本報記者 房琳琳 綜合外電

　　預(yù)測哪個科學發(fā)現(xiàn)能改變未來世界，說實話，是個愚蠢的游戲。誰知道未來會怎樣？然而，每年都有那么一大串新發(fā)現(xiàn)，比如最快最便宜的基因組編輯工具的到來，讓我們激動得不能自持。

　　跟以往一樣，今年的《科學美國人》評選出最震撼的十大成就，包含了對活細胞重新編程和渲染實驗室動物讓其透明的工具；用聲波和唾液賦予電子能量的方法；能糾正視覺缺陷的手機屏幕；在超導體研究領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響的樂高玩具那樣的原子結(jié)構(gòu)，等等。

　　 一、基因精靈

　　——基于細菌“記憶”的DNA編輯技術(shù)可能顛覆醫(yī)學界，但也有“失控”隱憂

　　上世紀70年代，基因工程勃興。生產(chǎn)胰島素的博野基因技術(shù)公司，對大腸桿菌基因進行修改，使之變成了一個人工合成基因。在實驗室，研究人員使用轉(zhuǎn)基因老鼠來研究疾病。但早期的方法有兩大局限——不精確和難以規(guī)?；?。

　　到了上世紀90年代，研究人員克服了第一個局限，他們可以剪切DNA特殊位置的蛋白質(zhì)，這對隨機在細胞中插入DNA并希望產(chǎn)生有用的突變來說，是個巨大的進步。然而，他們還得為每個目標DNA序列設(shè)計并定制一個全新的蛋白質(zhì)，這個工作是個消耗時間且十分艱巨的工作。

　　此后兩年，一群來自瑞典和加州的大學研究人員在細胞的遺傳機制中發(fā)現(xiàn)，科學家可以用前所未有的速度編輯基因組。不久，哈佛大學和麻省理工學院的科學家團隊證明，該技術(shù)可以用于進行多個細胞基因修改。

　　已經(jīng)加速了的基因修改技術(shù)，對遺傳學和醫(yī)學領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻和有益的影響?？茖W家可以在幾個星期內(nèi)改實驗室動物基因，此前這工作需要一年完成。其他研究人員用該技術(shù)探討治療艾滋病、老年癡呆癥和精神分裂癥等疾病。然而，該技術(shù)使基因改造如此容易和便宜，一些倫理學家預(yù)計可能會產(chǎn)生很多負面影響。

　　這個技術(shù)叫做CRISPR，日本研究人員在上世紀80年代后期研究這個技術(shù)。該技術(shù)作為基因編輯工具獲得成功的跡象并沒有顯現(xiàn)，直到竇德娜和夏邦吉埃的團隊找到解決方案——利用一個叫做Cas9的蛋白質(zhì)。

　　兩位科學家2011年在波多黎各的一次科學會議上碰面。他們有很多相似之處，他們的團隊都在研究細菌如何防御病毒，所做工作都確認了細菌能夠用對過去侵入者的DNA產(chǎn)生的“記憶”來防止再次被病毒攻擊的機制。

　　會后不久，兩位科學家決定“會師”，夏邦吉埃實驗室尋找鏈球菌屬細菌所使用單個蛋白質(zhì)Cas9來切碎穿透細胞壁的病毒的證據(jù)，而竇德娜則讓伯克利實驗室投入尋找Cas9工作的機制。兩個實驗室都意識到Cas9可能對基因編輯有幫助，基因編輯是用酶作為分子剪刀的基因工程，能夠在DNA雙螺旋的特殊位置找到突破口，之后細胞可以修復(fù)這個突破口，有時合并科學家放置在細胞核中的新的基因材料。

　　當兩位科學家開始合作，最先進改變基因的技術(shù)是自定義一種可以找到并剪切所需DNA目標的酶。換句話說，每一個基因修改，科學家必須專門制作一個新的蛋白質(zhì)。

　　但他們倆意識到，Cas9作為用在免疫系統(tǒng)中的鏈球菌屬酶，能雇傭RNA來將之導向到目標DNA。Cas9-RNA結(jié)合體可以用彈開DNA的方法探測目的地，看起來很隨機，直到找到最有希望的位置為止。

　　這種彈跳是Cas9酶每次在搜索同樣的DNA序列的“信號”，Cas9會在RNA和DNA分子相匹配的時候?qū)嵤凹舨谩?，基因編輯有可能由此變得更簡單、更便宜、更高效?/p>

　　經(jīng)過幾個月的合作之后，這個團隊取得重大突破。有一天兩人會面討論一個想法，他們認為在鏈球菌屬細菌中，Cas9使用了兩個RNA引導其到侵略者DNA的正確位置。但如何能簡化這兩個使者，而不損害其作為單獨使者時具有的有效性？

　　他們最終實現(xiàn)了預(yù)期目標，當2012年8月17日該成果發(fā)表出來的時候，全世界該領(lǐng)域的科學家立刻意識到其巨大的革命性潛力。

　　去年，研究人員將CRISPR·Cas9用在比細菌更復(fù)雜的植物和動物細胞上，在哈佛大學，遺傳學家喬治·丘奇用CRISPR技術(shù)改變了人類細胞的基因，為治療疾病帶來全新的可能性。

　　不足為奇的是，大量資金涌入這項工作。艾迪塔維爾醫(yī)藥公司以4300萬美元的風險投資來發(fā)展一個基于CRISPR的新藥。今年4月，在巴塞爾和倫敦投資2500萬美元的CRISPR治療公司也在瞄準類似目標。為實驗室提供實驗用品的公司則已經(jīng)轉(zhuǎn)型成為為全球用途提供用CRISPR技術(shù)改造或定制的小鼠、大鼠和兔子了。

　　如果客戶需要一個實驗用小鼠來研究帕金森疾病與新的可疑基因或特殊突變之間的關(guān)系，他會有好幾種選擇。從事CRISPR技術(shù)的科學家可以將目標基因關(guān)閉來采用一個突變，或者關(guān)閉這個基因然后在這個位置插入人類基因。與此前的基因編輯技術(shù)不同，CRISPR技術(shù)使得研究人員能快速地對細胞同時進行多個基因修改。

　　在投入商用之前，研究人員和企業(yè)家對新技術(shù)的應(yīng)用抱有很多美好的期待。比如，可以在懷孕早期調(diào)整可能出現(xiàn)的唐氏綜合癥異常染色體，或者把滅絕了的生物重新“喚醒”。

　　有人覺得這很可怕，這一點也不奇怪。7月份，哈佛團隊發(fā)表的用CRISPR技術(shù)消除蚊子的論文引發(fā)了強烈討論。伯克利創(chuàng)新基因計劃組里，竇德娜專門召集了一個小組，研究CRISPR技術(shù)應(yīng)用的倫理問題。

　　6月份，麻省理工學院的研究人員報告說，用CRISPR技術(shù)治愈了成年小鼠的酪蛋白血癥，這是一種罕見肝臟疾病。

　　8月份，斯坦普大學的病毒學家卡邁勒·哈利利和他的同事使用CRISPR技術(shù)，從幾個人類細胞中切除了導致艾滋病的HIV病毒，被感染的細胞轉(zhuǎn)換成了未感染的細胞，且未受感染的細胞液受到了CRISPR的保護，“你可以稱它為基因疫苗?！惫f，“如果兩年前你問我，能否精確地從人類細胞中切除HIV病毒？我會說這是一個艱巨的任務(wù)，但是現(xiàn)在，我們做到了。”

　　二、可重新編輯的細胞

　　——通過擠壓來控制它們

　　如果能按照我們的“命令”來制造細胞，它們可能制造胰島素、攻克腫瘤或者做其他有助于人類的事情。但是“劫持”一個細胞并不那么容易。目前的方法是用病毒穿透細胞壁，但同時帶來永久性的傷害。

　　2009年，來自美國麻省理工大學的研究人員“偶然”解決了這個難題。研究人員本來正在研究用微型腹腔鏡水槍將大分子和納米材料注入分子的方法。簡單來說，他們正在嘗試將一種可能在保持細胞生命的同時改變細胞行為的東西放置到細胞內(nèi)部。

　　化學工程師阿爾曼·沙瑞注意到，一些被上述方法操作過的細胞，在變形的瞬間，外部材料得以進到細胞內(nèi)部?！叭绻尲毎銐蚩斓刈冃?，就可以打破細胞膜的屏障?！鄙橙鹫f，水槍就顯得太粗暴了，他們需要一種更“溫柔”的細胞擠壓方法。

　　沙瑞在兩個人領(lǐng)導下工作，一個是微注射領(lǐng)域開創(chuàng)者克萊維斯F.詹森，另一個是生物技術(shù)先驅(qū)、發(fā)明能讓細胞流過在硅玻璃芯片腐蝕的通道的羅伯特S.朗格。通道逐漸變得狹窄，越來越小，直到比細胞間距離還要狹窄。這樣就能獲得“擠壓”了的細胞，從而迫使它們通過通道。

　　在這個過程中，臨時的“孔洞”在細胞膜上生成了?！翱锥础彪m然非常微小，但對于能改變細胞行為的蛋白質(zhì)、核酸和碳納米管來說，已經(jīng)足夠大了。這個技術(shù)甚至能用在干細胞和免疫細胞上，這兩種細胞對此前的方法非常敏感。

　　“這種方法可以應(yīng)用到很多種細胞上，這簡直讓我們大吃一驚?！鄙橙鹫f。自從第一次發(fā)現(xiàn)以來，小組已經(jīng)開發(fā)出16種針對不同細胞設(shè)計的通道陣列芯片。更多的芯片還會源源不斷地被設(shè)計出來，而且這種設(shè)備可以在同一秒內(nèi)處理50萬個細胞，越來越快、越來越高效。

　　課題組還成立了一個商業(yè)化此項技術(shù)的公司——SQZ生物技術(shù)，法國、德國、荷蘭和英國的科學家將會很快使用到他們的產(chǎn)品。

　　 三、透明的生物

　　——一項對身體世界頗有啟發(fā)的方法能加速生物醫(yī)藥研究

　　五年前，薇薇安納·格雷丁納魯正在一個神經(jīng)生物學實驗室將老鼠大腦切成薄片，并為了用計算機渲染成3D效果圖慢慢將這些二維碎片的圖像拼接起來。業(yè)余時間，她會去看看身體世界的展覽。她對展覽上“塑化”的人類循環(huán)系統(tǒng)特別著迷。她突然想到，她在實驗室里做的大部分事情都可以用同樣的方法更有效地完成。

　　“組織清除”已經(jīng)開展了一個多世紀，但是現(xiàn)有的方法包括將組織樣本浸泡在溶液中的做法，不僅效果很緩慢，還通常會對標記細胞的熒光蛋白造成破壞。

　　為了創(chuàng)造一個更好的方法，當時還是學生的格雷丁納魯和同事專注于替換那些讓組織看起來不透明的脂肪分子。為了保持這些組織被破壞，替換的材料必須與脂肪分子的結(jié)構(gòu)很相近。

　　第一步是讓老鼠安樂死后，通過心臟將甲醛泵到其體內(nèi)；接下來去除皮膚層并在老鼠血管中注入丙烯酰胺單體、白色、無味結(jié)晶化合物單體創(chuàng)建一個支持性水凝膠網(wǎng)格，取代了脂質(zhì)，清理了組織。不久，他們就能在兩周之內(nèi)獲得一個通體透明的老鼠身體標本。

　　此后，他們用透明老鼠繪制了完整的神經(jīng)系統(tǒng)圖。透明體讓識別周邊神經(jīng)尤其是極其微小的神經(jīng)束成為可能，他們還對注入老鼠尾巴的病毒進行熒光標記，進而繪制出了到達老鼠大腦跨越血腦屏障的病毒擴散圖?！跋鄬τ谝黄黄瑯吮镜貙ふ?，這簡直就是看見了全部。”格雷丁納魯說。

　　這個過程減少了人類犯錯的機會，讓實驗室工作進展迅速，產(chǎn)生更豐富的數(shù)據(jù)，還能減少對實驗室動物的需求量。格雷丁納魯將這種凝膠解決方案提供給了需要它的每個實驗室。她的下一步是用這個技術(shù)尋找、繪制并深入了解癌細胞和干細胞。

　　四、唾液燃料電池

　　——唾液可能成為醫(yī)療設(shè)備的可再生能源來源

　　阿拉伯國王科技大學電子工程學教授穆罕默德·穆塔法·侯賽因，為制造超微裝置貢獻了幾乎他所有的時間。2010年，他著手開發(fā)一個豐富的可再生能源電源，可用于從極遠的地方凈化水或診斷疾病的機器，他不可避免地從“小”入手。比如說，微小的微生物燃料電池可能是個自然的起點。但用唾液為燃料電池供能卻并非自然而然的選擇。

　　這個利用唾液的點子來自侯賽因的同事賈斯汀E·閔科，當時是他辦公室的博士候選人。那時候，閔科正在嘗試制造一種血糖監(jiān)測設(shè)備，它需要電源足夠小，能到達糖尿病患者體內(nèi)胰腺附近。微生物燃料電池通過給細菌喂食有機物（唾液中含有很多）來產(chǎn)生電荷進而變成電能的，這個方案自然成為閔科研究項目的備選。

　　他們兩個人用了一種高超導電極，裝滿了吃唾液的細菌，在幾個星期之內(nèi)他們就產(chǎn)生了近一個微瓦特（百萬分之一瓦特）的電。

　　1微瓦是非常非常小的電量，但是足夠為實驗室芯片、糖尿病工具和血糖監(jiān)測工具供電了。侯賽因正在與能3D打印人造器官的公司合作，將他的燃料電池植入到人造肝臟中去，那里也有大量的體液可提供燃料。他說，這只是長期規(guī)劃的簡單起步，他的目標是在貧窮國家用發(fā)電廠有機廢物生產(chǎn)供海水淡化裝置使用的電能。

　　五、 視覺矯正屏幕

　　——自動適應(yīng)使用者視力的智能手機和iPads屏幕

　　在美國，40%四十歲以上的人需要在閱讀時帶上眼鏡，而在80歲以上的人群中的比例更是高達70%?！爱斘覀冊絹碓嚼?，屈光錯誤會在我們的生命中扮演越來越重要的作用。”斯坦福大學電子工程系助理教授高登·維茨斯坦說。

　　但是眼鏡和隱形眼鏡并不總是很理想。比如說，如果你是遠視眼，你不需要在開車的時候戴眼鏡也能看清楚交通狀況，但是你確實在讀取轉(zhuǎn)速表或者GPS導航的時候需要戴眼鏡。維茨斯坦說，在這種狀況下的最佳解決方案，莫過于有一個專門為你“戴”上眼鏡的視覺調(diào)節(jié)屏幕。

　　維茨斯坦和他在麻省理工大學和加利福尼亞伯克利大學的同事發(fā)明了這樣一種屏幕。視覺調(diào)節(jié)演示屏對標準高分辨率智能手機或平板電腦有兩個調(diào)整方案。第一個是將低成本的、布滿針孔的透明膠片覆蓋在屏幕上，另一個是將算法編進智能手機或平板電腦中，它能測定使用者與屏幕的相對位置，根據(jù)使用者的指示，扭曲被投影的圖像。

　　隨著畸變圖像在透明的屏幕膠片穿過針孔矩陣，硬件和軟件同時作用在屏幕上產(chǎn)生能夠針對眼睛誤差作出的調(diào)整，輸出一種看起來易碎的圖片。這種屏幕能矯正近視、遠視、散光和更復(fù)雜的視力問題。研發(fā)團隊在八月份溫哥華舉辦的國際圖形圖像學術(shù)大會上提前發(fā)布了他們的工作成果。

　　對少數(shù)用戶的非正式測試表明該技術(shù)很成功，維茨斯坦說，但是未來還需要大范圍的研究來進一步改進它。在這個過程中，研究人員還計劃開發(fā)一種切片，能用于手動調(diào)整屏幕的焦距。維茨斯坦說，這個技術(shù)可能對發(fā)展中國家的人們是個福利，相較于處方眼鏡，他們對手機設(shè)備的獲得更容易。

　　（未完待續(xù)）