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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    “細胞圖譜”揭開人體奧秘

                    2018-05-13 22:41:00

                      我們人體究竟是由什么組成的?一個生物學方面的巨型項目將會就此作出回答??茖W家正在建立一個描繪人體各種細胞類型的全目錄——“細胞圖譜”,即描述身體功能,即通過細胞內部的內容來定義活細胞。

                      圖譜工程浩大,難度不小,研究經費超出想象,需要全世界主要國家通力合作,而且可能至少花上5年時間才能完成。這是一個使用現代基因組學和細胞生物學中最強大的工具,來單獨捕獲和端詳數百萬個細胞的計劃。為了執行解碼人體37.2萬億細胞的任務,國際上成立了由來自美國、英國、瑞典、以色列、荷蘭和日本的科學家組成的聯合機構。

                      項目的研究內容

                      該項目主要包括三個方面的研究:一是在分離單獨的細胞并用微珠標記后,使其被油滴包裹。油滴就像汽車一樣運載著細胞,沿著被蝕刻在微小芯片上的狹窄的毛細管單向“街道”分流,最終聚集到特定的位置然后進行裂解并逐一研究。二是使用超快、高效的測序儀來解碼在單個細胞中活化的基因。這一項研究工作花費不多,效率也高,一位科學家可以在一天內處理上萬個細胞。

                      三是使用全新的標記和染色技術,檢測每個細胞的分子特征,基于基因活動來定位各種細胞在人體器官或組織中的“郵政編碼”。

                      細胞圖譜項目主要由世界一流的研究機構負責執行,包括桑格研究所、麻省理工學院和哈佛大學的布羅德研究所,以及由臉譜網首席執行官馬克·扎克伯格資助的位于加利福尼亞州的一個全新的Biohub研究所。

                      2016年9月,扎克伯格和夫人普莉希拉·陳博士在舊金山宣布,為了資助科學家們攻克世界上最重要的疾病,他們將在未來10年內投入30億美元(約合200億元人民幣)的巨額資金,希望后人能較少受到疾病的影響。普莉希拉·陳還倡議成立Chan Zuckerberg(CZ)Biohub,意圖達到在本世紀末所有疾病都可以實現預防、管理或治愈的宏偉目標,同時捐贈6億美元(約合40億元人民幣)給予支持。

                      Biohub是一個獨立的生物研究中心,負責協調和促進加州大學舊金山分校、加 州大學伯克利分校和斯坦福大學這幾所世界頂尖研究型大學之間的科研活動。以上世界領先名校的生物醫學或工程創新領域的佼佼者將積極聯手其他研究機構的科學家和硅谷科技界的同仁們,致力于分享研究技術、工具和想法,為全球疾病治療大格局注入新的驅動力量。

                      Biohub日前宣布啟動“細胞圖譜”(The Cell Atlas)的第一個國際研究項目。該項目有助于開啟研究人體健康和疾病的新“窗口”。通過掌握大量的信息,科學家可以深度了解人體機能是怎樣運行,又是如何產生疾病的。

                      項目的創新技術

                      由于人體內不同細胞類型數量巨大,因此創建圖譜成為一項史無前例的艱巨任務。好在近年來,生物醫學研究領域出現的一系列創新技術,正在為人類細胞圖譜的誕生“添磚加瓦”。

                      生物芯片

                      Biohub的科學家與新一代生物工程領域的研究人員緊密合作,專注于開發計算機集成電路的生物等效元件。這些嵌入了人類細胞的微型芯片或生物芯片使用微管道系統來分析患者樣品和藥物化合物。生物芯片又稱蛋白芯片或基因芯片,可看作是DNA雜交探針技術與半導體工業技術相結合的結晶。該技術將大量探針分子固定于支持物上,而后與帶熒光標記的DNA或其他樣品分子(例如蛋白、因子或小分子)進行雜交,通過檢測每個探針分子的雜交信號強度來獲取樣品分子的數量和序列信息。

                      值得一提的是,斯坦福大學生物工程學家史蒂芬·奎克博士和同事做到了允許單個細胞在微流控芯片上的通道里移動。由于可以迅速且精準地捕獲單個細胞,逐個對單個細胞的基因組進行測序分析,該技術奠定了細胞圖譜宏圖的基礎。

                      CRISPR基因編輯

                      CRISPR是生命進化歷史上細菌與病毒在斗爭過程中產生的免疫武器,簡單地說就是病毒能把自己的基因整合到細菌體內,利用細菌的細胞工具為自己的基因復制服務。為了將病毒的外來入侵基因清除掉,細菌進化出CRISPR系統。利用這個系統,細菌可以不動聲色地把病毒基因從自己的染色體上切除,這是細菌特有的免疫系統。10年前,微生物學家就了解到細菌擁有多種切除外來病毒基因的免疫功能。其中比較典型的模式是依靠一個復合物來進行,該復合物能在一段RNA(核糖核酸)指導下,定向尋找目標DNA序列,然后將該序列切除。由于許多細菌免疫復合物都相對復雜,科學家研究出并掌握了一種針對蛋白Cas9的操作技術,并先后對多種目標細胞DNA進行切除實驗。這種被稱為CRISPR/Cas9的基因編輯系統迅速成為生命科學中最熱門的技術。

                      CRISPR技術大大提升了研究人員編輯和更改基因組的能力,Bio-hub的人類細胞圖譜項目也將廣泛利用該技術手段測試實驗室已有的細胞培養品系,深度理解打開或關閉特定基因是否影響細胞的基本功能,從而構建重要的疾病模型。借助CRISPR技術,Biohub能夠改變特定細胞中的蛋白質動力學,并結合熒光標記,以前所未有的精度研究蛋白質功能。

                      高性能計算平臺

                      基因學的創新促成了如今可以解碼單個細胞的DNA,生物芯片能夠立即分析組織樣本和藥物化合物,由此各種新型成像數據大量產生,所有這些工作讓傳統計算能力難以勝任。由于缺乏強大的計算平臺,醫學研究人員在數據處理時常常受到限制。

                      因此,Biohub必須對計算技術進行投資開發,應用蓬勃發展的人工智能和機器學習能力,來滿足生物醫學研究人員的數據處理需求。于是,高性能計算平臺項目草案自然吸引了國際科學界和全社會的廣泛注意。

                      全球實驗室攜手精誠合作

                      在Biohub開展研究的同時,前文提到的那個聯合機構——“國際人類‘細胞圖譜’聯盟”也在積極行動。2016年10月,國際人類“細胞圖譜”計劃啟動會議在倫敦召開。來自世界各地的一群頂級科學家齊聚一堂,制定了人類“細胞圖譜”計劃第一階段的內容,其中包括編目所有人體細胞類型(如免疫細胞和腦細胞等)及其子類型、繪制不同細胞類型在組織和人體中的分布圖等。

                      會議對國際人類細胞圖譜計劃的潛在價值、樣本來源、數據分析策略,科學聯盟的組織機制以及計劃實施的基本原則等問題進行了深入討論,并且為該計劃第一階段的實施提供了支持。

                      馬克·扎克伯格和夫人普莉希亞·陳博士表示:“對于人類‘細胞圖譜’項目來說,2017年是偉大的一年?!?/font>

                    本文來自《科學24小時》

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