Nature上遴選的這七項技術(shù)就主要集中在該領(lǐng)域。它們分別是：熱穩(wěn)定疫苗、大腦中的全息圖、構(gòu)建更好的抗體、解決單細(xì)胞分化問題的三個技術(shù)、讓細(xì)胞感受到力量、臨床質(zhì)譜分析法、嗅出疾病。研究人員描述了在他們的學(xué)科中令人興奮的工具和技術(shù)。未來已來！

生物制藥公司CureVac的RNA打印機可以快速打印出mRNA疫苗的候選品

光遺傳學(xué)，一種控制特定腦細(xì)胞和電路活動的技術(shù)，在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域引起了極大的興趣。到了2021年，這些工具將產(chǎn)生更大的影響。通過光遺傳學(xué)，研究人員可以將光線照射到組織中，所有表達(dá)這種工具的神經(jīng)元都會做出反應(yīng)。然而在現(xiàn)實中，大腦活動更為微妙。神經(jīng)元只對特定的刺激有反應(yīng)。時機很重要；順序也很重要；神經(jīng)元很少一起放電的。從2005年開始，光遺傳學(xué)可以讓我們操縱特定類型的神經(jīng)元，但仍然無法重現(xiàn)細(xì)胞之間相互交流的語言是什么。

為了解決這一缺點，一些神經(jīng)科學(xué)家開發(fā)了新的光響應(yīng)蛋白。與此同時，其他人在光學(xué)方面也取得了進(jìn)展。在過去的幾年里，全息和其他光學(xué)方法已經(jīng)成熟到可以被非專業(yè)實驗室采用。

一束激光可能需要10到20毫秒來刺激一個神經(jīng)元，而全息技術(shù)可以讓你在不到1毫秒的時間內(nèi)刺激這個細(xì)胞，這比4-5毫秒要快得多，而從一個神經(jīng)元向另一個神經(jīng)元傳遞信號通常需要的4-5毫秒的時間。也可以同時生成多個全息圖，或以特定的順序生成多個全息圖。

這種類型的實驗過去僅限于專門的實驗室，需要這些實驗室擁有制造定制顯微鏡的技術(shù)?，F(xiàn)在，像Bruker和3i這樣的顯微鏡公司，他們已經(jīng)在雙光子成像系統(tǒng)中加入了全息技術(shù)。神經(jīng)科學(xué)家可以通過顯微鏡拍攝照片，標(biāo)記他們想要激活的神經(jīng)元，軟件生成全息圖來匹配這些激活模式。隨著光遺傳學(xué)工具和光學(xué)技術(shù)的融合發(fā)展，我們可以開始探索具有單神經(jīng)元精度的神經(jīng)編碼。

抗體從20世紀(jì)90年代中期就開始被用作治療手段，當(dāng)然這主要是指對病毒或腫瘤這些疾病的治療。然而，直到最近幾年，隨著科學(xué)家們研究出抗體的結(jié)構(gòu)如何影響其功能，我們才真正開始挖掘其潛力。在新冠持續(xù)流行中，抗體療法已呈現(xiàn)出新的緊迫性。

大多數(shù)抗體療法只是常規(guī)的、未經(jīng)修飾的抗體，它們與特定的靶點結(jié)合——例如，病毒或腫瘤細(xì)胞表面的一種蛋白質(zhì)。然而，這許多抗體在使免疫細(xì)胞處理目標(biāo)物方面是無效的，也就是說，并不是有抗體就一定能抗病毒了。隨著分子生物學(xué)的進(jìn)步，我們可以快速修改抗體，使其更好地利用免疫系統(tǒng)來對抗疾病。

人體中有許多功能各異的細(xì)胞。然而它們都來自單個細(xì)胞和基因組。從單個細(xì)胞如何產(chǎn)生不同的類型呢？

三種新的單細(xì)胞測序技術(shù)可以幫助解決胚胎發(fā)育早期階段的問題。第一個技術(shù)Hi-C，使用了一種研究基因組三維結(jié)構(gòu)的方法；另一種技術(shù)被稱為CUT&Tag，可以追蹤基因組上特定的生化“標(biāo)記”，幫助科學(xué)家研究這些化學(xué)修飾如何在單個活細(xì)胞中開關(guān)某個基因，第三個SHARE-seq，它結(jié)合了兩種測序方法來識別基因組中可被轉(zhuǎn)錄激活分子訪問的區(qū)域。

細(xì)胞除了生長因子和其他分子外，還能感受到物理的某種力量。而這種對力量的感覺可以調(diào)節(jié)基因的表達(dá)、增殖、發(fā)育，甚至可能是癌癥。

力量是很難研究的，當(dāng)你推動某物體時，會發(fā)生變形或運動，只能看到它的效應(yīng)。但現(xiàn)在，通過使用兩種尖端工具來可視化和操縱活細(xì)胞中的力量，科學(xué)家們可以探索物理力量和細(xì)胞功能之間的因果關(guān)系。

倫敦帝國理工學(xué)院開發(fā)的GenEPi技術(shù)，融合了兩種分子，可以在生理相關(guān)的條件下研究完整的細(xì)胞，不會對生物的生理活動造成影響。

第二個工具，是促動器ActuAtor。促動器是從ActA產(chǎn)生的，而ActA是一種來自致病細(xì)菌的蛋白質(zhì)。當(dāng)細(xì)菌感染哺乳動物的宿主細(xì)胞時，ActA就劫持宿主的機器，在微生物表面引發(fā)肌動蛋白聚合，產(chǎn)生了推動細(xì)菌通過細(xì)胞質(zhì)的力量。

通過改造ActA，使肌動蛋白在細(xì)胞內(nèi)的特定部位聚合來重新利用這種劫持，比如給予光或化學(xué)刺激時。有了促動器，可以在細(xì)胞深處施加力量。例如，釋放了線粒體表面的促動器，可以使細(xì)胞器在幾分鐘內(nèi)被切碎。這些受損的線粒體更容易被有絲分裂吞噬而降解，但關(guān)鍵的線粒體功能如ATP合成沒有受到影響。

以前很難處理這樣的過程，因為我們?nèi)狈υ诨罴?xì)胞中特異性和非侵入性地使細(xì)胞器變形的工具。促動器是最早能夠做到這一點的工具之一。

質(zhì)譜法能快速分析復(fù)雜樣品中的成百上千個分子，具有很高的靈敏度和化學(xué)特異性。生物醫(yī)學(xué)研究用到的這些方法主要用于兩個極端。一些科學(xué)家正在開發(fā)高性能的技術(shù)來更深入地探測生物組織。研究人員正在簡化質(zhì)譜分析工具，以便醫(yī)生可以將其用于臨床決策中。

該技術(shù)是MALDI，一種用于生物組織分析的質(zhì)譜成像技術(shù)。在臨床方面，現(xiàn)在創(chuàng)造出了MasSpec筆，這是一種手持式質(zhì)譜系統(tǒng)，幫助外科醫(yī)生識別腫瘤組織及其邊界。

2021年，將繼續(xù)對正在接受乳腺癌、卵巢癌和胰腺癌手術(shù)或機器人前列腺癌手術(shù)的患者使用MasSpec筆進(jìn)行評估。

兩個外科醫(yī)生用一個類似筆的電子設(shè)備對一個病人進(jìn)行組織分析，這支筆用于檢測腫瘤組織及其邊界。

為了檢測可能有環(huán)境風(fēng)險或疾病的氣體混合物，包括像是否含新冠病毒的疑似物，研究人員想模擬人類的嗅覺，知道我們在聞什么。然而，與視覺、聽覺和觸覺不同，嗅覺的化學(xué)傳感器是很復(fù)雜的。它們包括檢測幾百種甚至幾千種化學(xué)物質(zhì)的混合物，通常是很微量的。

現(xiàn)在正在采取幾種方法來開發(fā)下一代人工嗅覺系統(tǒng)，還需要讓傳感器做出更快的反應(yīng)。

人工嗅覺技術(shù)可用于醫(yī)學(xué)診斷，例如檢測哮喘患者呼吸中較高濃度的一氧化氮。其他應(yīng)用包括監(jiān)測空氣污染、評估食品質(zhì)量和基于植物激素信號的智能農(nóng)業(yè)。