基因編輯更快更準更簡略

　　1973年，斯坦利·N·科恩(Stanley N. Cohen)和赫伯特·W·博耶(Herbert W. Boyer)找到了轉變生物體基因組的體例，勝利將蛙的DNA拔出到細菌中。20世紀70年月末，博耶的基因泰克(Genetech)公司對大腸桿菌停止基因改革，使其帶有一小我源基因(這個基因是野生分化的)，最初出產出醫治糖尿病的胰島素。很快，加利福尼亞州拉霍亞的索爾克生物研討所)的迷信家培育出了第一只轉基因小鼠。

　　20世紀70年月，迷信家就找到了轉變生物體基因組的體例，但這些體例不甚切確，并且難以用于量產。因此，良多基因潤色測驗考試依然既堅苦又高貴。

　　此刻，一種名叫CRISPR的新手藝，或許將完整改革基因組編輯。這一手藝源自細菌的免疫進攻體系，比傳統體例更疾速、更自制、更簡略。貿易化的CRISPR手藝公司己經吸收到了大批資金。

　　研討職員已起頭摸索，若何將CRISPR手藝支配于艾滋病、精力割裂癥等多種疾病的醫治。可是，由于CRISPR能很是等閑地轉變植物、蟲豸和人類的基因組，倫理學家耽憂這會激起一些負面效果。

　　基因工程范疇獲得的這些龐大成績轉變了古代醫學的歷程。可是，早期的基因改革體例有兩大范圍：不甚切確，并且難以量產。那時，DNA拔出基因組的步履是隨機的，迷信家只能乞求好運，但愿自身能獲得一個有效的漸變。1990年，研討職員獲得了逾越式的前進。他們假想出能在特定位點對DNA停止剪切的卵白，沖破了第一個范圍。可是，每想要點竄一段DNA序列，他們都必須假想一個新的卵白，這類使命很是耗時，并且很是艱辛。

　　時辰終究到了2012年。瑞典于默奧大學的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶和加利福尼亞大學伯克利分校的珍妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)率領的研討職員報道，他們在細胞中發明了一種遺傳機制，能讓迷信家之史無前例的速率編輯基因組，并且進程很是簡略。爾后未幾，哈佛大學和麻省理工大學的一個課題組支配這類手藝，一次性地對細胞基因組的多個位點停止了點竄。

　　這類前進前輩的手藝已加速了基因工程財產的成長，對遺傳學和醫學也有深遠的鞭策感化。迷信家此刻只要幾周時辰，就能夠或許或許或許或許或許按需定制出顛末基因改革的測驗考試植物，省去了疇前一年的使命量與時辰。今朝，研討職員正在支配該手藝，摸索艾滋病、阿爾茨海默病、精力割裂癥等疾病的醫治體例。該手藝將生物體的基因潤色進程變得相稱簡略與自制，研討職員和倫理學家乃至起頭耽憂，這會催生負面效應。

　　這類手藝名叫CRISPR，是“clustered，regularly interspaced，short palind romicrepeats”(即成簇、紀律間隔的短回文反復序列)的縮寫。支配這類序列，細菌能夠或許或許或許或許或許對侵襲過它的病毒產生“影象”。自從日本迷信家20世紀 80年月末發明CRISPR以后，迷信家就一向在研討這類奇異的基因序列。可是，直到杜德娜和卡彭蒂耶偶爾注重到一種名叫Cas9的卵白，CRISPR才顯現出它作為基因組編輯工具的龐大潛力。

　　2011年，杜德娜和卡彭蒂耶在波多黎各圣胡安的一次迷信集會上領會。他們有良多配合點：他們的團隊都在研討細菌進攻病毒入侵的機制;他們都已確認，細菌能夠或許或許或許或許或許記著之前入侵過自身的病毒的DNA，以此來辨認病毒，當該病毒再次入侵時，它們就會當即認出“仇敵”。

　　那次集會后未幾，卡彭蒂耶和杜德娜決議協作。那時，卡彭蒂耶在于默奧大學的測驗考試室方才發明，鏈球菌仿佛會用Cas9卵白來“搗碎”沖破其細胞壁的病毒。因而，杜德娜在伯克利的測驗考試室，也起頭探討Cas9卵白的感化機理。

　　良多迷信發明的面前都有連續串巧事，CRISPR的故事也不破例。卡彭蒂耶測驗考試室的不日什托夫·黑林斯基(Krzysztof Chylinski)和杜德娜測驗考試室的馬丁·伊內克(Martin Jinek)在鄰接的城鎮長大，說著一樣的波蘭方言。杜德娜說：“他們起頭經由進程Skype談天。兩人一拍即合，而后就起頭分享數據、會商做測驗考試的設法。這個名目就如許正式起頭了。”

　　兩個測驗考試室的迷信家都熟悉到，他們或許能夠或許或許或許或許或許用Cas9卵白來停止基因組編輯。基因組編輯是基因工程中的一種體例，酶是這一進程中的“份子鉸剪”，能夠或許或許或許或許或許剪切DNA。這類酶名叫核酸酶(nuclease)，能在特定的位點堵截雙鏈DNA。DNA斷裂后，細胞會對斷裂位點停止修復。偶然，細胞中一些報酬導入的基因片斷，會在修復的進程中拔出這些位點。杜德娜和卡彭蒂耶剛起頭協作的時辰，迷信家若是想轉變或封閉一個基因，最前進前輩的體例，是定制一種能找到特定DNA位點并對其停止切割的酶。換句話說，每潤色一次基因，迷信家都不得不假想一種新的卵白，特地針對想要潤色的DNA序列。

　　但杜德娜和卡彭蒂耶熟悉到，Cas9卵白——這類鏈球菌用于免疫防守的酶，會用RNA來指導自身找到方針DNA。為了探測感化位點，Cas9-RNA復合物會在DNA上不停“彈跳”，直到找到準確的位點。這一進程看似隨機，實在不然。Cas9卵白的每次彈跳，都是在搜刮同一段短小的“旌旗燈號”序列。Cas9會附著到DNA上，檢測臨近的序列是不是和充任率領的RNA婚配。這類RNA叫做率領 RNA(guide RNA，簡稱gRNA)，而只要當gRNA和DNA婚配時，Cas9卵白才會對DNA停止切割。若是能將這套天然的RNA率領體系支配起來，研討職員在切割DNA位點時，就不必每次都構建一種新的酶了。基因組編輯能夠或許或許或許或許或許會因此變得更簡略、更自制，也更有效。

　　這個高出大泰西的團隊一路對Cas9卵白停止了幾個月的研討，并且獲得了沖破。杜德娜還能清晰地記起阿誰時辰。他們的測驗考試室座落在伯克利校園邊緣一個綠樹成蔭的山坡上，劈面便是希臘劇院，彼時還在做博士后研討的伊內克一向那邊在對Cas9卵白停止測驗考試。一天，他來杜德娜的辦公室會商測驗考試功效。面臨伊內克和黑林斯基一向在會商的一個題目，他們墮入了尋思：在天然界中——也便是在鏈球菌體內，Cas9卵白倚靠的不是一個，而是兩個RNA，來指導自身尋覓DNA上的準確位點。

　　若是在保留其率領功效的條件下，將兩條gRNA整分化一條RNA鏈，功效會若何樣呢?若是只要潤色一個RNA序列，研討職員的使命速率將會獲得極大的晉升。 gRNA序列與方針DNA序列之間存在精巧的互補干系，支配這類干系構建一條gRNA，比定制一個核酸酶更輕易。

　　“看著這些數據，咱們俄然就開竅了——這類使命常常產生，”杜德娜說道，“咱們熟悉到，實在能夠或許或許或許或許或許將這些RNA份子假想成一條gRNA。一套由一個卵白質和一條 gRNA構成的體系，就足以成為一個壯大的基因潤色工具。我打了個寒戰，心想，‘天哪，我要從速跑到測驗考試室去，若是這能勝利的話……’”

　　他們真的勝利了。功效超越了杜德娜的假想(固然她原來就抱有很高的等候)。2012年8月17日，當杜德娜和卡彭蒂耶將他們對CRISPR-Cas9的研討功效公諸于眾時，該范疇的迷信家當即熟悉到這一手藝的變更性氣力，他們都想曉得CRISPR-Cas9事實能做甚么，一場環球性比賽由此拉開尾聲。

　　CRISPR 是若何使命的?CRISPR是細菌的“兵器”，它能“搗碎”入侵細菌的病毒的DNA。迷信家能夠或許或許或許或許或許支配這套工具，轉變他們想要潤色的DNA序列。和疇前的基因組編輯體例差別，CRISPR體系接納一個通用酶——Cas9來履行剪切。研討職員須要做的統統，便是建造一個gRNA來指導Cas9，而分化一條 RNA，遠比分化一個酶加倍輕易。

　　2013年之前，研討職員一向在測驗考試將CRISPR-Cas9支配于植物和植物細胞——它們比細菌要龐雜良多。在他們看來，這和新生尼安德特人與猛犸象一樣沖動聽心。在哈佛大學，遺傳學家喬治·丘奇(George Church)率領的團隊用CRISPR手藝來轉變人類基因，為疾病的醫治供給了多種能夠或許或許或許或許或許性。

　　CRISPR-Cas9很快成了投資的熱點。一年多之前，杜德娜聯手丘奇、麻省理工學院的張峰和其余研討職員，配分化立了愛迪塔斯醫藥公司(EditasMedicine)，他們獲得了4300萬美圓的危險投資，用以開辟一類新的、基于CRISPR的藥物(該公司還不流露他們起首對準的是哪類疾病)。2014年4月，獲得2500 萬美圓投資的CRISPR醫療公司(CRISPR Therapeutics)在瑞士巴塞爾和英國倫敦成立，他們的方針也是開辟基于CRISPR的疾病療法。愛迪塔斯醫藥公司和CRISPR醫療公司都須要多年時辰，能力開辟出響應的療法，可是，測驗考試室的供貨商們已在向天下各地的客戶發賣能夠或許或許或許或許或許當即用于植物打針的CRISPR資料，并起頭為客戶定制經 CRISPR改革的小鼠、大鼠和兔子。

　　本年，我在一個濕潤的夏季訪問了位于圣路易斯的SAGE測驗考試室(SAGELabs)，它是第一批獲準支配杜德娜的CRISPR手藝來改革嚙齒類植物的公司之一。在那邊，我能親目睹識CRISPR是若何起感化的。SAGE測驗考試室向約莫20家頂級制藥公司，和浩繁高校、研討所和基金會供給測驗考試資料。英國劍橋的生物手藝公司地平線發明團體(Horizon Discovery Group)早前也已自力涉足CRISPR產物的研發;2014年9月，他們又以4800萬美圓收買了SAGE測驗考試室。SAGE測驗考試室位于一個財產園區內，建在一條馬路絕頂的一組低矮的辦公修建里。這里的迷信家收到一個來自測驗考試室的網上定單：加利福尼亞州薩克拉門托(Sacramento)的一個測驗考試室為研討帕金森病，訂購20只敲除Pink1基因的小鼠。修建新修的側樓耗資200萬美金，外面是為客戶定制的基因改革大鼠，和其余經CRISPR改革的嚙齒類植物。這些植物糊口在超凈、恒溫的籠子里，籠子整整潔齊地放在一路，從地板一向排到天花板。使命職員填寫定單、選出響應的20只大鼠，將它們悄悄地放在盒子里打包，而后空運到加利福尼亞——全部流程便是這么簡略。若是有人想要研討精力割裂癥或痛苦悲傷節制，也能夠或許或許或許或許或許如許訂購測驗考試植物。

　　不過，若是堆棧里不客戶想要定制的那種植物，流程就不一樣了。比方，有一個客戶想要研討帕金森病和一種新發明的可疑基因(或一個基因的特定漸變)之間的干系，當他到SAGE測驗考試室訂購嚙齒類植物的時辰，有幾個挑選。SAGE測驗考試室的迷信家能用CRISPR手藝“關掉”方針基因，建造一個漸變;他們也能夠或許或許或許或許或許關掉方針基因，而后再往里拔出一小我源基因。從帕金森病到囊性纖維化，再到艾滋病，良多疾病都和基因漸變有關。曩昔，迷信家須要一年時辰，能力培育出這些帶有龐雜基因漸變的測驗考試植物。但CRISPR差別于以往的基因組編輯手藝。支配這類手藝，研討職員能同時在細胞內疾速地轉變多個基因。培育基因工程植物的時辰已因此延長到幾周。

　　SAGE的員工起首支配化學試劑盒，分化客戶定制的DNA，和與這條DNA相婚配的RNA。他們將 RNA和Cas9卵白在培育皿里夾雜，一套具備基因組編輯功效的CRISPR工具就降生了。而后他們會花上約莫一周的時辰，用一種外形近似于掃描儀的儀器，測試該工具在植物細胞內的功效。這類儀器能夠或許或許或許或許或許發射電流，將CRISPR工具注入細胞。進入細胞的CRISPR工具會當即起頭使命，對DNA停止剪切，停止小量的基因拔出與刪除。CRISPR并非100%有效：在某些細胞里，它們會剪切DNA、建造漸變，在另外一些細胞里則完整不起感化。為了察看 CRISPR的表現事實若何，迷信家會從細胞中搜集DNA，將它們集合起來，并將方針位點四周的DNA片斷復制多個拷貝。他們會對這些DNA停止處置與闡發，而后檢查顯此刻電腦屏幕上的闡發功效。若是CRISPR勝利切開方針位點，建造出漸變，屏幕上就會顯現出一條恍惚的條帶，并且，CRISPR剪切過的 DNA越多，條帶就越敞亮。接上去，“疆場”轉移到了側樓的植物測驗考試室里。迷信家便是在這里建造出經基因改革的胚胎，和漸變過的嚙齒植物。生物學家安德魯·布朗(AndrewBrown)戴著內科手套、身穿藍色的長袍、戴著套鞋和疏松的帽子，哈腰伏在剖解顯微鏡前。他用玻璃移液管的尖端吸起一個大鼠胚胎，而后走到房間的另外一頭，將胚胎轉移至另外一臺裝無機器手臂的顯微鏡上。他將胚胎放到載玻片上的一滴液體里，牢固到臺面上。此刻，CRISPR就要闡揚它的魔力了：他用右手節制支配桿，一只機器手臂將一根空的玻璃針頭扎入胚胎。

　　從顯微鏡的目鏡看去，胚胎中來自雙親的兩個原核(pronucleus)就像是月球外表的環形山。布朗悄悄鞭策細胞，直到此中一個原核移到針尖的中間。他點擊電腦鼠標，一滴含有CRISPR的液體從針頭噴出，穿過細胞膜進入細胞。原核當即像一朵疾速怒放的花一樣收縮開來。布朗命運不錯，一個漸變細胞就此降生了。SAGE測驗考試室中有3個手藝員，他們一周 4天、一天300次地反復著這項使命。

　　布朗將完成打針的大鼠胚胎吸入移液管，移進培育皿，存儲在加熱至植物體溫的培育箱中。最初，他須要將30~40枚顛末潤色的胚胎打針到代孕母鼠體內。20天后，代孕大鼠將懷上5~20個“孩子”，當這些“孩子”長到10天大的時辰，SAGE測驗考試室的迷信家將抽取構造樣本，檢測哪一個“孩子”帶有改革過的基因。

　　“這是最使人沖動的時辰，”布朗說道。20 個胚胎中，能夠或許或許或許或許或許只要1個能被勝利改革，而改革勝利的植物，便是咱們所說的種源植物(founderanimal)。到了這一步，每小我城市慶賀一下。在咱們看來，SAGE測驗考試室的迷信家建造RNA、打針胚胎的體例仿佛很簡略，良多測驗考試室也在用一樣的步驟培育基因工程植物。正如SAGE的首席履行官戴維·斯莫勒(DavidSmoller)說的那樣，這是能夠或許或許或許或許或許“量產”的基因組編輯手藝。

　　CRISPR已英勇地踏上了貿易化的征途，研討職員和販子都在為這類手藝假想新的貿易用處，此中的某些設法乃至有些傲慢。支配這類手藝，大夫或許能夠或許或許或許或許或許在有身早期的婦女體內，改革與唐氏綜合征有關的很是染色體;育種職員能夠或許或許或許或許或許從頭向抗性雜草的基因組中引入對除草劑敏感的基因;咱們還能夠或許或許或許或許或許新生已滅盡的物種。這固然會讓有些人感到懼怕。比方，比來就有一些正告性的頭條報道，將這類手藝描寫為“表演天主的好體例”，或“瓶中妖”。這些文章耽憂，當咱們急于掙脫瘧蚊，太想治好亨廷頓病，或希冀“假想”出更好的嬰兒時，咱們也能夠或許或許或許或許或許是在締造一個布滿無害新基因的“侏羅紀公園”。

　　以哈佛大學研討職員提出的“滅蚊名目”為例。美國伍德羅·威爾遜國際學者中間的生物寧靜闡發師托德·庫伊肯(ToddKuiken)以為，降服瘧原蟲是一回事，但要覆滅這類寄生蟲的載體，倒是完整差別的另外一項使命。若是咱們的方針是肅除瘧疾這類每一年傳染兩億人、殺死60萬人的疾病，咱們就不得不謹慎，自身是不是會建造出10個新費事。“咱們必須想清晰，‘咱們真要如許做嗎?’若是謎底是‘是’，咱們有哪些可用的體系?有甚么樣的保障辦法?”

　　迷信家正在疾速步履，他們但愿預感CRISPR手藝最能夠或許或許或許或許或許的風險，并擬定應答辦法。2014年7月17日，當哈佛大學的團隊頒發一篇會商若何用CRISPR覆滅瘧蚊的論文時，他們也在號令公家對這一題目停止會商，他們也指出了基因改革在手藝與羈系上的逆境。該團隊的生物倫理學家讓蒂寧·倫斯霍夫(Jeantine Lunshof)說：“CRISPR的成長如斯迅猛，良多人還沒傳聞過這類手藝，可是咱們確切正在支配它。這是一種新景象。”此刻，在伯克利的立異基因組籌算)的框架下，杜德娜正在組建一個團隊，特地會商支配CRISPR的倫理題目。若是對倫理題方針耽憂，毀滅了人們對CRISPR的熱忱，效果將是不可假想的。比方，2014年6月，麻省理工學院的研討職員報道，他們間接從尾部向植物體內打針CRISPR，治愈了患酪氨酸血癥(tyrosinemia，一種的罕有肝臟疾病)的成年小鼠。這類疾病由一種漸變的酶引發。研討職員向小鼠體內打針了3種gRNA序列和Cas9卵白，和漸變基因的準確DNA序列。小鼠的每250個肝臟細胞中，就有1個拔出了準確的基因。接上去一個月，被“批改”的肝臟細胞興旺成長，終究代替了1/3的病變細胞——這足以使小鼠掙脫上述疾病。2014年8月，坦普爾大學(Temple University)的病毒學家卡邁勒·哈利利(Kamel Khalili)率領的研討職員報道，他們已用CRISPR在數小我類細胞系中對HIV病毒停止了剪切。

　　自上世紀80年月起，哈利利一向奮戰在匹敵HIV/AIDS的火線。對他來講，CRISPR是場不折不扣的反動。固然艾滋病醫治已獲得了龐大的前進，但明天的藥物僅僅能節制病毒，依然不能肅除疾病。不過，支配CRISPR，哈利利團隊已完整從細胞中清除HIV的完整DNA拷貝，將受傳染的細胞轉化了成無病毒細胞。并且，除“洗濯”已傳染病毒的細胞，CRISPR還能夠或許或許或許或許或許將一段病毒序列整合進未受傳染的細胞中，對其停止免疫——正如杜德娜和她的團隊在原始的細菌中察看到的那樣。你能夠或許或許或許或許或許將這類手腕稱作“基因疫苗”。哈利利說：“這是終究的醫治體例，若是你在兩年前問我，‘你能精準地切割人類細胞中的HIV嗎?’我能夠或許或許或許或許或許會說這很是堅苦。但此刻，咱們做到了。”經由進程悄悄地擠壓細胞，就能夠或許或許或許或許或許讓一些大份子或納米資料進入細胞，進而轉變細胞的運作。

　　可編程的細胞

　　假設人類能讓體內的細胞按照咱們的請求去運作，比方讓它們當令地分化胰島素，或去進犯腫瘤，那末良多安康題目將會水到渠成。不過，完成這一欲望并非易事。此刻遍及支配的體例是，支配病毒穿透細胞膜，對細胞停止干與干與，但如許會對細胞構成永遠性的粉碎。

　　2009 年，麻省理工學院的研討職員在不經意間處置了這一手藝堅苦。他們那時正測驗考試用顯微水槍向細胞注入一些大份子和納米資料。這些物資能夠或許或許或許或許或許轉變細胞的運作機制，同時又能保障細胞存活。化學工程師阿蒙·沙雷(Armon Sharei)發明，水槍的打擊使局部細胞的外形產生了長久的畸變。

　　使人受驚的是，當細胞的外形處于畸變狀態時，打針的物資勝利地進入到了細胞內。沙雷說道：“這讓咱們熟悉到，若是讓細胞在充沛短的時辰內產生形變，便可臨時降服細胞膜的障礙。”不論若何，顯微水槍還只是一種較為集約的體例，下一步使命是找到一種加倍暖和的體例來擠壓細胞。

　　為此，在顯微流控范疇的奠定人之一克拉夫·F·延森(KlavsF.Jensen)，和另外一位生物范疇的前鋒人物羅伯特·S·蘭格(RobertS.Langer)的率領下，沙雷開辟出了一種以硅和玻璃為材質的微芯片。這類芯片的外表，事后蝕刻了供細胞活動的通道，跟著細胞活動的標的方針，通道逐步收窄，直到細胞沒法持續向前前進。此時，被卡住的細胞因受擠壓而產生形變，細胞膜上便會顯現小孔。這些小孔的直徑，充沛良多可轉變細胞運作的介質經由進程，如卵白質、核酸、碳納米管等。

　　這項手藝乃至能將介質勝利引入懦弱的干細胞和免疫細胞中，這些細胞沒法承受之前那種擠壓體例的培植。“這項手藝合用的細胞品種之多，讓咱們都始料不迭，”沙雷先容道。

　　自這項手藝問世以來，沙雷地點的研討團隊已開辟出了16種合用于差別細胞的芯片。固然，還會有更多的芯片連續問世。并且，在現有每秒擠壓50萬個細胞的根本上，相干裝備的處置效力還將更上一層樓。該團隊已成立了一家名為“SQZ生物科技”的公司，將這項手藝推向市場。法國、德國、荷蘭及英國的科研職員無望很快用上該手藝。經由進程注入特別化合物，能夠或許或許或許或許或許使植物變得通體通明，這項手藝將成為生物醫學范疇成長的助推器。

　　通明植物

　　5 年前，維維安娜·格勒迪納魯(Viviana Gradinaru)還在神經生物學測驗考試室里，遲緩地處置著小鼠大腦切片的二維圖象，并將其分化為三維模子。一天，她慕名觀賞了“人體天下”標本展。全部展覽最使她沉迷的，是顛末塑化處置、完整的人體輪回體系。這件展品讓她深深感到，近似的處置體例能夠或許或許或許或許或許支配到她的研討范疇中，大大地前進測驗考試效力。

　　“構造剝離”觀點的提出已有100多年，但那時的體例，如支配溶劑浸泡等，效力很是低下，凡是也會粉碎標記細胞所需的熒光卵白。為了找到更好的處置體例，那時仍是研討生的格勒迪納魯，與已故神經免疫學家保羅·帕特森(Paul Patterson)測驗考試室的共事一路，睜開了相干研討。這些研討的方針是替換構造中的脂肪份子——恰是脂肪使得構造不通明。不過，他們必須找到一種可替換脂肪的物資，用以支持構造的布局。

　　終究，他們找到了適合的體例：起首對嚙齒類植物實行愉逸死，并將甲醛注入其體內，支配心臟將甲醛泵至植物滿身;以后，剝去植物的皮膚，從血管注入一種名為丙烯酰胺單體的紅色風趣化合物。丙烯酰胺單體可在植物體內成立一個具備支持感化的水凝膠網，代替植物構造內的脂肪，并使其顯現無色狀態;兩周以內，這類物資能夠或許或許或許或許或許使一只小鼠變得通體通明。

　　這類體例降生后未幾，他們便起頭測驗考試著繪制通明小鼠的完整神經搜集。通明器官讓他們胡想的不少研討都成為現實，比方分辯四周神經——這類人們疇前知之甚少的纖細神經束。再比標的方針通明小鼠尾部注入帶有熒光標記的病毒，察看病毒若何透過血腦樊籬進入小鼠的大腦。“把握這項手藝，就比方具備了洞察人間萬物的‘透視眼’，”格勒迪納魯先容道。通明器官一方面可下降測驗考試中報酬偏差的幾率，另外一方面可前進測驗考試效力，豐碩測驗考試數據，同時削減測驗考試植物的支配數目。格勒迪納魯情愿向任何有須要的測驗考試室供給她的水凝膠建造體例。下一步她將把這一手藝推行到癌癥和干細胞范疇的研討上。

　　簡略單純疾速的納米顯微鏡

　　一種能夠或許或許或許或許或許拍攝納米粒子的電子顯微鏡能疾速檢測藥物、爆炸物中的份子信息。

　　具備納米規范分辯率的電子顯微鏡已獲得了普遍支配，但其價錢動輒高達數百萬美圓，籌辦樣品也很是費事。對專業的研討型測驗考試室來講，如許的狀態還能夠或許或許或許或許或許接管，但若是要疾速掃描產物樣品，來檢查內置的微規范水印呢?

　　紐約大學物理學家戴維·格里爾(David Grier)和共事研制出的一種新型全息顯微鏡，就能夠或許或許或許或許或許處置這一題目。他們以商用蔡司(Zeiss)顯微鏡為根本，將它的白熾燈光源換成激光光源。激光照耀到待察看的樣品上，而后產生散射，構成由激光束和散射光相互干與而成的三維圖象(即全息圖)，并由攝像機錄下。

　　數十年以來，迷信家已能夠或許或許或許或許或許天生微規范物體的全息圖象，但從中提掏出有效的信息老是很堅苦。這便是格里爾這項發明的代價地點。他的研討小組編寫了一種軟件，能夠或許或許或許或許或許疾速求解描寫光在球體上散射的方程中的未知參數。這些參數中包羅了對散射物體的統統信息。由于這類顯微鏡具備納米級的分辯率，研討職員得以追蹤膠體中懸浮的粒子(比方涂料樣品中漂泊的納米珠)。同時，它的本錢只要電子顯微鏡的很是之一。

　　格里爾但愿這類儀器能夠或許或許或許或許或許供給一種疾速而經濟的體例，用來察看產物外部的單個粒子。假想一下，涂料桶或洗發水瓶中每滴液體都含有標注了產物出產信息的微粒——就像指紋一樣。格里爾還補充道，這類顯微鏡一樣輕易“讀”出“加蓋”在藥物、爆炸物及其余物品中的份子信息。

　　液體發電

　　唾液或許會成為醫用裝備的新能源。

　　默罕默德·穆斯塔法·侯賽因，這位沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的傳授，一生努力于極微型裝配的研發。他用一句話總結自身的研討：“小工具拉近了咱們與將來的間隔。”因而，當他在2010年動手研討高效、可再生的發電裝備，為偏僻地域的清水或醫療診斷供給充沛的能源時，他起首斟酌的身分便是玲瓏。不過，支配唾液驅動燃料電池，倒是他在研討起頭時完整不想到的。

　　這個“吐口唾沫”的點子來自于那時侯賽因測驗考試室的共事、那時正在攻讀博士學位的賈絲廷·E·明克(Justine E.Mink，現為陶氏化學公司的研討員)。那時，明克正測驗考試開辟一種能夠或許或許或許或許或許植入人體，安頓在胰腺四周監測糖尿病人血糖水平的微型裝配。微生物燃料電池—— 這類經由進程向細菌供給無機物(唾液中也富含無機物)，支配細菌代謝產生電流的體例映入了她的視線。可巧她和侯賽因的名目都能夠或許或許或許或許或許支配這類體例，因此兩人找來高導電性的石墨烯電極，在下面附著了唾液細菌，在一周以內，這些細菌產生了1微瓦(百萬分之一瓦)的電量。

　　固然1微瓦看起來微缺乏道，卻足以驅動諸如芯片、診斷工具、或是明克的糖尿病監測儀如許的微型裝備了。侯賽因此刻正與3D打印天然器官的公司協作，將他的燃料電池嵌入天然腎臟中，并經由進程各類體液為電池充電。他說這只是他雄偉方針的第一步，此后，他籌算贊助貧苦國度，支配財產燒毀物中的無機物來發電，并將電力用于海水淡化。

　　“原子積木”搭建別致資料

　　新資料的發明老是會增進人類文化的前進。這是鞭策人類社會從石器時期到青銅時期，再到鐵器時期，最初離開硅時期的能源。

　　樂高積木是一種很有魔力的塑料玩具，它不時地激起出一個又一個新創意。樂高積木的塑料組件體積很小，能按照差別體例組合到一路，從而變成奇異的汽車、假想奇妙的城堡和良多其余布局。而明天，新一代資料迷信家正受樂高積木的開導，將這類組合體例支配到納米天下。

　　這里的積木組件是一些層狀資料。這些資料最薄能夠或許或許或許或許或許到達唯一一層原子，能夠或許或許或許或許或許按照假想好的布局，以切確的挨次一層一層地疊加到一路。這類史無前例的緊密組合體例，能夠或許或許或許或許或許建造出全新的物資，這些物資具備史無前例的電學和光學機能。迷信家們進一步假想，能夠或許或許或許或許或許支配這些物資，建造出幾近不電阻的導電資料，運算能力更壯大、運轉更快的計較機，和可曲折、可折疊并且很是輕的可穿著電子器件。

　　這些沖破性的研討，是因石墨烯(graphene)的顯現才產生的。石墨烯是一種片狀布局的石墨新資料，厚度只要一個原子，其原子布局是一個個反復的六邊形，看起來就像鐵蒺藜圍欄一樣。2004年，我和英國曼徹斯特大學的共事從塊狀石墨上分手出了單層石墨片——石墨烯，支配的體例是支配膠帶從塊狀石墨頂層剝離出一片片1個原子厚的晶體。曩昔10年間，研討職員發明了幾十種能夠或許或許或許或許或許用這個體例剝離的塊狀晶體，并且如許的晶體愈來愈多。云母(Mica)便是此中的一種晶體，另有一些具備怪異名字的資料，如六方氮化硼和二硫化鉬。

　　這些晶體層被以為是二維資料，由于對任何資料來講，其最小厚度便是單個原子厚度(稍厚點的晶體，如3個擺布的原子厚度，也能夠或許或許或許或許或許看做是二維的)。而按照建造者的須要，晶體層的其余尺寸——寬度和長度，能夠或許或許或許或許或許很是大。由于二維晶體具備良多很是怪異的機能，在曩昔幾年里，它們已成為資料迷信和固體物理范疇很是熱點的話題。

　　咱們能夠或許或許或許或許或許將這些晶體層很是不變地疊放在一路。它們并不是按慣例體例經由進程化學鍵相連的，比方同享電子的共價鍵。當它們相互靠得很是近時，原子間會經由進程大師熟知的微小的范德華力相互吸收。這個力凡是不夠大，沒法將多個原子或份子聚合在一路，但由于這些二維晶體層的原子很是麋集，相互之間的間隔也很是近，因此這些力累加到一路，會變得很壯大。

　　為了懂得這類資料事實會帶來甚么誘人的能夠或許或許或許或許或許性，咱們能夠或許或許或許或許或許想一下室溫超導。要完成能干量喪失的電流傳輸，并且又不須要將裝備置于超高溫情況中，這一向是幾代迷信家的胡想。若是發明了能夠或許或許或許或許或許完成這個方針的資料，對人類文化必然會產生很是深遠的影響。研討職員的共鳴是，準繩上這個方針是能夠或許或許或許或許或許完成的，但不人曉得若何完成。到明天，超導資料的最高臨界溫度(超導資料從普通態轉變為超導態時的溫度)也要在-100℃以下。曩昔20年來，這方面的停頓很是無窮。

　　咱們比來發明，用我后面描寫的體例，能夠或許或許或許或許或許將良多氧化物(由最少一個氧原子和良多其余元素構成的化合物)超導體分化成厚度為1個原子的片層布局。若是咱們換一種挨次，將各層從頭組合，并且在中間增添一層其余晶體層，會產生甚么呢?咱們已曉得，氧化物的超導性依靠于層間間隔;咱們還曉得在晶面之間增添一層額定的晶體層，能夠或許或許或許或許或許將弱導電乃至絕緣資料變為超導體。測試這一設法的實在測驗考試還不完成，首要是由于，制備原子規范的“樂高資料”的相干手藝依然處于早期階段，并且將龐雜的多層布局組合到一路也很堅苦。

　　今朝，這些布局所含的差別晶體層很少能多于5種，普通只含兩種或3種差別的晶體層，普通是由石墨烯片與二維資料(絕緣體氮化硼、半導體二硫化鉬、二硒化鎢等)構成。由于這類重疊布局含有多種資料，常常被看做異質布局。它們此刻的尺寸都很是小，凡是長寬都只要10微米，比頭發的橫截面還小。支配這些重疊布局，咱們能夠或許或許或許或許或許經由進程測驗考試來摸索其別致的電學和光學機能和新用處。這些布局另有一個風趣的特征：它們不只很是薄，還很是柔嫩，并且通明。這就為制備多種外形的發光裝備供給了能夠或許或許或許或許或許：研討職員無機遇制備出可折疊的顯現屏，當支配者須要大一點的顯現屏時，就能夠或許或許或許或許或許將顯現屏睜開;也能夠或許或許或許或許或許制備出新的計較機芯片，耗能要比此刻的芯片低良多。

　　研討職員在研討這類新資料時，若是能有一些嚴重沖破，咱們信任，必然會成長出響應的大范圍制備手藝，以完成其財產支配。就像石墨烯和其余一些二維晶體資料那樣。最初制備那些資料時，僅能獲得幾微米大的微晶，此刻咱們已能夠或許或許或許或許或許獲得幾百平方米大的片狀資料。

　　今朝，還不人發明這類新資料有甚么轉變天下的“殺手級支配”，可是，這一范疇獲得的前進，已讓良多迷信家感到高興。新資料的發明老是會增進人類文化的前進。這是鞭策人類社會從石器時期到青銅時期，再到鐵器時期，最初離開硅時期的面前氣力。納米規范的“樂高積木”代表了人類從未建造過的新資料。此刻，咱們只能猜測將來的統統，但咱們信任，這類新資料帶來的能夠或許或許或許或許或許性將是無窮的。

　　聲波充電

　　2011年，美國賓夕法尼亞大學，那時仍是古生物學專業高年級先生的梅瑞狄斯·佩里(MeredithPerry)伸手去拿她的條記本電腦充電器。

　　俄然間，一個設法躍入了她的腦海：是不是有一天能拋開這些費事的充電線呢?她隨即起頭尋覓將這個設法變為現實的路子。

　　佩里領會到，已有基于磁共振和電磁感到的無線電力傳輸手藝了，但它們的傳輸間隔無窮。限定它們的是平方正比定律(inversesquarelaw)，即電磁輻射的強度與輻射源的間隔的平方成正比。

　　可是，機器振動卻不存在這個題目。支配壓電轉換器從氛圍中獲得振動能量，就能夠或許或許或許或許或許將機器能轉化為電能，這看起來是一個更好的主張。由于聲響實在便是振動的氛圍粒子，以是從現實下去講，它應當能夠或許或許或許或許或許傳輸能量。而寧靜、寧靜且高能的超聲波是個完善的挑選。

　　當佩里同本校傳授和其余專家會商時，良多人都以為這個設法不可行，由于沒法支配超聲波提掏出充沛的能量來為電子裝備充電;并且，若是她真要測驗考試的話，還會碰到大批的電子工程和聲學方面的題目。“可是，我曉得這在現實上是可行的，”佩里說，“并且不人能提出充沛的證據，證實這相對沒法完成。”以是，她找到了uBeam公司，來研發這項手藝。

　　今朝，他們已開辟出了uBeam發射機的原型樣機。它相稱于一臺定向揚聲器，能夠或許或許或許或許或許將超聲波聚焦，產生一個能量“核心”;與電子裝備相連的領受器擔任領受這股能量，并將其轉化為電能。她籌算在兩年內推出第一批產物。

　　佩里說，通用無線充電體系不只能讓咱們不必再照顧今朝百般百般且互不兼容的電線和充電器，還能夠或許或許或許或許或許保障挪動裝備在停止高耗電支配時不會用盡電量。掙脫電線的束厄局促，還能帶來極新的室內裝修假想思緒。另外，今朝載有繁重輸電線纜的飛機、汽車、太空船等運載工具，分量也能夠或許或許或許或許或許大幅下降。

　　“總的來講，無線充電手藝將完整轉變咱們與物資天下的感化體例，”佩里說，“咱們將不再受制于電源插座。”

　　貯存熱能的電池

　　基于熱耦合效應的新型電池，能夠或許或許或許或許或許將白白散失的熱能轉化為電能，這一手藝具備龐大的支配遠景。

　　在財產出產中，每一年都有100億瓦特的電量以熱能的情勢被華侈掉了，而這些能量充沛為1000萬戶家庭供給照明用電。經由進程熱電效應(thermoelectriceffect)，就能夠或許或許或許或許或許支配溫差發電，把這類熱能轉化為電能。可是，如許也只能支配此中的一局部。麻省理工學院的博士后研討員楊遠(YuanYang)詮釋道：這是由于幾十年來的研討都標明，須要到達500℃以上的溫差，能力產生出具備現實支配代價的能量。可憐的是，據美國情況掩護局(Environmental Protection Agency)的估量，在美國每一年華侈的能量中，有三分之一都因此低于100℃的溫度逃逸掉的。

　　楊遠和他的導師、斯坦福大學的陳剛(Gang Chen)，和博士后研討員崔屹(Yi Cui)和李碩祐(Seok Woo Lee)一道，研發出了一種溫差僅為現實值1/10(低至50℃)的發電手藝。這類手藝的關頭是支配了熱耦效應(與熱電效應有近似的地方)。在這個進程中，資料全體的溫度都隨電壓而變更，而非僅在電池中產生溫度差。研討團隊支配不帶電的電池芯，配以銅電極，在高溫時停止充電，而后再讓它們冷卻——奇異的使命產生了，電池的放電電壓比為它們充電時所用的電壓更高。換句話說，用于加熱電池的能量被電池以電能的情勢搜集了起來。

　　直到近兩年，電池電極的效力才到達能將如斯小的溫差轉化為電能的水平，楊遠先容說。并且在完成貿易化前，這項手藝還須要良多的研討使命來進一步完善。可是，人們早晚會建起由大批電池組筑起的“圍墻”，環抱在工場煙囪或發電廠的四周，將以往白白華侈掉的熱能轉化為電力。“這一場景很是誘人，”楊遠說，“由于被華侈掉的熱能到處可見。”

　　新型聚合物“泰坦”

　　環保、高強度、可自我愈合、可收受接管的聚合物，將轉變汽車、飛機等諸多行業。

　　當化學家珍妮特·加西亞(Jeannette García)在比來用過的一個燒瓶里，發明了一塊糖果巨細的紅色資料時，她壓根不曉獲得自身做出了甚么工具。這類資料牢牢附著在玻璃上，以是只能用錘子打壞燒瓶才將其掏出。可是，當她再次用舉起錘子，去敲打這塊資料自身時，后者卻毫發無損。“當熟悉到它的有多堅忍時，我就曉得必須要弄清晰我事實做出了甚么工具，”加西亞說。

　　加西亞是IBM公司阿爾馬登研討中間的迷信家。終究，她在幾位共事的贊助之下解開了這個謎團。他們發明，這類使人受驚的資料是一類新型熱固性聚合物。這是一類極其堅忍的塑料，能用于從智妙手機到飛機機翼等浩繁產物中。固然在環球每一年出產的聚合物中，熱固性資料就占到了三分之一，可是它們很難被收受接管支配。而加西亞發明的新資料(被稱為“泰坦”)，是今朝為止發明的第一種可收受接管的、具備財產級強度的熱固性資料。

　　傳統熱固塑料沒法收受接管重塑，而上述新型聚合物能夠或許或許或許或許或許經由進程化學反映停止從頭加工。在2014年5月的《迷信》(Science)雜志上，加西亞和共事先容了他們的發明。

　　估計，環球對耐用且可收受接管的塑料產物的須要將很快大幅爬升。到2015年，歐洲和日本都將請求廠家在出產汽車部件時，可收受接管資料的比例要到達95%。“‘泰坦’恰好能夠或許或許或許或許或許完善地知足這類須要，”加西亞說。另外，她信任這類新資料終究還能推行到更普遍的支配中，包羅抗蝕抗菌涂層、給藥裝備、粘結劑、3D打印、水污染范疇等。

　　“泰坦”另有其余長處。加西亞和共事發明，這類資料另有第二種形狀——在高溫時，它會顯現出可自愈合、近似凝膠的形狀。這類形狀被研討職員稱為“海德魯”(Hydro，意為水)。“若是將海德魯切成兩半，再放回一路，它們會當即相互粘結，”加西亞先容說。如許， “泰坦”就能夠或許或許或許或許或許用作粘合劑，或自修復涂料，其余相干的化學產物也將連續被開辟出來。“(咱們發明的)不只僅是一種新型聚合物，并且仍是一種新的聚合物天生反映。”加西亞說。