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《自然》發(fā)布2024年值得關(guān)注七大技術(shù) 中國科學(xué)家研究成果首次入選
2024年01月25日 11:44:24 來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：10400

《自然》發(fā)布了2024年值得關(guān)注的七大技術(shù)，包括大片段DNA插入、人工智能設(shè)計蛋白質(zhì)、腦機(jī)接口、 細(xì)胞圖譜、超高分辨率顯微成像、3D打印納米材料和DeepFake檢測

　　【化工儀器網(wǎng) 時事熱點(diǎn)】2024年1月22日，《自然》發(fā)布了2024年值得關(guān)注的七大技術(shù)，包括大片段DNA插入、人工智能設(shè)計蛋白質(zhì)、腦機(jī)接口、 細(xì)胞圖譜、超高分辨率顯微成像、3D打印納米材料和DeepFake檢測。七大技術(shù)中，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了五個席位，且人工智能(AI)的進(jìn)步成為許多令人興奮的技術(shù)創(chuàng)新的核心支撐。
 
　　值得一提的是，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊開發(fā)的大片段DNA精準(zhǔn)定點(diǎn)插入新工具PrimeRoot入選，這也是自2018年《自然》開始評選以來，第一項來自中國學(xué)者的技術(shù)成果入選。
 
　　深度學(xué)習(xí)助力蛋白質(zhì)設(shè)計
 
　　從頭設(shè)計蛋白質(zhì)已經(jīng)成熟為一種實(shí)用的工具，用于生成定制的酶和其他蛋白質(zhì)。在這背后，深度學(xué)習(xí)功不可沒。
 
　　其中，“基于序列”的算法使用大型語言模型，能夠像處理包含多肽“單詞”的文檔一樣，通過處理蛋白質(zhì)序列辨別出真實(shí)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)背后的模式。例如西班牙巴塞羅那分子生物學(xué)研究所開發(fā)的ZymCTRL，能利用序列和功能數(shù)據(jù)設(shè)計出天然酶。
 
　　基于結(jié)構(gòu)的算法也不遑多讓。美國華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊使用RFdiffusion設(shè)計的新蛋白質(zhì)可與目標(biāo)表面“完美吻合”，而更新版本的RFdiffusion能使設(shè)計者計算蛋白質(zhì)的形狀，為編碼酶、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑、制造功能性生物材料等開辟了新途徑。
 
　　圍追堵截“深度偽造”內(nèi)容
 
　　生成式AI可在幾秒鐘內(nèi)憑空創(chuàng)造出有說服力的文本和圖像，包括所謂的“深度偽造”內(nèi)容。
 
　　一種解決方案是生成式AI開發(fā)人員在模型輸出中嵌入水印，其他策略側(cè)重于對內(nèi)容本身進(jìn)行鑒定，通過算法識別替換特征邊界處的偽影等。
 
　　在工具的可獲得性方面，美國國防部高級研究計劃局的語義取證(SemaFor)計劃開發(fā)了一個有用的“深度偽造”分析工具箱。美國水牛城大學(xué)研究團(tuán)隊也開發(fā)了算法庫DeepFake-O-Meter，其能從不同角度分析視頻內(nèi)容，找出“深度偽造”內(nèi)容。
 
　　大片段DNA嵌入再接再厲
 
　　美國斯坦福大學(xué)正在探索單鏈退火蛋白(SSAP)，其能將擁有2000個堿基的DNA精準(zhǔn)嵌入人類基因組。其他方法利用基于CRISPR的先導(dǎo)編輯技術(shù)，將大片段DNA精確地嵌入基因組中。2022年，麻省理工學(xué)院研究人員首次描述了通過位點(diǎn)特異性靶向元件(PASTE)進(jìn)行可編程添加，精確嵌入多達(dá)36000個堿基的DNA。
 
　　中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所研究員高彩霞領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊開發(fā)了PrimeRoot。這種使用先導(dǎo)編輯的方法能在水稻和小麥中嵌入多達(dá)2萬個堿基的DNA。這項技術(shù)可賦予作物抗病性和病原體抗性，延續(xù)基于CRISPR的植物基因組工程的創(chuàng)新浪潮。
 
　　腦機(jī)接口快速發(fā)展
 
　　美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種復(fù)雜的腦機(jī)接口設(shè)備。他們在肌萎縮性側(cè)索硬化癥患者的大腦中植入電極，然后訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法。經(jīng)過幾周訓(xùn)練，患者每分鐘能說出62個單詞。
 
　　過去幾年開展的多項此類研究，證明了腦機(jī)接口技術(shù)可幫助患有嚴(yán)重神經(jīng)損傷的人恢復(fù)失去的技能，并實(shí)現(xiàn)更大的獨(dú)立性，包括深度學(xué)習(xí)在內(nèi)的AI技術(shù)在其中發(fā)揮了重要作用。
 
　　加州大學(xué)舊金山分校研究團(tuán)隊研制出一款腦機(jī)接口神經(jīng)假體，能讓因中風(fēng)而無法說話的人以每分鐘78個單詞的速度交流。匹茲堡大學(xué)研究團(tuán)隊將電極植入一名四肢癱瘓者的運(yùn)動和體感皮層，以提供對機(jī)械臂的快速、精確控制以及觸覺反饋。腦機(jī)接口公司Synchron也在進(jìn)行實(shí)驗，以測試一種允許癱瘓者控制計算機(jī)的系統(tǒng)。
 
　　分辨率精益求精
 
　　科學(xué)家正在努力縮小超分辨率顯微鏡與結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)之間的差距。這些新方法能以原子級分辨率重建蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
 
　　2022年，德國科學(xué)家借助名為MINSTED的方法，使用專用光學(xué)顯微鏡，能以2.3埃(約1/4納米)的精度解析單個熒光標(biāo)記。
 
　　較新的方法則使用傳統(tǒng)顯微鏡來提供類似的分辨率。2023年，馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所(MPIB)開發(fā)的序列成像(RESI)方法可分辨DNA鏈上的單個堿基對，用標(biāo)準(zhǔn)熒光顯微鏡展示了埃米級分辨率；德國哥廷根大學(xué)開發(fā)出“一步納米級擴(kuò)展”(ONE)顯微鏡方法，可直接成像單個蛋白質(zhì)和多蛋白復(fù)合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
 
　　全組織細(xì)胞圖譜呼之欲出
 
　　各項細(xì)胞圖譜計劃正取得進(jìn)展，其中最引人注目的是人類細(xì)胞圖譜(HCA)。HCA包括人類生物分子圖譜(HuBMAP)、細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)(BICCN)以及艾倫腦細(xì)胞圖譜。
 
　　去年，數(shù)十項研究結(jié)果紛紛出爐。6月，HCA發(fā)布了對人類肺部49個數(shù)據(jù)集的綜合分析?！蹲匀弧冯s志發(fā)布文章介紹了HuBMAP的進(jìn)展，《科學(xué)》雜志也發(fā)布了詳細(xì)介紹BICCN工作的文章。
 
　　不過，HCA至少還要5年才能完成。屆時，其將為人類帶來巨大利益，科學(xué)家可使用圖譜數(shù)據(jù)來指導(dǎo)組織和細(xì)胞特異性藥物的研發(fā)。
 
　　納米材料3D打印持續(xù)改進(jìn)
 
　　科學(xué)家目前主要借助激光誘導(dǎo)光敏材料的“光聚合”來制造納米材料，但這項技術(shù)也面臨這一些亟待解決的障礙，如打印速度、材料限制等。
 
　　在提升速度方面，2019年，香港中文大學(xué)研究團(tuán)隊證明，使用2D光片而非傳統(tǒng)脈沖激光器來加速聚合，可將制造速率提高1000倍。
 
　　并非所有材料都可通過光聚合直接打印。2022年，加州理工學(xué)院團(tuán)隊找到了巧妙的解決方法：將光聚合水凝膠作為微尺度模板，然后將其注入金屬鹽并進(jìn)行處理。這一方法有望利用堅固、高熔點(diǎn)的金屬和合金制造出功能性納米結(jié)構(gòu)。
 
　　參考來源：科技日報
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