《自然》挑选了来年将对科学产生巨大影响的工具和技术。
单分子蛋白质测序
蛋白质组体现了一组由细胞或生物体组成的蛋白质，可以提供关于健康和疾病的深入信息，但蛋白质组的表征仍然是一项具有挑战性的任务。
与核酸相比，蛋白质由更多的积木组成，大约有20个天然存在的氨基酸(相比之下，只有4个核苷酸组成DNA和信使RNA等分子)；因此，蛋白质具有更大的化学多样性。一些蛋白质在细胞中含量较少；与核酸不同，蛋白质不能被放大；——这意味着蛋白质分析方法必须使用任何可用的材料。
大多数蛋白质组学分析使用质谱，质谱是根据蛋白质的质量和电荷来分析蛋白质混合物的技术。这些光谱可以同时定量数千种蛋白质，但检测到的分子并不总是能被清楚地识别，混合物中低丰度的蛋白质往往被忽略。现在，可以对样品中许多(甚至所有)蛋白质进行测序的单分子技术可能很快就会出现，其中许多类似于用于DNA的技术。
德克萨斯大学奥斯汀分校的生物化学家爱德华·马科特正在研究一种叫做荧光测序的技术。2018年报道了马科特的技术。这项技术是基于一步一步的化学过程，单个氨基酸被荧光标记，然后从表面偶联蛋白的末端一个一个切掉。此时，照相机将捕获产生的荧光信号。马科特解释说:“我们可以用不同的荧光染料标记蛋白质，然后在切割时逐个分子地观察它。”去年，位于康涅狄格州的生物技术公司Quantum Si的研究人员描述了一种荧光测序的替代方法，该方法使用荧光标记的“结合”蛋白质来识别蛋白质末端的特定氨基酸(或多肽)序列[2]。
其他研究人员正在开发模拟纳米孔的DNA测序技术，并根据多肽通过微通道引起的电流变化来分析多肽。2021年，荷兰代尔夫特理工大学的生物物理学家Cees Dekker和他的同事演示了这样一种方法。他们使用蛋白质制造纳米孔，并能够区分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正在研究一种由硅基材料制成的固态纳米孔设备，该设备可以同时对许多不同的蛋白质分子进行高通量分析。他说:“你可能能够同时观察到数万甚至数百万个纳米孔。”
虽然单分子蛋白质测序目前只是概念验证，但其商业化正在快速推进。例如，Quantum Si已经宣布计划在今年推出第一代仪器，Meller指出，2022年11月在代尔夫特举行的蛋白质测序大会上有一个专门针对该领域初创企业的讨论组。他说:“这让我想起了第二代DNA测序技术问世之前的日子。”
德克萨斯州奥斯汀蛋白质测序公司的联合创始人马科特持乐观态度。他说:“这不是是否可行的问题，而是这项技术何时能交付给人们。”
詹姆斯·韦伯太空望远镜
天文学家从去年就开始期待了。经过20多年的精心设计和建造，美国国家航空航天局(NASA)在欧洲航天局和加拿大航天局的合作下，于2021年12月25日成功将詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)送入轨道。由于仪器设备需要部署，首轮观测位置需要确定，全世界要等近7个月，JWST才开始正常工作。
值得等待。马特·芒廷是马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家，也是JWST的望远镜科学家，他说最初的图像超出了他的最高预期。“实际上，天空不是空的——到处都有星系，”他说。“我们在理论上知道这一点，但真正看到这一幕却带来了一种不同的情感冲击。”
詹姆斯·韦伯太空望远镜的6.5米主镜头(图中显示了18个镜头中的6个)，可以探测到数十亿光年外的物体。资料来源:美国航天局/MSFC/大卫·希金波坦。
JWST计划接管哈勃太空望远镜的工作。哈勃望远镜可以看到宇宙的惊人景象，但它也有盲点:它几乎看不到红外范围内有光学信号的古老恒星和星系。为了弥补这一点，需要一种高灵敏度的仪器，其灵敏度应该能够探测到数十亿光年外发出的极其微弱的红外信号。
JWST的最终设计包括18个完全光滑的铍透镜阵列，完全展开时直径为6.5米。Mountain说，这些镜子的设计非常精确。“如果你把一面镜子放大到美国那么大，它上面的隆起不会超过几英寸。”这些镜子配备了最先进的近红外和中红外探测器。
这种设计使JWST能够填补哈勃望远镜的空白，包括捕捉来自一个135亿岁的星系的信号，该星系产生了宇宙中最早的一些氧和氖原子。JWST也带来了一些惊喜。例如，它可以测量某些类型的系外行星的大气成分。
全世界的研究人员都在排队等待观测时间。英国卡迪夫大学的天体物理学家Mikako Matsuura正在利用JWST进行两项研究，调查宇宙尘埃的产生和破坏，这可能导致恒星和行星的形成。松浦说，与她的团队过去使用的望远镜相比，“JWST的灵敏度和清晰度完全不同”。她说:“我们已经看到了这些天体内部发生的完全不同的现象——这真的很神奇。”
体积电子显微镜
电子显微镜以其出色的分辨率而闻名，但它主要观察样品的表面。深入研究样本内部需要将样本切成非常薄的薄片，这对于生物学家来说往往是不够的。伦敦弗朗西斯·克里克研究所的电子显微镜学家露西·柯林森解释说，仅覆盖单个细胞的体积就需要200个切片。她说，“如果你只有一片，那你就是在玩统计学的把戏。”
现在，研究人员正在将EM的分辨率应用于包含多个立方毫米体积的3D组织样本。
以前，从2D EM图像中重建如此大量的样本(例如，绘制大脑的神经连接图)需要艰苦的样本准备、成像和计算，然后才能将这些图像转换为多图像堆栈。现在，最新的“体积电子显微镜”技术大大简化了这一过程。
这些技术有各种优点和局限性。连续块面成像是一种相对快速的方法，它使用金刚石刀片在树脂包埋的样品上切割一系列薄片并成像，可以处理尺寸约为1立方毫米的样品。但其深度分辨率较差，这意味着生成的体重建会相对模糊。聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)可以制备更薄的薄样品，因此具有更高的深度分辨率，但更适用于更小的样品。
柯林森将体积电子显微镜的兴起描述为一场“安静的革命”，因为研究人员专注于通过这种方法获得的结果，而不是产生这些结果的技术。但这种情况正在改变。例如，2021年，在弗吉尼亚州Janelia研究校园从事电子显微镜(COSEM)细胞细胞器分割的研究人员在《自然》杂志上发表了两篇论文，重点介绍了在绘制细胞内部结构方面取得的巨大进展[4，5]。"这是一个极好的原则性论点."柯林森说
COSEM research计划使用一种复杂的定制FIB-SEM显微镜，这种显微镜可以在单次实验中将可成像体积增加约200倍，同时保持良好的空间分辨率。将这些仪器与深度学习算法相结合，该团队能够在各种细胞类型的完整3D体积中定义各种细胞器和其他亚细胞结构。
这种样品制备方法费力且难以掌握，产生的数据集非常大。但这种努力是值得的:Collinson已经看到了这项技术在传染病研究和癌症生物学中产生的洞察力。她现在正和同事们一起探索用高分辨率重建整个老鼠大脑的可行性。她预测这项工作将耗时十多年，耗资数十亿美元，并产生大约5亿GB的数据。她说:“这可能与绘制第一个人类基因组的数据在一个数量级上。”
CRISPR无限可能
基因组编辑工具CRISPR-Cas9作为引入全基因组目标位点特定变化的首选，在基因治疗、疾病建模等研究领域取得了突破性进展，享有不可否认的极高声誉。但是它的用途是有限的。现在，研究人员正在寻找规避这些限制的方法。
CRISPR的编辑由短指导RNA (sgRNA)协调，它将相关的Cas核酸酶导向其目标基因组序列。然而，这种酶需要在靶附近有一个称为原间隔邻基序(PAM)的序列才能发挥作用。没有帕姆，基因编辑可能会失败。
在波士顿的马萨诸塞州总医院，基因组工程师Benjamin Kleinstover利用蛋白质工程技术生产了一种“近似PAM less”CAS变体，这种Cas9酶通常用于化脓性链球菌。Cas变体需要由三个连续核苷酸碱基组成的PAM，其中腺嘌呤(a)或鸟嘌呤(g)核苷酸位于中间位置[6]。“这些酶现在几乎可以读取整个基因组，而传统的CRISPR酶只能读取基因组的1%到10%。”克莱恩斯托弗说。
这种对PAM序列不太严格的要求增加了编辑“脱靶”的机会，但进一步的蛋白质工程设计可以提高其特异性。作为一种替代方案，Kleinstiver的团队正在设计和测试大量的Cas9变体，其中每一种都显示出对不同PAM序列的高度特异性。
仍有许多自然发生的Cas变体有待发现。在自然条件下，CRISPR-Cas9系统是细菌对抗病毒感染的防御机制，不同的微生物进化出了各种具有不同PAM序列偏好的酶。意大利特伦托大学的病毒学家Anna Cereseto和微生物组研究人员Nicola Segata梳理了超过100万个微生物基因组，并识别和表征了多种Cas9变体。他们估计，这些变异可能能够针对98%以上的已知人类致病突变[7]。
然而，它们中只有少数能在哺乳动物细胞中发挥作用。塞雷塞托说:“我们的想法是测试多种酶，看看是什么决定了这些酶的正常运作。”从这些天然酶库和高通量蛋白质工程工作中获得的见解来看，Kleinstiver说，“我认为我们最终将拥有一个相当完整的编辑工具箱，允许我们编辑任何我们想要的碱基。”
高精度放射性碳年代测定
去年，考古学家利用放射性碳年代测定技术的进步研究了维京探险家首次抵达美洲的确切年份甚至季节。荷兰格罗宁根大学的同位素分析专家迈克尔·迪(Michael Dee)和他的博士后研究员玛戈·库伊特姆斯(Margot Kuitems)带领的团队在加拿大纽芬兰北岸的一个定居点发现了一些被砍伐的木材。通过对这些木材的研究，确定了这棵树很可能在1021年被砍伐，也可能是在春天[8]。
自20世纪40年代以来，科学家一直在使用有机文物的放射性碳年代测定法来缩小历史事件的时间范围。他们通过测量同位素碳14的痕迹来做到这一点，碳14是宇宙射线和地球大气相互作用的结果，并缓慢衰变了数千年。但这种技术的精度通常只有几十年。
对加拿大纽芬兰L'Anse aux Meadows的木材进行精确的放射性碳年代测定显示，维京人于1021年在这里砍倒了一棵树。图片来源:All Canada Photos/Alamy
2012年，情况发生了变化。日本名古屋大学物理学家Fusa Miyake领导的研究小组发现[9]日本雪松年轮中的碳-14含量在公元774年至775年间显著增加。随后的研究[10]不仅证实了这一时期世界各地的木材样本碳-14含量都有如此显著的增加，而且发现历史上至少有5次碳-14含量的这种增加，最早的一次可以追溯到公元前7176年。一些研究人员将这些碳14峰值与太阳风暴活动联系起来，但这一假设仍在探索中。