一
“纳米瓶”技术可按功能分类单细胞
新生物疗法的开发可能会从一种新技术中受益，该技术可在标准实验室设置中快速分选单个活细胞。使用称为“纳米瓶”的微型碗状水凝胶容器，加州大学-洛杉矶分校领导的一个研究小组最近展示了根据细胞的类型、它们分泌的化合物来选择细胞的能力。该研究发表在美国化学会期刊《ACS纳米》杂志上，这项技术可推进药物开发和基础生物学的研究。
“通过这项技术，科学界可对关键生物过程有新见解，这些过程代表了我们蛋白质编码基因的很大一部分。”该研究通讯作者、加州大学-洛杉矶分校工程学院工程和医学教授迪诺·卡里奥说，“我认为单细胞是生物学的量子极限，纳米瓶是培养皿进化到一个细胞的基本极限。使用纳米瓶有助于科学家克服其他仪器测量细胞分泌物的局限性。”
纳米瓶可用于在数百万个细胞中进行更大规模的筛选，而相对成本仅为每个细胞不到1美分，而使用当前标准每个细胞1美元或更多。
纳米瓶非常小，需要2000万个才能装满一茶匙。它们经过定制以捕获特定类型的细胞，并且可用附着在细胞分泌物上的分子增强，并在有色光下发光。因为纳米瓶是由水凝胶（一种在水中质量几乎是其20倍的聚合物）制成的，它们提供了一个相对类似于细胞自然家园的潮湿环境。
研究人员检查了被设计成分泌特定抗体药物的细胞：使用纳米载体和一种称为流式细胞仪的常见分析装置，他们选择了分泌最多抗体的细胞，然后将这些细胞培养成菌落，这些菌落产生的药物比未经特别选择的菌落多25%以上。
研究还可挑选出与靶分子特异性结合的稀有抗体分泌细胞，并可识别分泌抗体的DNA序列信息。该实验是发现新抗体药物的关键部分，只花了一天时间，而传统方法需要数周时间。
作者：张梦然 来源：科技日报
二
基因测序下一站：描绘所有人种遗传多样性
一个国际科学家联盟在近日出版的《自然》杂志上发表论文称，十多家研究机构正在合作开展“人类泛基因组项目”，旨在创建一个囊括全球各人种遗传多样性的参考基因组。研究人员表示，“这是人类遗传学的未来”，有望应用于疾病预防与治疗等多领域。
这项工作由美国国家人类基因组研究所和国立卫生研究院联合资助。论文合著者、美国西雅图华盛顿大学医学院基因组科学教授艾文·艾希勒说：“我们的目标是收集、组织和访问人类存在的所有遗传变异，包括大的、小的、常见的和罕见的变异。”
人类基因组由31亿个DNA分子组成，从总体上来看，人类的基因组非常相似，但基因组DNA序列的微小差异在决定每个个体的独特性（包括罹患某些疾病的风险等方面）发挥重要作用。参考基因组能通过绘制基因和基因组其他元素的位置来帮助描述这些差异，此外也可以利用参考基因组识别新基因、已知基因的变体和其他功能组成成分。
今年早些时候，包括艾希勒在内的多名科学家宣布，经过长达20年的努力，他们创建了一个代表人类基因组完整图谱的参考基因组。但这个参考基因组由大约20个人的DNA序列合成，而且其中大部分序列来自单个个体，因此并不能反映世界人口的多样性。事实上，现有对人类基因组开展的大多数研究都基于拥有欧洲血统个体的样本。
“人类泛基因组项目”则试图通过创建代表来自世界各地数百人的完整参考基因组来解决这一问题。该项目的早期目标是，在未来5年内，利用来自不同人群的350个个体的基因组信息创建出参考基因组，最终对数千个基因组进行测序，以尽可能多地获取人类的遗传多样性。为此，研究团队将使用“长读”测序方法，端到端无误地绘制整个基因组。长期目标是，有朝一日，任何人都能前往医院，对自己的DNA进行测序。然后，医生可将患者的测序结果与参考泛基因组进行比较，以确定患者的基因类型，从而提供有关其心血管疾病、糖尿病和其他疾病的遗传风险的信息。
不过，艾希勒警告说，这类检测可能需要数年时间才能用于疾病治疗等领域，“我们才刚刚开始，但我们真的相信这是人类遗传学的未来”。
作者：刘霞 来源：科技日报
三
用石墨烯“聆听”细菌“配乐”
或可用于抗生素耐药性快速检测
你有没有想过细菌会发出独特的声音？如果我们能听到细菌的声音，我们就能知道它们是否还活着：当细菌被抗生素杀死时，这些声音就会停止，除非细菌对抗生素产生耐药性。近日，荷兰代尔夫特理工大学法尔博德·阿里贾尼课题组成功使用石墨烯捕捉到了单一细菌的低水平噪音，相关研究已发表在《自然·纳米技术》杂志上。
研究团队最初是研究石墨烯的基本力学原理，但他们想知道如果这种极其敏感的材料与单个生物物体接触会发生什么。“石墨烯是碳的一种存在形式，由单层原子组成，也被称为‘神奇材料’。”法尔博德·阿里贾尼说，“它非常坚固，具有良好的电气和机械性能，而且对外力也非常敏感。”
团队对大肠杆菌进行了首次实验。结果发现，当细菌附着在石墨烯鼓的表面时，它会产生幅度低至几纳米的随机振动，研究人员可以检测并听到单个细菌的声音。
这种极小的振动源自细菌生物的过程，主要来自它们的鞭毛。为了让人们更好地理解石墨烯上细菌鞭毛的“节拍”是多么微小，阿里贾尼打比方说，如果也让细菌来打拳击沙袋的话，它们至少比人类拳击手的拳头力度小100亿倍。现在，这些纳米级的“节拍”可以被转换为音轨并被听到了。
研究人员表示，这项研究对抗生素耐药性的检测具有巨大的意义。实验结果是明确的：如果细菌对抗生素产生耐药性，振动会在相同的水平上继续。当细菌容易受到药物作用时，振动会在一两个小时内逐渐减弱，直到完全消失。由于石墨烯鼓的高灵敏度，只需一个电池就可以检测到这一现象。
阿里贾尼说：“未来，我们的目标是优化我们的单细胞石墨烯抗生素敏感性平台，并针对各种致病样本进行验证。从而最终可以作为一种有效的诊断工具包，在临床实践中快速检测抗生素耐药性。”抗生素耐药性是世界各地对人类健康日益增长的威胁，，在对抗抗生素耐药性方面，这将是一个“无价的工具”。
作者：张佳欣 来源：科技日报
四
无需逐层构建的3D打印技术面世
尽管3D打印技术在过去十年中取得了长足的进步，但该技术仍然面临一个基本限制：物体必须逐层构建。美国研究人员开发了一种在固定体积的树脂内打印3D物体的方法。打印物体完全由厚树脂支撑，就像一个动作人偶漂浮在一块果冻的中心，可从任何角度进行添加。这项近日发表在《自然》杂志上的新3D打印系统，可更轻松地打印日益复杂的设计作品，同时节省时间和材料。
斯坦福大学电气工程助理教授丹·康格里夫说：“这种体积打印的能力使你能打印非常困难的对象。对于3D打印来说，这是一个非常令人兴奋的机会。”
从表面上看，这项技术似乎相对简单：通过透镜聚焦激光并将其照射到凝胶状树脂中，这种树脂在暴露于蓝光时会变硬。但研究人员没有简单地使用蓝色激光，因为树脂会沿着光束的整个长度固化。相反，他们使用红光和一些巧妙设计的纳米材料分散在树脂中，仅在激光的精确焦点处产生蓝光。通过在树脂容器周围移动激光，他们能够创建详细的、无支撑的打印件。
研究人员专门使用一种称为三重态融合上转换的方法将一种波长的光转换为另一种波长。通过使正确的分子彼此靠近，研究人员创建一系列能量转移，如将低能红色光子转化为高能蓝色光子。
通过一系列步骤，研究人员将必要的上转换分子形成不同的纳米级液滴，并将它们包裹在保护性二氧化硅壳中。然后他们将得到的纳米胶囊分布在整个树脂中，每个纳米胶囊比人类头发的宽度小1000倍。
目前，研究团队正在探索同时多点打印的可能性，这将大大加快这一过程，以及以更高的分辨率和更小的比例进行打印。同时他们也在探索使用上转换纳米胶囊的其他应用，通过将不可用的低能光转换成太阳能电池可收集的波长，将帮助提高太阳能电池板的效率。新技术也可用来帮助研究人员更精确地研究可用光触发的生物模型，甚至在未来提供局部治疗。
作者：张梦然 来源：科技日报
五
16种哺乳动物基因组分析证实
突变频率越高物种寿命越短
这是一个困扰科学家多年的谜团——为什么不同的动物有如此不同的寿命？人类可以活到80岁左右，而长颈鹿往往在24岁时死亡，裸鼹鼠的成年个体只有长颈鹿的两万三千分之一，但它可活到25岁。这表明，除了体型之外还有其他原因影响寿命。近日发表在《自然》杂志上的一项研究，分析了从老鼠到长颈鹿的16种哺乳动物的基因组。研究证实，一个物种的寿命越长，基因突变发生的速度就越慢，每年发生的突变越少。
在生物体的整个生命周期中，体细胞突变发生在所有细胞中。这是一个自然的过程，人类细胞每年大约获得20到50个突变。这些突变中的大多数是无害的，但其中一些可能会使细胞走上癌变的道路，或者损害细胞的正常功能。
自20世纪50年代以来，人们就提出了这些突变在衰老中的作用，但直到现在，在实践中观察它们仍然有难度。其中一个长期存在的主要问题是“皮托悖论”，该悖论质疑为什么体型较大的动物尽管拥有更多的细胞，但患癌症的风险并不高。
在这项新的研究中，研究人员对16种哺乳动物的样本进行了全基因组测序，这些哺乳动物的寿命和身体大小各不相同，包括黑白疣猴、猫、牛、狗、雪貂、长颈鹿、港湾鼠海豚、马、人类、狮子、老鼠、裸鼠、兔子、大鼠、环尾狐猴和老虎。
分析显示，包括人类在内的所有物种的体细胞突变都是由类似的机制引起的。随着时间的推移，它们也呈线性积累，突变频率较高的物种寿命较短。例如，可长到约5.5米高的长颈鹿具有每年约99次的突变率，寿命约为24岁。与此同时，裸鼹鼠也具有非常相似的突变率，每年93次，相似的寿命约为25岁。而裸鼹鼠体型小得多，身长只有约12.7厘米。
研究人员从48个个体中收集了样本，统一从结肠隐窝组织中获取上皮细胞进行单细胞测序分析。他们发现，体细胞突变随着时间的推移呈线性积累，并且，尽管包括人类在内的所有物种的饮食和生活史天差地别，但突变是由相似机制引起的。
该发现为体细胞突变在衰老过程中可能起作用提供了证据，即随着每个物种寿命的延长，体细胞突变率下降。不过，这些发现并没有为“皮托悖论”提供答案——体细胞突变率和体重之间没有显著联系。
这项研究的第一作者、英国桑格研究所的亚历克斯·卡根博士表示，接下来的几年里会将这些研究扩展到昆虫或植物等更多样化的物种。
作者：张佳欣 来源：科技日报
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