納米材料3D打印入選,，《Nature》發(fā)布2024 年值得關(guān)注的七項(xiàng)技術(shù)

2024年1月22日,，《Nature》雜志發(fā)布了2024年值得關(guān)注的七大技術(shù),，大片段DNA插入、人工智能設(shè)計(jì)蛋白質(zhì),、腦機(jī)接口,、 細(xì)胞圖譜、超高分辨率顯微成像,、納米材料3D打印和深度偽造的檢測(cè)入選,。

以下是《自然》雜志未來(lái)一年將關(guān)注的七個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。

蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的深度學(xué)習(xí)

二十年前,，西雅圖華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)-貝克（David Baker）和他的同事們完成了一項(xiàng)具有里程碑意義的壯舉：他們利用計(jì)算工具從零開(kāi)始設(shè)計(jì)出了一種全新的蛋白質(zhì),。但它是惰性的：它不執(zhí)行任何有意義的生物功能,。如今,，從頭開(kāi)始的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展成熟，成為一種實(shí)用工具,，用于生成按訂單生產(chǎn)的酶和其他蛋白質(zhì),。"華盛頓大學(xué)的生物化學(xué)家尼爾-金（Neil King）與貝克的團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)基于蛋白質(zhì)的疫苗和藥物輸送工具。"一年半以前不可能實(shí)現(xiàn)的事情，現(xiàn)在你就可以做到,。

這一進(jìn)展在很大程度上歸功于將蛋白質(zhì)序列與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)的日益龐大的數(shù)據(jù)集,。但是，人工智能（AI）的一種形式--深度學(xué)習(xí)的復(fù)雜方法也至關(guān)重要,。

基于序列的 "策略使用大型語(yǔ)言模型（LLM）,，這種模型為聊天機(jī)器人ChatGPT 通過(guò)將蛋白質(zhì)序列視為由多肽 "單詞 "組成的文檔，這些算法可以辨別出現(xiàn)實(shí)世界中蛋白質(zhì)架構(gòu)的基本模式,。"西班牙巴塞羅那分子生物學(xué)研究所（Molecular Biology Institute of Barcelona）的蛋白質(zhì)生物化學(xué)家諾埃利亞-費(fèi)魯茲（Noelia Ferruz）說(shuō)："它們真的學(xué)會(huì)了隱藏的語(yǔ)法,。2022 年，她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種名為 ProtGPT2 的算法,，這種算法能在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出穩(wěn)定折疊的合成蛋白質(zhì),。費(fèi)魯茲共同開(kāi)發(fā)的另一個(gè)工具名為ZymCTRL，它利用序列和功能數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)天然存在的酶家族成員,。

基于序列的方法可以在現(xiàn)有蛋白質(zhì)特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良,，形成新的框架，但對(duì)于結(jié)構(gòu)元素或特征的定制設(shè)計(jì)（如以可預(yù)測(cè)的方式結(jié)合特定目標(biāo)的能力）來(lái)說(shuō),，這種方法不太有效,。“基于結(jié)構(gòu) "的方法在這方面更勝一籌,，2023年,，這類(lèi)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)算法也取得了顯著進(jìn)展。其中一些最復(fù)雜的算法使用 "擴(kuò)散 "模型,，這也是 DALL-E 等圖像生成工具的基礎(chǔ),。這些算法最初的訓(xùn)練目的是從大量的真實(shí)結(jié)構(gòu)中去除計(jì)算機(jī)生成的噪音；通過(guò)學(xué)習(xí)從噪音中分辨出真實(shí)的結(jié)構(gòu)元素,，它們獲得了形成生物學(xué)上合理的,、用戶定義的結(jié)構(gòu)的能力。

貝克實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的 RFdiffusion 軟件和馬薩諸塞州薩默維爾市 Generate Biomedicines 公司的 Chroma 工具 利用這一策略取得了顯著效果,。貝克說(shuō)："例如,，貝克的團(tuán)隊(duì)正在利用射頻擴(kuò)散技術(shù)設(shè)計(jì)新型蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)能與感興趣的目標(biāo)形成緊密的界面,，從而產(chǎn)生 "與表面完全吻合 "的設(shè)計(jì),。RFdiffusion最新的 "全原子 "迭代允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)計(jì)算圍繞 DNA、小分子甚至金屬離子等非蛋白質(zhì)目標(biāo)塑造蛋白質(zhì),。由此產(chǎn)生的多功能性為工程酶,、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)器、功能生物材料等開(kāi)辟了新天地,。

深度偽造的檢測(cè)

公開(kāi)可用的人工智能生成算法層出不窮,，使得合成令人信服但完全是人造的圖像,、音頻和視頻變得輕而易舉。這樣做的結(jié)果可以分散人們的注意力,，但隨著多場(chǎng)地緣政治沖突和美國(guó)總統(tǒng)大選的臨近,，利用武器操縱媒體的機(jī)會(huì)比比皆是。

紐約布法羅大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家柳思偉（Siwei Lyu）說(shuō),，他看到過(guò)許多人工智能生成的 "深度偽造 "圖像和音頻,，例如與以色列-哈馬斯沖突有關(guān)的圖像和音頻。在這場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)的 "貓捉老鼠 "游戲中,，人工智能用戶制作欺騙性?xún)?nèi)容,，而柳思偉和其他媒體取證專(zhuān)家則致力于檢測(cè)和攔截這些內(nèi)容。

一種解決方案是,，生成式人工智能開(kāi)發(fā)人員在模型輸出中嵌入隱藏信號(hào),，為人工智能生成的內(nèi)容打上水印。其他策略則側(cè)重于內(nèi)容本身,。例如,，一些經(jīng)過(guò)處理的視頻將某個(gè)公眾人物的面部特征替換成了另一個(gè)人的面部特征，而新算法可以識(shí)別出被替換特征邊界上的人工痕跡,，柳思偉說(shuō),。一個(gè)人外耳的獨(dú)特褶皺也能揭示臉部和頭部的不匹配，而牙齒的不規(guī)則則能揭示經(jīng)過(guò)剪輯的唇語(yǔ)視頻,，在這些視頻中,，一個(gè)人的嘴部經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，說(shuō)出了一些當(dāng)事人沒(méi)有說(shuō)過(guò)的話,。人工智能生成的照片也是一個(gè)棘手的挑戰(zhàn),，也是一個(gè)不斷變化的目標(biāo)。2019 年,，意大利那不勒斯費(fèi)德里科二世大學(xué)的媒體取證專(zhuān)家路易莎-韋爾多利瓦（Luisa Verdoliva）幫助開(kāi)發(fā)了 FaceForensics++,，這是一款用于識(shí)別被幾款廣泛使用的軟件包操縱的人臉的工具。但是,，圖像取證方法是針對(duì)特定對(duì)象和軟件的,，通用化是一個(gè)挑戰(zhàn)。"她說(shuō)："你不可能有一個(gè)通用的檢測(cè)器--這非常困難,。

還有實(shí)施方面的挑戰(zhàn),。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的語(yǔ)義取證（SemaFor）計(jì)劃已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)有用的工具箱，用于深度偽造分析,，但正如《自然》雜志所報(bào)道的（見(jiàn)《自然》621期,，676-679頁(yè)；2023年）,，主要的社交媒體網(wǎng)站并沒(méi)有常規(guī)地使用它,。為此，柳思偉的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了 DeepFake-O-Meter ,，這是一個(gè)集中的公共算法庫(kù),，可以從不同角度分析視頻內(nèi)容，從而識(shí)別出深度偽造內(nèi)容,。這些資源將有所幫助,，但與人工智能生成的錯(cuò)誤信息的斗爭(zhēng)很可能會(huì)持續(xù)數(shù)年。

大片段 DNA 插入

2023 年底,，美國(guó)和英國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)首次批準(zhǔn)了基于 CRISPR 的基因編輯療法,，用于治療鐮狀細(xì)胞病和輸血依賴(lài)型β-地中海貧血癥--這是基因組編輯作為臨床工具的重大勝利。

CRISPR 及其衍生物使用短的可編程 RNA 將 Cas 等 DNA 切割酶引導(dǎo)到特定的基因組位點(diǎn),。它們通常用于實(shí)驗(yàn)室禁用有缺陷的基因,，并引入微小的序列變化。精確,、可編程地插入跨越數(shù)千個(gè)核苷酸的較大 DNA 序列非常困難,，但新出現(xiàn)的解決方案可以讓科學(xué)家替換有缺陷基因的關(guān)鍵片段或插入完全功能的基因序列。加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的分子遺傳學(xué)家 Le Cong 和他的同事們正在探索單鏈退火蛋白（SSAPs）--一種介導(dǎo) DNA 重組的病毒衍生分子,。當(dāng)與CRISPR-Cas系統(tǒng)（其中Cas9的DNA切片功能被禁用）相結(jié)合時(shí),，這些SSAPs就能在人類(lèi)基因組中精確定向地插入多達(dá)2千堿基的DNA。

其他方法利用一種基于CRISPR的方法--"質(zhì)粒編輯"（prime editing）--引入短 "著陸墊 "序列,，選擇性地招募酶,，進(jìn)而將大的DNA片段精確地拼接到基因組中。例如,，2022 年,，劍橋麻省理工學(xué)院的基因組工程師奧馬爾-阿布達(dá)耶（Omar Abudayyeh）和喬納森-古騰伯格（Jonathan Gootenberg）及其同事首次描述了通過(guò)特定位點(diǎn)靶向元件（PASTE）進(jìn)行可編程添加的方法，這種方法可以精確插入多達(dá) 36 千堿基的 DNA,。Cong說(shuō),，PASTE特別適用于對(duì)培養(yǎng)的病人衍生細(xì)胞進(jìn)行體外改造，其底層的基質(zhì)編輯技術(shù)已經(jīng)走上了臨床研究的軌道,。但對(duì)于人體細(xì)胞的體內(nèi)修飾,，SSAP也許能提供一種更緊湊的解決方案：體積較大的PASTE機(jī)器需要三種獨(dú)立的病毒載體來(lái)傳遞，這可能會(huì)影響編輯效率,，而SSAP系統(tǒng)則是由兩部分組成,。盡管如此，即使是效率相對(duì)較低的基因替換策略,，也足以減輕許多遺傳疾病的影響,。

這種方法不僅與人類(lèi)健康有關(guān)。北京中國(guó)科學(xué)院高彩霞領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開(kāi)發(fā)了 PrimeRoot,，這種方法利用質(zhì)粒編輯引入特定的目標(biāo)位點(diǎn),，酶可以利用這些位點(diǎn)在水稻和玉米中插入多達(dá) 20 千堿基的 DNA,。高志強(qiáng)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)可廣泛用于賦予作物抗病和抗病原體的能力,，繼續(xù)推動(dòng)基于CRISPR的植物基因組工程的創(chuàng)新浪潮,。"我相信這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于任何植物物種，"她說(shuō),。

腦機(jī)接口

帕特-貝內(nèi)特（Pat Bennett）的語(yǔ)速比一般人慢,，有時(shí)還會(huì)用詞不當(dāng)。但考慮到運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾�,。ㄓ址Q(chēng)肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥）曾使她無(wú)法用語(yǔ)言表達(dá)自己,，這是一項(xiàng)了不起的成就。

貝內(nèi)特的康復(fù)得益于斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家弗朗西斯-威利特和他在美國(guó)腦門(mén)聯(lián)盟（BrainGate consortium）的同事開(kāi)發(fā)的一種先進(jìn)的腦機(jī)接口（BCI）設(shè)備,。威利特和他的同事在貝內(nèi)特的大腦中植入電極,，跟蹤神經(jīng)元活動(dòng)，然后訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音,。經(jīng)過(guò)幾周的訓(xùn)練,，貝內(nèi)特每分鐘能說(shuō)出多達(dá)62個(gè)單詞（從12.5萬(wàn)個(gè)單詞中），是普通英語(yǔ)使用者詞匯量的兩倍多,。"賓夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)開(kāi)發(fā)BCI技術(shù)的生物工程師詹妮弗-科林格（Jennifer Collinger）說(shuō)："他們的交流速度確實(shí)令人印象深刻,。

△腦機(jī)接口技術(shù)讓帕特-貝內(nèi)特（Pat Bennett，坐者）重新恢復(fù)了語(yǔ)言能力.圖片來(lái)源：Steve Fisch/Stanford Medicine

BrainGate 的試驗(yàn)只是過(guò)去幾年中的幾項(xiàng)研究之一,，這些研究展示了 BCI 技術(shù)如何幫助嚴(yán)重神經(jīng)損傷患者重新獲得失去的技能,，并實(shí)現(xiàn)更大的獨(dú)立性。羅德島普羅維登斯布朗大學(xué)（Brown University）的神經(jīng)學(xué)家,、BrainGate 聯(lián)盟主任 Leigh Hochberg 說(shuō),，其中一些進(jìn)展源于對(duì)各種神經(jīng)疾病患者大腦功能神經(jīng)解剖學(xué)知識(shí)的不斷積累。他補(bǔ)充說(shuō),，機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的分析方法揭示了如何更好地放置電極和解密電極采集到的信號(hào),，從而極大地豐富了這些知識(shí)。

研究人員還在應(yīng)用基于人工智能的語(yǔ)言模型,，以加快對(duì)患者試圖交流內(nèi)容的解釋--本質(zhì)上就是大腦的 "自動(dòng)完成",。這是威利特研究的核心內(nèi)容，也是加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)外科醫(yī)生愛(ài)德華-張（Edward Chang）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究 的核心內(nèi)容,。在這項(xiàng)研究中,，BCI神經(jīng)假體讓一位因中風(fēng)而無(wú)法說(shuō)話的婦女以每分鐘78個(gè)單詞的速度進(jìn)行交流--大約是英語(yǔ)平均速度的一半，但比這位婦女以前使用的語(yǔ)言輔助設(shè)備快了五倍多,。該領(lǐng)域在其他方面也取得了進(jìn)展,。2021 年，美國(guó)匹茲堡大學(xué)的科林格和生物醫(yī)學(xué)工程師羅伯特-高特（Robert Gaunt）將電極植入一名四肢癱瘓者的運(yùn)動(dòng)和軀體感覺(jué)皮層,，使其能夠快速,、精確地控制機(jī)械臂并獲得觸覺(jué)反饋,。BrainGate 公司和荷蘭烏得勒支大學(xué)的研究人員正在進(jìn)行獨(dú)立的臨床研究，紐約布魯克林的 BCI 公司 Synchron 也在進(jìn)行一項(xiàng)試驗(yàn),，測(cè)試一種能讓癱瘓者控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng),，這是業(yè)界首次贊助的 BCI 儀器試驗(yàn)。

作為一名重癥監(jiān)護(hù)專(zhuān)家,，霍赫伯格迫切希望為他的重度殘疾患者提供這些技術(shù),。但隨著B(niǎo)CI功能的發(fā)展,，他看到了治療中度認(rèn)知障礙以及情緒障礙等精神疾病的潛力,。"他說(shuō)："由腦機(jī)接口提供信息的閉環(huán)神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以為很多人提供巨大幫助。

超高分辨率顯微成像

斯特凡-海爾（Stefan Hell）,、埃里克-貝齊格（Eric Betzig）和威廉-莫納（William Moerner）因打破了限制光顯微鏡空間分辨率的 "衍射極限 "而榮獲2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),。由此產(chǎn)生的數(shù)十納米級(jí)細(xì)節(jié)為分子尺度成像實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了廣闊的前景。盡管如此,，一些研究人員仍渴望獲得更好的效果,，而且他們正在迅速取得進(jìn)展。"德國(guó)普拉內(nèi)格馬克斯-普朗克生物化學(xué)研究所（Max Planck Institute of Biochemistry）的納米技術(shù)研究員拉爾夫-容曼（Ralf Jungmann）說(shuō)："我們正在努力縮小超分辨率顯微鏡與冷凍電鏡等結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)之間的差距,。

2022 年底,，位于哥廷根的馬克斯-普朗克多學(xué)科科學(xué)研究所的赫爾及其團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員首次涉足這一領(lǐng)域，他們采用一種名為 MINSTED 的方法,，利用專(zhuān)門(mén)的光學(xué)顯微鏡 以 2.3ångström 的精度（大約四分之一納米）分辨單個(gè)熒光標(biāo)簽,。

較新的方法使用傳統(tǒng)顯微鏡也能達(dá)到相當(dāng)?shù)姆直媛省＠���,，榮格曼和他的團(tuán)隊(duì)在 2023 年描述了一種策略,，即用不同的 DNA 鏈標(biāo)記單個(gè)分子。然后用染料標(biāo)記的互補(bǔ) DNA 鏈對(duì)這些分子進(jìn)行檢測(cè),，這些 DNA 鏈會(huì)瞬時(shí)但重復(fù)地與相應(yīng)的目標(biāo)結(jié)合,，這樣就有可能分辨出單個(gè)的熒光 "閃爍 "點(diǎn)，如果同時(shí)成像,，這些點(diǎn)就會(huì)模糊成一個(gè)整體,。這種通過(guò)順序成像提高分辨率（RESI）的方法可以分辨出 DNA 鏈上的單個(gè)堿基對(duì)，用標(biāo)準(zhǔn)熒光顯微鏡就能顯示出盎司尺度的分辨率,。

由德國(guó)哥廷根大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)科學(xué)家阿里-沙伊布（Ali Shaib）和西爾維奧-里佐利（Silvio Rizzoli）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一步納米級(jí)擴(kuò)展（ONE）顯微鏡方法還不能達(dá)到這種分辨率,。不過(guò)，ONE 顯微鏡技術(shù)提供了一個(gè)前所未有的機(jī)會(huì),，可以直接成像單個(gè)蛋白質(zhì)和多蛋白復(fù)合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),，無(wú)論是在分離狀態(tài)下還是在細(xì)胞中。

一種名為 RESI 的成像形式可以對(duì) DNA 中的單個(gè)堿基對(duì)進(jìn)行成像,。

ONE是一種基于膨脹顯微鏡的方法,，包括將樣本中的蛋白質(zhì)與水凝膠基質(zhì)進(jìn)行化學(xué)耦合,，將蛋白質(zhì)打散，然后讓水凝膠的體積膨脹1000倍,。碎片向各個(gè)方向均勻擴(kuò)展,，保留了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使用戶能夠用標(biāo)準(zhǔn)共聚焦顯微鏡分辨出相隔幾納米的特征,。"里佐利說(shuō)："我們提取抗體,，將它們放入凝膠中，在膨脹后對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)記,，結(jié)果發(fā)現(xiàn),，'哦--我們看到了Y形！'"Y形指的是蛋白質(zhì)的特征形狀,。

里佐利說(shuō),，ONE顯微鏡可以幫助人們深入了解構(gòu)象動(dòng)態(tài)生物分子，或通過(guò)血液樣本對(duì)帕金森病等蛋白質(zhì)錯(cuò)構(gòu)疾病進(jìn)行可視化診斷,。榮格曼同樣熱衷于利用 RESI 記錄疾病或藥物治療過(guò)程中單個(gè)蛋白質(zhì)重組的潛力,。它甚至有可能更精確地放大。"也許這還不是空間分辨率限制的終點(diǎn),，"Jungmann 說(shuō),。"它可能會(huì)變得更好。

細(xì)胞圖譜

如果你想找一家方便的咖啡館,，谷歌地圖可以找到附近的選擇,，并告訴你如何前往。但在單細(xì)胞分析和 "空間全息 "方法的推動(dòng)下,，各種細(xì)胞地圖計(jì)劃正在取得進(jìn)展,，不久就能提供生物學(xué)家渴望的全組織細(xì)胞地圖。

在這些計(jì)劃中,，規(guī)模最大,、或許也是最雄心勃勃的計(jì)劃是人類(lèi)細(xì)胞圖譜（HCA）。該聯(lián)盟由英國(guó)欣克斯頓威康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的細(xì)胞生物學(xué)家薩拉-泰克曼（Sarah Teichmann）和現(xiàn)任加利福尼亞州南舊金山生物技術(shù)公司基因泰克（Genentech）研究與早期開(kāi)發(fā)主管的阿維夫-雷格夫（Aviv Regev）于2016年發(fā)起,。該項(xiàng)目由分布在近 100 個(gè)國(guó)家的約 3000 名科學(xué)家組成,，使用來(lái)自 10,000 名捐獻(xiàn)者的組織開(kāi)展工作。不過(guò),，HCA 也是由相互交叉的細(xì)胞和分子圖譜組成的更廣泛生態(tài)系統(tǒng)的一部分,。其中包括由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助的人類(lèi)生物分子圖譜計(jì)劃（Human BioMolecular Atlas Program，HuBMAP）和通過(guò)推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)進(jìn)行腦研究（BRAIN）計(jì)劃細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)（BICCN）,，以及由華盛頓州西雅圖艾倫研究所資助的艾倫腦細(xì)胞圖譜（Allen Brain Cell Atlas）,。

據(jù)斯坦福大學(xué)基因組學(xué)家、HuBMAP指導(dǎo)委員會(huì)前聯(lián)合主席邁克爾-斯奈德（Michael Snyder）介紹，推動(dòng)這些工作的部分原因是能夠在單細(xì)胞水平解碼分子內(nèi)容的分析工具的開(kāi)發(fā)和快速商業(yè)化,。例如,，斯奈德的團(tuán)隊(duì)經(jīng)常使用加州普萊森頓 10X Genomics 公司的 Xenium 平臺(tái)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。通過(guò)該平臺(tái),，每周可以同時(shí)檢測(cè) 4 個(gè)組織樣本中約 400 個(gè)基因的表達(dá)情況,。馬薩諸塞州馬爾堡 Akoya 生物科學(xué)公司的 PhenoCycler 平臺(tái)等基于多重抗體的方法，使研究小組能夠以單細(xì)胞分辨率跟蹤大量蛋白質(zhì),，其格式能夠進(jìn)行三維組織重建,。其他 "多組學(xué) "方法可讓科學(xué)家同時(shí)分析同一細(xì)胞中的多種分子類(lèi)別，包括 RNA 的表達(dá),、染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的分布,。

人類(lèi)肺部的細(xì)胞圖譜描述了不同的細(xì)胞類(lèi)型及其調(diào)控方式。

去年有數(shù)十項(xiàng)研究展示了利用這些技術(shù)生成器官特異性圖譜的進(jìn)展,。例如,，今年6月,，HCA發(fā)布了對(duì)人類(lèi)肺部49個(gè)數(shù)據(jù)集的綜合分析,。"泰克曼說(shuō)："有了這個(gè)非常清晰的肺部圖譜，我們就能了解肺纖維化等疾病,、不同腫瘤,，甚至是COVID-19發(fā)生的變化。2023年,，《自然》（Nature）雜志發(fā)布了一篇文章（見(jiàn)go.nature.com/3vbznk7）,，重點(diǎn)介紹了HuBMAP的進(jìn)展，《科學(xué)》（Science）雜志也制作了一篇文章,，詳細(xì)介紹了BICCN的工作（見(jiàn)go.nature.com/3nsf4ys）,。

Teichmann估計(jì)，HCA至少還需要五年才能完成,。但最終繪制的地圖將是無(wú)價(jià)之寶,。例如，Teichmann 預(yù)計(jì)將利用圖譜數(shù)據(jù)指導(dǎo)組織和細(xì)胞特異性藥物靶向治療,，而 Snyder 則迫切希望了解細(xì)胞微環(huán)境如何為癌癥和腸易激綜合征等復(fù)雜疾病的風(fēng)險(xiǎn)和病因提供信息,。"我們能在2024年解決這個(gè)問(wèn)題嗎？我不這么認(rèn)為--這是一個(gè)多年的問(wèn)題,，"斯奈德說(shuō),。"但這是整個(gè)領(lǐng)域的一大驅(qū)動(dòng)力。

納米材料3D打印

在納米尺度上會(huì)發(fā)生奇怪而有趣的事情,。這可能會(huì)給材料科學(xué)的預(yù)測(cè)帶來(lái)困難,，但也意味著納米級(jí)建筑師可以制造出具有獨(dú)特特性的輕質(zhì)材料，如增強(qiáng)強(qiáng)度、與光或聲音的定制相互作用,，以及增強(qiáng)催化或儲(chǔ)能能力,。

目前已有幾種精確制造此類(lèi)納米材料的策略，其中大多數(shù)使用激光來(lái)誘導(dǎo)光敏材料的圖案化 "光聚合",，在過(guò)去幾年中,，科學(xué)家們?cè)诳朔�阻礙這些方法更廣泛應(yīng)用的局限性方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

研究人員利用水凝膠制作出了微尺度金屬結(jié)構(gòu).圖片來(lái)源：Max Saccone/Greer 實(shí)驗(yàn)室

其一是速度,。亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的工程師蘇拉布-薩哈（Sourabh Saha）說(shuō),，與其他納米級(jí)三維打印方法相比，使用光聚合法組裝納米結(jié)構(gòu)的速度大約快三個(gè)數(shù)量級(jí),。這對(duì)于實(shí)驗(yàn)室使用來(lái)說(shuō)可能已經(jīng)足夠好了,，但對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)或工業(yè)流程來(lái)說(shuō)就太慢了。2019 年,，Saha 和香港中文大學(xué)的機(jī)械工程師 Shih-Chi Chen 及其同事表明,，他們可以通過(guò)使用圖案化的二維光板而不是傳統(tǒng)的脈沖激光來(lái)加速聚合。"薩哈說(shuō)："這樣一來(lái),，聚合速度提高了一千倍,，而且還能保持 100 納米的特征。包括陳在內(nèi)的研究人員隨后開(kāi)展的工作為更快的納米加工找到了其他途徑,。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是,，并非所有材料都能直接通過(guò)光聚合打印，例如金屬,。不過(guò),，帕薩迪納加州理工學(xué)院的材料科學(xué)家茱莉亞-格里爾（Julia Greer）開(kāi)發(fā)出了一種巧妙的變通方法。2022 年,，她和她的同事描述了一種方法,，在這種方法中，光聚合水凝膠可用作微尺度模板,；然后在這些模板中注入金屬鹽并進(jìn)行處理,，從而誘導(dǎo)金屬形成模板的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能縮小,。雖然這項(xiàng)技術(shù)最初是針對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的,，但 Greer 的團(tuán)隊(duì)也將這種策略用于納米制造，研究人員對(duì)利用堅(jiān)固耐用的高熔點(diǎn)金屬和合金制造功能性納米結(jié)構(gòu)的潛力充滿熱情,。

最后一個(gè)障礙--經(jīng)濟(jì)性--可能是最難突破的,。據(jù) Saha 稱(chēng)，許多光聚合方法中使用的脈沖激光系統(tǒng)成本高達(dá) 50 萬(wàn)美元以上,。但更便宜的替代品正在出現(xiàn),。例如，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology）的物理學(xué)家馬丁-韋格納（Martin Wegener）和他的同事們研究出了連續(xù)激光器，這種激光器比標(biāo)準(zhǔn)脈沖激光器更便宜,、更緊湊,、耗電更少。格里爾還成立了一家新公司,，將納米結(jié)構(gòu)金屬板的制造工藝商業(yè)化,，這種金屬板可用于下一代人體裝甲或飛機(jī)和其他車(chē)輛的超耐用抗沖擊外層。


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doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00173-x