至有些狂妄。運用這種技術(shù),，醫(yī)生或許可以在懷孕早期的婦女體內(nèi)，改造與唐氏綜合征有關(guān)的異常染色體,；育種人員可以重新向抗性雜草的基因組中引入對除草劑敏感的基因,；我們還可以復(fù)活已經(jīng)滅絕的物種。這當(dāng)然會讓有些人感到害怕,。比如,，zui近就有一些警告性的頭條報道，將這種技術(shù)形容為“扮演上帝的好方法”,，或者“瓶中妖”,。這些文章?lián)模?dāng)我們急于擺脫瘧蚊,，太想治好亨廷頓病,，或者期望“設(shè)計”出更好的嬰兒時，我們也可能是在創(chuàng)造一個充滿有害新基因的“侏羅紀公園”,。
以哈佛大學(xué)研究人員提出的“滅蚊項目”為例,。美國伍德羅·威爾遜學(xué)者中心(Woodrow Wilson International Center for Scholars)的生物安全分析師托德·庫伊肯(Todd Kuiken)認為，戰(zhàn)勝瘧原蟲是一回事,，但要消滅這種寄生蟲的載體,，卻是*不同的另一項任務(wù)。如果我們的目標是*瘧疾這種每年感染兩億人,、殺死60萬人的疾病,，我們就不得不小心，自己是否會制造出10個新麻煩。“我們必須想清楚,，‘我們真要這樣做嗎,？’如果答案是‘是’，我們有哪些可用的系統(tǒng),？有什么樣的保障措施,？”
科學(xué)家正在快速行動，他們希望預(yù)見CRISPR技術(shù)zui可能的危害,，并制定應(yīng)對措施,。2014年7月17日，當(dāng)哈佛大學(xué)的團隊發(fā)表一篇討論如何用CRISPR消滅瘧蚊的論文時,，他們也在呼吁公眾對這一問題進行討論,，他們也指出了基因改造在技術(shù)與監(jiān)管上的窘境。該團隊的生物倫理學(xué)家讓蒂寧·倫斯霍夫(JeantineLunshof)說：“CRISPR的發(fā)展如此迅猛,，很多人還沒聽說過這種技術(shù),，但是我們確實正在使用它。這是一種新現(xiàn)象,。”現(xiàn)在,，在伯克利的創(chuàng)新基因組計劃(Innovative Genomics Initiative)的框架下，杜德娜正在組建一個團隊,，專門討論應(yīng)用CRISPR的倫理問題,。如果對倫理問題的擔(dān)憂，撲滅了人們對CRISPR的熱情,，后果將是不可想象的,。例如，2014年6月,，麻省理工學(xué)院的研究人員報道,，他們直接從尾部向動物體內(nèi)注射CRISPR，治愈了患酪氨酸血癥(tyrosinemia,，一種的罕見肝臟疾病)的成年小鼠,。這種疾病由一種突變的酶引起。研究人員向小鼠體內(nèi)注射了3種gRNA序列和Cas9蛋白,，以及突變基因的正確DNA序列,。小鼠的每250個肝臟細胞中，就有1個插入了正確的基因,。接下來一個月,，被“修正”的肝臟細胞蓬勃生長，zui終取代了1/3的病變細胞——這足以使小鼠擺脫上述疾病,。2014年8月,，坦普爾大學(xué)(Temple University)的病毒學(xué)家卡邁勒·哈利利(Kamel Khalili)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報道,，他們已經(jīng)用CRISPR在數(shù)個人類細胞系中對HIV病毒進行了剪切。
自上世紀80年代起,，哈利利一直奮戰(zhàn)在對抗HIV/AIDS的前線,。對他來說，CRISPR是場不折不扣的革命,。盡管艾滋病治療已經(jīng)取得了巨大的進步,，但今天的藥物僅僅能控制病毒，仍然不能*疾病,。不過,，運用CRISPR，哈利利團隊已經(jīng)*從細胞中清除了HIV的完整DNA拷貝,，將受感染的細胞轉(zhuǎn)化了成無病毒細胞,。并且，除了“清洗”已經(jīng)感染病毒的細胞,，CRISPR還可以將一段病毒序列整合進未受感染的細胞中,，對其進行免疫——正如杜德娜和她的團隊在原始的細菌中觀察到的那樣。你可以將這種手段稱作“基因疫苗”,。哈利利說：“這是*的治療方法,，如果你在兩年前問我，‘你能地切割人類細胞中的HIV嗎,？’我可能會說這非常困難,。但現(xiàn)在，我們做到了,。”
通過輕輕地擠壓細胞，就可以讓一些大分子或納米材料進入細胞,，進而改變細胞的運作,。
可編程的細胞
假如人類能讓體內(nèi)的細胞按照我們的要求去運作，比如讓它們適時地合成胰島素,，或去攻擊腫瘤,，那么許多健康問題將會迎刃而解。不過,，實現(xiàn)這一愿望并非易事?，F(xiàn)在普遍使用的方法是，利用病毒穿透細胞膜,，對細胞進行干預(yù),，但這樣會對細胞造成*性的損壞。
2009年,，麻省理工學(xué)院的研究人員在不經(jīng)意間解決了這一技術(shù)難題,。他們當(dāng)時正嘗試用顯微水槍向細胞注入一些大分子和納米材料,。這些物質(zhì)可以改變細胞的運作機制，同時又能保證細胞存活,?；瘜W(xué)工程師阿蒙·沙雷(Armon Sharei)發(fā)現(xiàn)，水槍的沖擊使部分細胞的外形產(chǎn)生了短暫的畸變,。
令人吃驚的是,，當(dāng)細胞的外形處于畸變狀態(tài)時，注射的物質(zhì)成功地進入到了細胞內(nèi),。沙雷說道：“這讓我們意識到,，如果讓細胞在足夠短的時間內(nèi)產(chǎn)生形變，便可暫時克服細胞膜的阻礙,。”不管怎樣,，顯微水槍還只是一種較為粗放的方法，下一步工作是找到一種更加溫和的方式來擠壓細胞,。
為此,，在顯微流控領(lǐng)域的奠基人之一克拉夫·F·延森(Klavs F. Jensen)，以及另一位生物領(lǐng)域的先鋒人物羅伯特·S·蘭格(Robert S. Langer)的帶領(lǐng)下,，沙雷開發(fā)出了一種以硅和玻璃為材質(zhì)的微芯片,。這種芯片的表面，預(yù)先蝕刻了供細胞流動的通道,，隨著細胞流動的方向,，通道逐漸收窄，直到細胞無法繼續(xù)向前行進,。此時,，被卡住的細胞因受擠壓而產(chǎn)生形變，細胞膜上便會出現(xiàn)小孔,。這些小孔的直徑,，足夠許多可改變細胞運作的介質(zhì)通過，如蛋白質(zhì),、核酸,、碳納米管等。
這項技術(shù)甚至能將介質(zhì)成功引入脆弱的干細胞和免疫細胞中,，這些細胞無法經(jīng)受以前那種擠壓方式的摧殘,。“這項技術(shù)適用的細胞種類之多，讓我們都始料不及,，”沙雷介紹道,。
自這項技術(shù)問世以來，沙雷所在的研究團隊已經(jīng)開發(fā)出了16種適用于不同細胞的芯片,。當(dāng)然,，還會有更多的芯片陸續(xù)問世,。而且，在現(xiàn)有每秒擠壓50萬個細胞的基礎(chǔ)上,，相關(guān)設(shè)備的處理效率還將更上一層樓,。該團隊已經(jīng)成立了一家名為“SQZ生物科技”的公司，將這項技術(shù)推向市場,。法國,、德國、荷蘭及英國的科研人員有望很快用上該技術(shù),。
通過注入特殊化合物,，可以使動物變得通體透明，這項技術(shù)將成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的助推器,。
透明動物
5年前,，維維安娜·格勒迪納魯(VivianaGradinaru)還在神經(jīng)生物學(xué)實驗室里，緩慢地處理著小鼠大腦切片的二維圖像,，并將其合成為三維模型,。一天，她慕名參觀了“人體世界”標本展,。整個展覽zui讓她著迷的,，是經(jīng)過塑化處理、完整的人體循環(huán)系統(tǒng),。這件展品讓她深深感到,，類似的處理方法可以運用到她的研究領(lǐng)域中，大大地提高實驗效率,。
“組織剝離”概念的提出已有100多年,，但當(dāng)時的方法，如使用溶劑浸泡等,，效率十分低下,，通常也會破壞標記細胞所需的熒光蛋白。為了找到更好的解決方法,，當(dāng)時還是研究生的格勒迪納魯,，與已故神經(jīng)免疫學(xué)家保羅·帕特森(PaulPatterson)實驗室的同事一起,，開展了相關(guān)研究,。這些研究的目的是替換組織中的脂肪分子——正是脂肪使得組織不透明。不過,，他們必須找到一種可替代脂肪的物質(zhì),，用以支撐組織的結(jié)構(gòu)。
zui終,，他們找到了合適的方法：首先對嚙齒類動物實施人道毀滅,，并將甲醛注入其體內(nèi),，利用心臟將甲醛泵至動物全身；之后,，剝?nèi)游锏钠つw,，從血管注入一種名為丙烯酰胺單體(acrylamide monomers)的白色無味化合物。丙烯酰胺單體可在動物體內(nèi)建立一個具有支撐作用的水凝膠網(wǎng),，取代動物組織內(nèi)的脂肪,，并使其呈現(xiàn)無色狀態(tài)；兩周之內(nèi),，這種物質(zhì)可以使一只小鼠變得通體透明,。
這種方法誕生后不久，他們便開始嘗試著繪制透明小鼠的完整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),。透明器官讓他們夢想的不少研究都成為現(xiàn)實,，比如分辨周圍神經(jīng)——這類人們從前知之甚少的細微神經(jīng)束。再比如向透明小鼠尾部注入帶有熒光標記的病毒,，觀察病毒如何透過血腦屏障進入小鼠的大腦,。“掌握這項技術(shù)，就好比擁有了洞察世間萬物的‘透視眼’,，”格勒迪納魯介紹道,。透明器官一方面可降低實驗中人為誤差的概率，另一方面可提高實驗效率,，豐富實驗數(shù)據(jù),，同時減少實驗動物的使用數(shù)量。格勒迪納魯愿意向任何有需要的實驗室提供她的水凝膠制作方法,。下一步她將把這一技術(shù)推廣到癌癥以及干細胞領(lǐng)域的研究上,。
簡易快速的納米顯微鏡
一種可以拍攝納米粒子的電子顯微鏡能快速檢測藥物、爆炸物中的分子信息,。
具備納米尺度分辨率的電子顯微鏡已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,，但其價格動輒高達數(shù)百萬美元，準備樣品也非常麻煩,。對于專業(yè)的研究型實驗室來說,，這樣的狀況還能夠接受，但如果要快速掃描產(chǎn)品樣品,，來查看內(nèi)置的微尺度水印呢,？
紐約大學(xué)物理學(xué)家戴維·格里爾(David Grier)和同事研制出的一種新型全息顯微鏡，就能解決這一問題,。他們以商用蔡司(Zeiss)顯微鏡為基礎(chǔ),，將它的白熾燈光源換成激光光源。激光照射到待觀察的樣品上,，然后發(fā)生散射,，形成由激光束和散射光互相干涉而成的三維圖像(即全息圖),，并由攝像機錄下。
數(shù)十年以來,，科學(xué)家已經(jīng)可以生成微尺度物體的全息圖像,，但從中提取出有用的信息總是很困難。這就是格里爾這項發(fā)明的價值所在,。他的研究小組編寫了一種軟件,，能夠快速求解描述光在球體上散射的方程中的未知參數(shù)。這些參數(shù)中包含了關(guān)于散射物體的所有信息,。由于這種顯微鏡具有納米級的分辨率,，研究人員得以追蹤膠體中懸浮的粒子(例如涂料樣品中漂浮的納米珠)。同時,，它的成本只有電子顯微鏡的十分之一,。
格里爾希望這種儀器能夠提供一種快速而經(jīng)濟的方式，用來觀察產(chǎn)品內(nèi)部的單個粒子,。設(shè)想一下,，涂料桶或洗發(fā)水瓶中每滴液體都含有標注了產(chǎn)品生產(chǎn)信息的微粒——就像指紋一樣。格里爾還補充道,，這種顯微鏡同樣容易“讀”出“加蓋”在藥物,、爆炸物及其他物品中的分子信息。
液體發(fā)電
唾液也許會成為醫(yī)用設(shè)備的新能源,。
默罕默德·穆斯塔法·侯賽因(Muhammad Mustafa Hussain),，這位沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)(King Abdullah University of Science and Technology)的教授，畢生致力于極微型裝置的研發(fā),。他用一句話總結(jié)自己的研究：“小東西拉近了我們與未來的距離,。”于是，當(dāng)他在2010年著手研究,、可再生的發(fā)電設(shè)備,，為偏遠地區(qū)的凈水或醫(yī)療診斷提供充足的能源時，他首先考慮的因素就是小巧,。不過,，利用唾液驅(qū)動燃料電池，卻是他在研究開始時*沒有想到的,。
這個“吐口唾沫”的點子來自于當(dāng)時侯賽因?qū)嶒炇业耐?、?dāng)時正在攻讀博士學(xué)位的賈絲廷·E·明克(Justine E.Mink，現(xiàn)為陶氏化學(xué)公司的研究員),。那時,，明克正嘗試開發(fā)一種可以植入人體,，安放在胰腺附近監(jiān)測糖尿病人血糖水平的微型裝置,。微生物燃料電池——這種通過向細菌提供有機物(唾液中也富含有機物),，利用細菌代謝產(chǎn)生電流的方法映入了她的眼簾。碰巧她和侯賽因的項目都可以利用這種方法,，因此兩人找來高導(dǎo)電性的石墨烯電極,，在上面附著了唾液細菌，在一周之內(nèi),，這些細菌產(chǎn)生了1微瓦(百萬分之一瓦)的電量,。
雖然1微瓦看起來微不足道，卻足以驅(qū)動諸如芯片,、診斷工具,、或是明克的糖尿病監(jiān)測儀這樣的微型設(shè)備了。侯賽因現(xiàn)在正與3D打印人造器官的公司合作,，將他的燃料電池嵌入人造腎臟中,，并通過各種體液為電池充電。他說這只是他宏偉目標的*步,，今后,，他打算幫助貧困國家，利用工業(yè)廢棄物中的有機物來發(fā)電,，并將電力用于海水淡化,。
“原子積木”搭建新奇材料
新材料的發(fā)現(xiàn)總是會促進人類文明的進步。這是推動人類社會從石器時代到青銅時代,，再到鐵器時代,，zui后來到硅時代的動力。
樂高積木是一種很有魔力的塑料玩具,，它不斷地激發(fā)出一個又一個新創(chuàng)意,。樂高積木的塑料組件體積很小，能按照不同方式組合到一起,，從而變成神奇的汽車,、設(shè)計巧妙的城堡和許多其他結(jié)構(gòu)。而今天,，新一代材料科學(xué)家正受樂高積木的啟發(fā),，將這種組合方式應(yīng)用到納米世界。
這里的積木組件是一些層狀材料,。這些材料zui薄可以達到僅有一層原子,，可以按照設(shè)計好的結(jié)構(gòu)，以的順序一層一層地疊加到一起,。這種的精密組合方式,，能夠制造出全新的物質(zhì)，這些物質(zhì)具備的電學(xué)和光學(xué)性能?？茖W(xué)家們進一步設(shè)想,，可以利用這些物質(zhì)，制造出幾乎沒有電阻的導(dǎo)電材料,，運算能力更強大,、運行更快的計算機，以及可彎曲,、可折疊而且非常輕的可穿戴電子器件,。
這些突破性的研究，是因石墨烯(graphene)的出現(xiàn)才產(chǎn)生的,。石墨烯是一種片狀結(jié)構(gòu)的石墨新材料,，厚度只有一個原子，其原子結(jié)構(gòu)是一個個重復(fù)的六邊形,，看起來就像鐵絲網(wǎng)圍欄一樣,。2004年，我和英國曼徹斯特大學(xué)的同事從塊狀石墨上分離出了單層石墨片——石墨烯,，使用的方法是利用膠帶從塊狀石墨頂層剝離出一片片1個原子厚的晶體,。過去10年間，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾十種可以用這個方法剝離的塊狀晶體,，而且這樣的晶體越來越多,。云母(Mica)就是其中的一種晶體，還有一些具有*名字的材料,，如六方氮化硼(hexagonal boron nitride)和二硫化鉬(molybdenumdisulfide),。
這些晶體層被認為是二維材料，因為對任何材料來說,，其zui小厚度就是單個原子厚度(稍厚點的晶體,，如3個左右的原子厚度，也可以看做是二維的),。而根據(jù)制造者的需求,，晶體層的其他尺寸——寬度和長度，可以非常大,。由于二維晶體具有許多非常*的性能,，在過去幾年里，它們已經(jīng)成為材料科學(xué)和固體物理領(lǐng)域非常熱門的話題,。
我們可以將這些晶體層非常穩(wěn)定地疊放在一起,。它們并不是按常規(guī)方式通過化學(xué)鍵相連的，比如共享電子的共價鍵,。當(dāng)它們相互靠得非常近時,，原子間會通過大家熟知的微弱的范德華力相互吸引,。這個力通常不夠大，無法將多個原子或分子聚合在一起,，但因為這些二維晶體層的原子非常密集,，彼此之間的距離也非常近，因此這些力累加到一起,，會變得很強大。
為了理解這種材料究竟會帶來什么誘人的可能性,，我們可以想一下室溫超導(dǎo),。要實現(xiàn)無能量損失的電流傳輸，而且又不需要將設(shè)備置于超低溫環(huán)境中,，這一直是幾代科學(xué)家的夢想,。如果發(fā)現(xiàn)了可以實現(xiàn)這個目標的材料，對人類文明一定會產(chǎn)生非常深遠的影響,。研究人員的共識是,，原則上這個目標是可以實現(xiàn)的，但沒有人知道如何實現(xiàn),。到今天,，超導(dǎo)材料的zui高臨界溫度(超導(dǎo)材料從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時的溫度)也要在-100℃以下。過去20年來,，這方面的進展非常有限,。
我們zui近發(fā)現(xiàn)，用我前面描述的方法,，可以將許多氧化物(由至少一個氧原子和許多其他元素組成的化合物)超導(dǎo)體分解成厚度為1個原子的片層結(jié)構(gòu),。如果我們換一種順序，將各層重新組合,，并且在中間添加一層其他晶體層,，會發(fā)生什么呢？我們已經(jīng)知道,，氧化物的超導(dǎo)性依賴于層間距離,；我們還知道在晶面之間增加一層額外的晶體層，可以將弱導(dǎo)電甚至絕緣材料變?yōu)槌瑢?dǎo)體,。測試這一想法的真實實驗還沒有完成,，主要是因為，制備原子尺度的“樂高材料”的相關(guān)技術(shù)仍然處于初期階段,，而且將復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)組合到一起也很困難,。
目前，這些結(jié)構(gòu)所含的不同晶體層很少能多于5種,，一般只含兩種或3種不同的晶體層,，一般是由石墨烯片與二維材料(絕緣體氮化硼,、半導(dǎo)體二硫化鉬、二硒化鎢等)組成,。因為這種堆疊結(jié)構(gòu)含有多種材料,，經(jīng)常被看作異質(zhì)結(jié)構(gòu)。它們現(xiàn)在的尺寸都非常小,，通常長寬都只有10微米,，比頭發(fā)的橫截面還小。利用這些堆疊結(jié)構(gòu),，我們可以通過實驗來探索其新奇的電學(xué)和光學(xué)性能以及新用途,。這些結(jié)構(gòu)還有一個有趣的特性：它們不僅非常薄，還非常柔軟,，而且透明,。這就為制備多種形狀的發(fā)光設(shè)備提供了可能：研究人員有機會制備出可折疊的顯示屏，當(dāng)使用者需要大一點的顯示屏?xí)r,，就可以將顯示屏展開,；也可能制備出新的計算機芯片，耗能要比現(xiàn)在的芯片低很多,。
研究人員在研究這類新材料時,，如果能有一些重大突破，我們相信,，一定會發(fā)展出相應(yīng)的大規(guī)模制備技術(shù),，以實現(xiàn)其工業(yè)應(yīng)用。就像石墨烯和其他一些二維晶體材料那樣,。zui初制備那些材料時,，僅能得到幾微米大的微晶，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以得到幾百平方米大的片狀材料,。
目前,，還沒有人發(fā)現(xiàn)這類新材料有什么改變世界的“殺手級應(yīng)用”，然而,，這一領(lǐng)域取得的進步,，已經(jīng)讓很多科學(xué)家感到興奮。新材料的發(fā)現(xiàn)總是會促進人類文明的進步,。這是推動人類社會從石器時代到青銅時代,，再到鐵器時代，zui后來到硅時代的背后力量,。納米尺度的“樂高積木”代表了人類從未制造過的新材料?，F(xiàn)在，我們只能猜想未來的一切,，但我們相信,，這種新材料帶來的可能性將是無限的,。
聲波充電
2011年，美國賓夕法尼亞大學(xué),，當(dāng)時還是古生物學(xué)專業(yè)高年級學(xué)生的梅瑞狄斯·佩里(Meredith Perry)伸手去拿她的筆記本電腦充電器,。
突然間，一個想法躍入了她的腦海：是否有一天能拋開這些麻煩的充電線呢,？她隨即開始尋找將這個想法變?yōu)楝F(xiàn)實的途徑,。
佩里了解到，已經(jīng)有基于磁共振和電磁感應(yīng)的無線電力傳輸技術(shù)了,，但它們的傳輸距離有限,。限制它們的是平方反比定律(inverse square law)，即電磁輻射的強度與輻射源的距離的平方成反比,。
然而,，機械振動卻不存在這個問題,。使用壓電轉(zhuǎn)換器從空氣中獲取振動能量,，就可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，這看起來是一個更好的主意,。因為聲音其實就是振動的空氣粒子,，所以從理論上來說，它應(yīng)該能夠傳輸能量,。而安全,、安靜且高能的超聲波是個的選擇。
當(dāng)佩里同本校教授以及其他專家討論時,，很多人都認為這個想法不可行,，因為無法利用超聲波提取出足夠的能量來為電子設(shè)備充電；而且,，如果她真要嘗試的話,，還會遇到大量的電子工程和聲學(xué)方面的問題。“但是,，我知道這在理論上是可行的,，”佩里說，“而且沒有人能提出足夠的證據(jù),，證明這無法實現(xiàn),。”所以，她找到了uBeam公司,，來研發(fā)這項技術(shù),。
目前，他們已經(jīng)開發(fā)出了uBeam發(fā)射機的原型樣機,。它相當(dāng)于一臺定向揚聲器,，可以將超聲波聚焦,，產(chǎn)生一個能量“焦點”；與電子設(shè)備相連的接收器負責(zé)接收這股能量,，并將其轉(zhuǎn)化為電能,。她計劃在兩年內(nèi)推出*批產(chǎn)品。
佩里說,，通用無線充電系統(tǒng)不僅能讓我們不用再攜帶目前各式各樣且互不兼容的電線和充電器,，還可以保證移動設(shè)備在進行高耗電操作時不會用盡電量。擺脫電線的束縛,，還能帶來嶄新的室內(nèi)裝修設(shè)計思路,。此外，目前載有沉重輸電線纜的飛機,、汽車,、太空船等運載工具，重量也可以大幅降低,。
“總的來說,，無線充電技術(shù)將*改變我們與物質(zhì)世界的作用方式，”佩里說,，“我們將不再受制于電源插座,。”
儲存熱能的電池
基于熱耦合效應(yīng)的新型電池，可以將白白流失的熱能轉(zhuǎn)化為電能,，這一技術(shù)擁有巨大的應(yīng)用前景,。
在工業(yè)生產(chǎn)中，每年都有100億瓦特的電量以熱能的形式被浪費掉了,，而這些能量足夠為1000萬戶家庭提供照明用電,。通過熱電效應(yīng)(thermoelectric effect)，就可以利用溫差發(fā)電,，把這類熱能轉(zhuǎn)化為電能,。但是，這樣也只能利用其中的一部分,。麻省理工學(xué)院的博士后研究員楊遠(Yuan Yang)解釋道：這是因為幾十年來的研究都表明,，需要達到500℃以上的溫差，才能產(chǎn)生出具有實際使用價值的能量,。不幸的是,，據(jù)美國環(huán)境保護局(Environmental Protection Agency)的估計，在美國每年浪費的能量中,，有三分之一都是以低于100℃的溫度逃逸掉的,。
楊遠和他的導(dǎo)師、斯坦福大學(xué)的陳剛(Gang Chen),，以及博士后研究員崔屹(Yi Cui)和李碩祐(Seok Woo Lee)一道,，研發(fā)出了一種溫差僅為理論值1/10(低至50℃)的發(fā)電技術(shù),。這種技術(shù)的關(guān)鍵是利用了熱耦效應(yīng)(thermogalvanic effect，與熱電效應(yīng)有類似之處),。在這個過程中,，材料整體的溫度都隨電壓而變化，而非僅在電池中產(chǎn)生溫度差,。研究團隊使用不帶電的電池芯,，配以銅電極，在高溫時進行充電,，然后再讓它們冷卻——神奇的事情發(fā)生了,，電池的放電電壓比為它們充電時所用的電壓更高。換句話說,，用于加熱電池的能量被電池以電能的形式收集了起來,。
直到近兩年，電池電極的效率才達到能將如此小的溫差轉(zhuǎn)化為電能的程度,，楊遠介紹說,。而且在實現(xiàn)商業(yè)化前，這項技術(shù)還需要很多的研究工作來進一步完善,。但是,，人們遲早會建起由大量電池組筑起的“圍墻”,，環(huán)繞在工廠煙囪或發(fā)電廠的周圍，將以往白白浪費掉的熱能轉(zhuǎn)化為電力,。“這一場景非常誘人,，”楊遠說，“因為被浪費掉的熱能隨處可見,。”
新型聚合物“泰坦”
環(huán)保,、高強度、可自我愈合,、可回收的聚合物,，將改變汽車、飛機等諸多行業(yè),。
當(dāng)化學(xué)家珍妮特·加西亞(Jeannette García)在zui近用過的一個燒瓶里,，發(fā)現(xiàn)了一塊糖果大小的白色材料時，她壓根不知道到自己做出了什么東西,。這種材料緊緊附著在玻璃上,，所以只能用錘子打碎燒瓶才將其取出。但是,，當(dāng)她再次用舉起錘子,，去敲打這塊材料本身時,，后者卻毫發(fā)無損。“當(dāng)意識到它的有多堅固時,，我就知道必須要弄清楚我究竟做出了什么東西，”加西亞說,。
加西亞是IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家。zui終,，她在幾位同事的幫助之下解開了這個謎團,。他們發(fā)現(xiàn)，這種令人吃驚的材料是一類新型熱固性聚合物,。這是一類極為堅固的塑料，能用于從智能手機到飛機機翼等眾多產(chǎn)品中,。雖然在每年生產(chǎn)的聚合物中,，熱固性材料就占到了三分之一，但是它們很難被回收利用,。而加西亞發(fā)現(xiàn)的新材料(被稱為“泰坦”),，是目前為止發(fā)現(xiàn)的*種可回收的,、具有工業(yè)級強度的熱固性材料,。
傳統(tǒng)熱固塑料無法回收重塑，而上述新型聚合物可以通過化學(xué)反應(yīng)進行重新加工,。在2014年5月的《科學(xué)》(Science)雜志上,，加西亞和同事介紹了他們的發(fā)現(xiàn),。
預(yù)計，對耐用且可回收的塑料產(chǎn)品的需求將很快大幅攀升,。到2015年,，歐洲和日本都將要求廠家在生產(chǎn)汽車部件時，可回收材料的比例要達到95%,。“‘泰坦’恰恰可以地滿足這種需求,，”加西亞說,。此外,，她相信這種新材料zui終還能推廣到更廣泛的應(yīng)用中，包括抗蝕抗菌涂層,、給藥設(shè)備,、粘結(jié)劑、3D打印,、水凈化領(lǐng)域等,。
“泰坦”還有其他優(yōu)點。加西亞和同事發(fā)現(xiàn),，這種材料還有第二種形態(tài)——在低溫時,，它會呈現(xiàn)出可自愈合、類似凝膠的形態(tài),。這種形態(tài)被研究人員稱為“海德魯”(Hydro,，意為水),。“如果將海德魯切成兩半，再放回一起,，它們會立刻互相粘結(jié),，”加西亞介紹說,。這樣,，“泰坦”就可以用作粘合劑，或者自修復(fù)涂料,，其他相關(guān)的化學(xué)產(chǎn)品也將陸續(xù)被開發(fā)出來,。“(我們發(fā)現(xiàn)的)不僅僅是一種新型聚合物，而且還是一種新的聚合物生成反應(yīng),。”加西亞說。