Nat Methods十周年特刊：十大革命性生物学技术盘点

Nature Methods杂志在十周年之际推出了纪念特刊，点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术。二代测序、CRISPR、单分子技术、细胞重编程、光遗传学、超高分辨率显微镜等纷纷上榜。

二代测序

二代测序或大规模并行测序的出现，几乎影响了生物学领域的每一个角落。这一技术允许科学家们测序基因组、评估遗传学变异、定量基因表达、研究表观遗传学调控、探索微观生命，将各种分析和筛选轻松升级。技术革新使测序数据的数量和质量不断攀升，测序文库的构建也在不断的进步。现在人们已经可以检测限制性材料或发生降解的样本，灵活靶标序列空间的一部分，标记细胞中各种各样的分子，捕捉分子相互作用和基因组结构。此外，计算工具也为解读二代测序的海量数据立下了汗马功劳，为人们揭示了序列变异、调控和进化的基础信息。

基因组编辑与基因工程

基因组工程可以在体外培养的细胞、模式和非模式生物中，进行自定义的改动，这类技术为相关研究带来了极大的便利。研究者们能够在这些工具的帮助下敲除基因、引入突变或者构建融合基因。举例来说，人们用酶切割特定的基因组序列，启动细胞的修复过程，并由此作出想要的序列改变。Meganuclease、锌指酶和TALEN通过各自的DNA结合域来靶向目的序列。最近，CRISPR-Cas9系统成为了这一领域的新宠儿。该系统使用RNA为核酸酶导航，不仅很容易设计，而且能够改写几乎任何基因组序列。

单分子技术

研究单个分子（比如蛋白或DNA）的行为能够揭示重要的生物学机制，这一点是平均化分子研究无法企及的。近十年来，一些单分子技术逐步成熟。比如，力谱（force spectroscopy）技术可以检测分子的结合、折叠或机械行为，而荧光显微镜能够在体外和体内对单分子进行追踪。新兴的单分子技术还包括，能够测序单分子的纳米孔技术，不用标记就能检测单分子的光学和plasmonic设备。这些工具的出现，使人们能够以空前的深度探索单分子的功能。

光切成像（Light-sheet imaging）

光切成像这个老技术迎来了自己的第二春，这是因为成像设备（包括显微镜和相机）、荧光探针和图像分析技术得到了很大的改进。 光切成像技术利用很薄的一层光来照射样品，而不是通过点光源或全场照明，能够快速地对生物样品进行高分辨的三维成像，同时降低了光毒性。神经学和发育生物学的研究者们，正在许多生物中用光切成像研究基本的生物学过程，例如胚胎发育和大脑功能。

基于质谱分析的蛋白质组学

十年前，基于质谱分析的蛋白质组学研究还是一个相对小众的领域，传统细胞生物学家对它并不熟悉。然而，质谱分析仪的速度和性能在这十年迅速提升，样品制备、实验设计和数据分析也取得了巨大的进步，数据可重复性和全面性的许多问题得以解决。这些发展导致这一领域焕发了蓬勃的生机。对特定细胞状态的蛋白质组进行深入定量的图谱分析，过去需要仪器运行好几天，现在只要几个小时就能完成。现在，许多研究者通过质谱分析在系统水平上研究蛋白的功能，比如对蛋白质翻译后修饰和蛋白质互作进行图谱分析。

结构生物学

随着结构测定流程（从蛋白表达到结晶）的不断优化，用X射线晶体学技术分析可溶性小蛋白的原子结构基本已经成为了常规。研究者们在此基础上解析了许多颇具挑战的蛋白结构，比如膜蛋白和大蛋白复合体，这些蛋白生成的量少而且很难结晶。这十年来，X射线晶体衍射的样本制备、结晶和数据分析得到了大幅改良。与此同时，其他结构分析技术也在快速发展，比如核磁共振光谱（nuclear magnetic resonance spectroscopy）和单颗粒冷冻电镜。更有X射线无电子激光器（X-ray free electron laser）等新兴技术涌现出来。这些技术进步将帮助人们解决各种各样的分子结构。