the,scientist：見證生命科學(xué)30年的進步

the,scientist：見證生命科學(xué)30年的進步

十月初，《the scientist》雜志為紀(jì)念創(chuàng)刊30周年，推出30年生命科學(xué)領(lǐng)域主流技術(shù)發(fā)展的回顧特刊。專題針對“dna測序”、“顯微鏡”、“神經(jīng)科學(xué)”、“基因編輯”和“干細胞”5大領(lǐng)域相關(guān)研究突破和技術(shù)變革展開論述，并以時間軸的形式呈現(xiàn)出科學(xué)發(fā)展的精彩和魅力。

基因測序技術(shù)直接推動著生命醫(yī)學(xué)的發(fā)展，并改變著我們對物種多樣性、疾病機理和防治策略等多領(lǐng)域的認知和理解。過去，dna測序技術(shù)成本高昂、繁瑣費時。如今，它已經(jīng)進入了快速低廉、且擁有標(biāo)準(zhǔn)體系的高通量時代，先后經(jīng)歷了3次變革(sanger鏈終止法、高通量測序、單分子測序)。

上世紀(jì)70年代，dna測序技術(shù)的研究開始綻放火花。初期，華裔分子生物學(xué)家吳瑞先生開創(chuàng)性設(shè)計出“引物延伸”的測序策略。1977年，劍橋大學(xué)生物化學(xué)家frederick sanger及其團隊在引物延伸策略的基礎(chǔ)之上，在pnas發(fā)表文章，利用dna聚合酶的雙脫氧鏈終止原理創(chuàng)建了dna測序主流技術(shù)——sanger法(雙脫氧鏈終止法)。

同年，美國哈佛大學(xué)物理學(xué)家與生物化學(xué)家walter gilbert與 alan maxam合作共同基于sanger直讀法原理，利用特異的化學(xué)試劑修飾不同堿基，獨立提出另一種測序方法——化學(xué)裂解法。

傳統(tǒng)的化學(xué)降解法、sanger法以及在它們基礎(chǔ)之上發(fā)展來的各種測序技術(shù)統(tǒng)稱為第一代dna測序技術(shù)。1986年美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司abi(applied biosystems inc.成立于1981年)基于第一代測序技術(shù)推出世界首個自動化dna熒光測序儀。1990年人類基因組計劃(hgp)啟動，并耗時10年完成人類基因組草圖的繪制。

人類基因組計劃的完成讓我們進入功能基因組時代，無疑提高了對dna測序技術(shù)的深度、速度和重復(fù)性等方面的高需求，從而推動了第二代測序技術(shù)的發(fā)展。2005年，454生命科學(xué)公司利用焦磷酸測序原理推出首個第二代測序平臺，能夠以99%的準(zhǔn)確率完成2500萬堿基序列的讀取工作。

隨后，以羅氏的gs flx測序平臺、illumina的solexa genome analyzer測序平臺和abi的solid測序平臺為代表的第二代測序技術(shù)先后在市場上嶄露頭角，它們的顯著特點包括大規(guī)模平行測序、低成本，并因此得到廣泛應(yīng)用，例如分子診斷行業(yè)。

現(xiàn)在，以單分子測序為特征的第三代測序技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，典型的包括helicos公司的heliscope單分子測序儀、pacific biosciences公司的smrt技術(shù)、oxford nanopore technologies公司正在研究的納米孔單分子技術(shù)。這一最新技術(shù)旨在克服錯誤率問題，使得測序不再需要pcr擴增環(huán)節(jié)，延續(xù)了高通量測序的優(yōu)點并實現(xiàn)了更為快速、低廉的單分子測序。

基因測序是實現(xiàn)個性化醫(yī)療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。未來，它還將面臨著更大的發(fā)展和應(yīng)用空間。

關(guān)于干細胞的研究可追溯至上世紀(jì)90年代。

1981年，科學(xué)家從小鼠胚胎中分離出多能干細胞，這一類特殊的細胞能夠自我更新、復(fù)制出更多的細胞用于研究，同時還可以作為構(gòu)架轉(zhuǎn)基因小鼠的原材料。多倫多兒童醫(yī)院的發(fā)育生物學(xué)家janet rossant表示：“老鼠胚胎干細胞改變了整個哺乳動物遺傳學(xué)的研究?！?/p>

17年后，科學(xué)家能夠?qū)⑿∈笈咛ジ杉毎?escs)誘導(dǎo)分化成多種細胞類型，例如造血細胞、肌肉細胞和神經(jīng)細胞。同時，他們開始將目光轉(zhuǎn)向人類細胞。1998年，威斯康星-麥迪遜大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家james thomson帶領(lǐng)團隊成功從捐贈的人類體外受精胚胎中分離出干細胞，同年約翰霍普金斯大學(xué)的john gearhart團隊也在捐贈的胎兒組織中成功獲取胚胎干細胞。

1996年，有著克隆之父之稱的胚胎學(xué)家ian wilmut團隊成功培育出第一只克隆羊多莉。多莉的出生運用的是無性生殖技術(shù)，通過將乳腺細胞的細胞核移入已經(jīng)去核的卵細胞中，使其融合形成胚胎細胞，并最終成功克隆出來小綿羊。這意味著，高度分化的成熟細胞也具有全能性的潛力。隨后的細胞融合試驗表明，人類胚胎干細胞也存在重編程因子，使其具有分化成多種細胞類型的能力。

但是，以胚胎為原材料展開的干細胞研究涉及倫理問題。那么，是否可以對體細胞重編程使其重返多能性呢?2006年，山中伸彌(shinya yamanaka)實驗室成功利用病毒載體將4個轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)入成年老鼠的皮膚細胞中，使其重編程并獲得一簇類似于胚胎干細胞(escs)的新型細胞，由此打開了誘導(dǎo)性多能干細胞(induced pluripotent stem cells，ipscs)的研究大門。

2007年，包括山中伸彌在內(nèi)的三個研究團隊再次重復(fù)該試驗并改進了重編程方法。同時，山中伸彌和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校james thomson合作，成功將人類成體細胞誘導(dǎo)成多能性干細胞，并因此入選science年度十大科學(xué)突破。截止2009年，圍繞誘導(dǎo)性多能干細胞的學(xué)術(shù)文章多達300篇。

誘導(dǎo)性多能干細胞與胚胎干細胞的類似程度有多少?已有研究證實，誘導(dǎo)性多功能干細胞依然保留著原成熟細胞的表觀遺傳學(xué)記憶。但是，專家認為這種差異不會影響細胞治療的效果。

全球多個實驗室正在多能性細胞生成應(yīng)用于臨床治療的多種細胞，例如胰腺β細胞(糖尿病)、多巴胺神經(jīng)細胞(帕金森癥)。2010年，美國geron公司獲fda批準(zhǔn)首次開啟基于人類胚胎干細胞治療脊椎損傷的臨床試驗。遺憾的是，2011年，因為高額成本問題該項目被終止。

2014年，日本理化學(xué)研究所(riken)干細胞臨床研究員masayo takahashi團隊完成首例誘導(dǎo)性多能干細胞治療黃斑變性的臨床試驗，并取得成功。在第二例臨床試驗開戰(zhàn)之前，出于安全等顧慮這一臨床項目被暫停。但是，2016年6月，riken研究所發(fā)布公告將重新啟動基于異體ips細胞治療黃斑變性的臨床試驗。

基于干細胞的自我更新復(fù)制、具有多向分化的獨特功能，其在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的應(yīng)用越來越受到重視。談及基因編輯的發(fā)展需要從基因敲除說起。

19世紀(jì)80年代中期，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校oliver smithies、猶他大學(xué)的mario capecchi分別成功利用同源重組原理改變小鼠細胞基因組中特定區(qū)域，為基因敲除技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。屆時，英國卡迪夫大學(xué)的martin evans開發(fā)出培育小鼠胚胎干細胞的方法，為驗證基因打靶技術(shù)提供了細胞模型。1987年，capecchi和smithies團隊利用同源重組和目標(biāo)載體成功編輯小鼠胚胎干細胞的基因。

隨著pcr和基因測序技術(shù)的發(fā)展，對小鼠基因組的讀取越來越便捷，但是同源重組是利用載體將外源基因?qū)胧荏w細胞染色體上，通過交換達到編輯基因的目的，其編輯效率極低。

1991年，約翰霍普金斯大學(xué)的nikola pavletich和carl pabo團隊發(fā)現(xiàn)了鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)，每個鋅指結(jié)構(gòu)能夠識別3個堿基。1994年，紐約斯隆凱特林研究所的發(fā)育生物學(xué)家maria jasin團隊篩選到一種核酸內(nèi)切酶，能夠增加同源重組的概率。2001年，研究人員成功將改造的鋅指蛋白和核酸酶結(jié)合，從而靶向切除非洲爪蟾蜍細胞特定的dna片段。

以上研究奠定了鋅指核酸酶(zinc-finger nuclease, zfn)技術(shù)的發(fā)展。zfn由鋅指dna結(jié)合域和限制性內(nèi)切酶的dna切割域融合而成。zfn技術(shù)的原理是通過人為改造鋅指dna結(jié)合域，靶向定位于不同的dna序列，從而使得zfn可以結(jié)合復(fù)雜基因組中的目的序列，并由dna切割域進行特異性切割。

杜克大學(xué)的分子生物學(xué)家charles gersbach團隊開發(fā)出轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, talen)系統(tǒng)。與鋅指蛋白類似，tal效應(yīng)因子(tale)同樣具有特異性結(jié)合能力，將其與foki核酸酶結(jié)合，即構(gòu)成具有特異性基因編輯功能的武器——talen。talen技術(shù)曾被科學(xué)雜志列入十大科技突破行列(2012年)。

通過誘導(dǎo)dna雙鏈斷裂(dna double-strand break)來刺激容易出錯的非同源末端連接或在特定基因所在的位置進行的同源定向修復(fù)，talen和zfn能夠完成一系列遺傳學(xué)編輯修飾操作。

基因編輯領(lǐng)域的發(fā)展快速遠超我們的想象，尤其是crispr/cas技術(shù)。作為最新成形的基因編輯工具，crispr技術(shù)能夠完成rna導(dǎo)向的dna識別及編輯，為構(gòu)建更高效的基因定點修飾技術(shù)提供了全新的平臺。2012年，pubmed錄入相關(guān)文獻僅為126篇，2016年圍繞crispr發(fā)表的最新研究數(shù)量已經(jīng)增長了10倍。

當(dāng)然，每一種技術(shù)都有其局限性，這也是科學(xué)家始終在尋找更為優(yōu)化的基因編輯工具的根源。這些技術(shù)如何造福人類，還需要投入很多工作和時間。

紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家gy?rgy buzs&aki早在上世紀(jì)80年代就試圖進入小鼠大腦。當(dāng)時尚在加州大學(xué)圣地亞哥分校工作的他通過乙醚、低溫麻醉小鼠，利用顱骨鉆孔將鍍金不銹鋼電極植入小鼠大腦。借助這些電極小板，他可以監(jiān)測到小鼠運動、認知、記憶過程中，其大腦單個神經(jīng)元的電壓變化。

當(dāng)時最多只能放置16個電極設(shè)備，而現(xiàn)在，科學(xué)家們可以借助硅電極芯片同時測量1000個神經(jīng)元的變化。利用探針測量大腦電生理學(xué)變化或者腦電圖(egg)測試依然是神經(jīng)成像實驗室的主流技術(shù)。

神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域另一個發(fā)展了幾十年的傳統(tǒng)方法是膜片鉗技術(shù)(patch clamping)，發(fā)展自上世紀(jì)70年代末期。膜片鉗技術(shù)利用離子通道的電流反映細胞膜單一或多個離子通道的分子活動。然而，膜片鉗技術(shù)是侵入性的，且因為會干擾細胞正常功能而不能長時間使用。

所以，科學(xué)家一直在尋找優(yōu)化的方法。隨著傳感器和顯微技術(shù)的發(fā)展，功能鈣成像技術(shù)越來越受到歡迎，其原理是通過熒光染料信號的改變反映細胞內(nèi)游離鈣離子濃度，以此代表細胞的功能狀態(tài)。

1977年，科學(xué)家首次將磁共振成像(mri)運用于人身上，可以無創(chuàng)性的獲取大腦結(jié)構(gòu)圖。磁共振成像利用外磁場和物體的相互作用實現(xiàn)成像，對大腦無反射性危害。但是直至功能性磁共振成像(fmri)的出現(xiàn)，才真正推進了mri在神經(jīng)影像學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。fmri利用磁振造影來測量神經(jīng)元活動所引發(fā)之血液動力的改變。

除了成像，操控大腦也是科學(xué)家們試圖解析大腦工作機理的另一途徑。2005年，利用光線操控神經(jīng)元的技術(shù)出現(xiàn)，由此打開了光遺傳學(xué)的應(yīng)用前景。mit的edward boyden和斯坦福大學(xué)的karl deisseroth及其同事將響應(yīng)光離子的通道植入哺乳動物神經(jīng)細胞。利用光遺傳學(xué)技術(shù)，科學(xué)家們可以改變或者換刺激小鼠大腦內(nèi)的特定神經(jīng)元，從而關(guān)閉癲癇發(fā)作、抑制激進行為。2007年，除了光學(xué)，科學(xué)家們試圖利用化學(xué)物質(zhì)實現(xiàn)控制的目的，他們利用g蛋白偶聯(lián)受體的存在，通過注入合成的特異配體刺激或者沉默神經(jīng)元。

需要清醒的是，即便科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)找到同時記錄神經(jīng)元活動以及操控嚙齒動物大腦細胞的技術(shù)，但是人類大腦依然是一個謎。

顯微鏡是由一個透鏡或幾個透鏡的組合構(gòu)成的一種光學(xué)儀器，是人類進入原子時代的標(biāo)志。從共焦熒光顯微鏡到超分辨率、實時三維成像，該領(lǐng)域也經(jīng)歷著日新月異的變革。

第一臺顯微鏡誕生于17世紀(jì)荷蘭，其透鏡分辨率達到1微米，由a•v•leeuwenhoek(列文虎克)打造。1873年，物理學(xué)家ernst karl abbe提出顯微鏡的分辨率受限于光的衍射，且傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡分辨率有一個物理極限，即所用光波波長的一半(0.2微米)。同時，他與carl zeiss、otto schott合作研發(fā)出分辨率達到0.2微米的顯微鏡。

然而，隨后的發(fā)展卻打破了這一預(yù)言。2000年，stefan hell試圖突破分辨極限，成功發(fā)明出受激發(fā)射損耗熒光成像技術(shù)(sted)，能夠高分辨率掃描整個樣品。2004年，eric betzig基于光激活原理(william moerner發(fā)現(xiàn))，研發(fā)出光激活定位顯微鏡(palm)。

分辨率的問題得到解決之后，科學(xué)家開始思考另一個問題：如何避免對樣本的損害。betzig為此對sted進行了改造，降低光水平。此外，結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微鏡(sim)通過較為“溫和”的光激活實現(xiàn)成像。2004年，歐洲生物學(xué)實驗室(embl)的物理學(xué)家ernst stelzer團隊研發(fā)出選擇性平面照明顯微鏡(spim)，它能夠在亞細胞水平對活體樣本實現(xiàn)多角度觀察。得益于這些技術(shù)的更新，生物學(xué)家們能夠看到和探索不一樣的細微世界。

2014年， betzig、moerner和hell 3位科學(xué)家共同獲得諾貝爾化學(xué)獎，以表彰他們在超分辨率熒光顯微鏡領(lǐng)域做出的貢獻。

Jenny Gonzalez is excited to go to school these days. The 13-year-old from South Gate Middle Sc...

小題1:teams
小題2:turn
小題3:kept
小題4:bad
小題5:up
小題6:like
小題7:caught
小題8:protecting
小題9:or
小題10:students’

試題分析：這篇短文講述的是Jenny的學(xué)校里養(yǎng)了三只鮑魚，學(xué)生們被分成8組，輪流來照顧他們，他們都非常興奮照顧這些鮑魚。現(xiàn)在由于人們的捕殺，鮑魚的數(shù)量逐漸下降。通過這樣一個活動，專家們希望能讓年輕人們意識到保護環(huán)境的重要。
小題1:句意：全班分成8個組，每一組輪流照看這些鮑魚。根據(jù)下句話中Each team takes turns to care for…可知，全班是分成8個小組。team 隊，組，因為空前有eight，故填復(fù)數(shù)形式。
小題2:句意：現(xiàn)在輪到第五組了，包括Jenny, Alexis Diaz, Jennifer Gonzalez and Ricardo Beltran。turn在這里是一個名詞，跟上句話中的takes turns中的意思一樣，意思是輪流，依次。
小題3:句意：這些鮑魚被保存在一盒子海水中。keep 是一個動詞，意思是保存。根據(jù)句意可知，這些鮑魚是被保存在一盒海水中，故應(yīng)該用被動語態(tài)，填它的過去分詞kept。
小題4:句意：鹽太多對鮑魚的健康有害。bad 是一個形容詞，壞的，糟糕的。這里是一個固定的短語，be bad for對……有害。根據(jù)上下文的意思可知，每天Alexis都會檢查看海水里是否有太多的鹽，而Jenny用新鮮的鹽水。由此可知，海水里鹽太多對鮑魚不好。
小題5:句意：然后四個學(xué)生一起清理盒子里的廢物，給鮑魚喂食。clean up是一個固定的短語，意思是打掃干凈，清理干凈。根據(jù)空后面的waste廢物可知，這里應(yīng)該是清理干凈廢物。
小題6:句意：海洋生命就像是一個嬰兒，你必須清理干凈他們，照顧他們。like在這里是一個介詞，意思是像。這里Jenny把鮑魚比喻成是一個嬰兒，需要人們來照顧他們。
小題7:句意：因為人們對鮑魚的捕殺，沿海岸鮑魚的數(shù)量正在逐漸下降。caught的原形是catch，意思是抓住。這里是說因為人們抓鮑魚，所以導(dǎo)致了鮑魚的數(shù)量下降了。這句話用的是現(xiàn)在完成時，所以這里填過去分詞的形式。
小題8:句意：保護好海洋是下一代年輕學(xué)生們的責(zé)任。protect是一個動詞，意思是保護。這里是用它的動名詞形式在said后的這個賓語從句中做主語。
小題9:句意：這可以為那些想成為海洋生命科學(xué)家或環(huán)境保護者的人們打開門。or或者，這里表示并列的關(guān)系，連接a sea life scientist和an environment protector,即想成為海洋生命科學(xué)家或環(huán)境保護者的人們。
小題10:句意：這些學(xué)生們和鮑魚在一起的時間在這個學(xué)年就要結(jié)束了。根據(jù)句意可知，這里表達的是學(xué)生們的時間，根據(jù)上文的意思可知，這里學(xué)生應(yīng)該用復(fù)數(shù)形式，并且應(yīng)該用名詞所有格的形式，表示學(xué)生們的，故填students’。

科學(xué)時代（時期）的劃分

小科學(xué)時代：

從 18 世紀(jì)中期開始，科學(xué)逐漸呈現(xiàn)出被今天所稱為的“小科學(xué)”狀態(tài)。

“小科學(xué)”的特點是大部分科學(xué)研究活動靠個別科學(xué)家發(fā)起，只有一個或幾個實驗室參加，管理上依靠的是傳統(tǒng)的科層管理模式，研究主觀上是以滿足科學(xué)家的好奇心為動力源，客觀上增長了人類的認識能力，形式上以個人的自由研究為主要特征。

這段時期還沒有以科學(xué)研究為專門職業(yè)的科學(xué)家，一般由自己出資，按照自己的興趣和愛好來做科學(xué)實驗。

過渡時代：

19世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展更加輝煌和繁榮，“三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”促使科學(xué)向建制化方向發(fā)展，直接表現(xiàn)為：第一、從事科學(xué)研究的人員急劇增加，科研機構(gòu)或組織的相繼建立；第二、科研儀器與以往相比相對精密化和復(fù)雜化。

到19世紀(jì)中期以后，科學(xué)建制化發(fā)展加速，最終在20世紀(jì)發(fā)展成為相對穩(wěn)定和成熟的一種社會建制，科學(xué)研究也逐漸從為滿足少數(shù)有錢人的興趣愛好，向?qū)ｉT化、公有化、社會化的方向發(fā)展。“小科學(xué)”向“大科學(xué)”的過渡。

大科學(xué)時代：

第二次世界大戰(zhàn)極大地促進了科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)爭中應(yīng)用的各項新興方法和技術(shù)，在戰(zhàn)后逐漸被人們總結(jié)和發(fā)展，讓科學(xué)的發(fā)展進入了一個全新的階段。

以20世紀(jì)40年代的 “曼哈頓計劃”作為標(biāo)志,，認為現(xiàn)代科學(xué)已進入了 “大科學(xué)時代” 。

擴展資料

第一時代是古希臘科學(xué)家時代開始的科學(xué)研究，大多數(shù)的理論都是空想出來的，沒經(jīng)過試驗，所以大多理論都被第二時代的可以試驗推翻！

第二時代是十六世紀(jì)開始，以牛頓力學(xué)作主要代表，這個時代的理論屬于巨集觀，就是試驗中的東西都是以那種處于絕對之態(tài)存在才能得到預(yù)期的結(jié)果！

第三時代，就是現(xiàn)在，以愛因斯坦作代表的相對論，還有就是量子力學(xué)、混沌、黑洞、蝴蝶效應(yīng)等等。都是研究原子的的理論，彌補了牛頓力學(xué)的不足！

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