2024年1月22日，Nature杂志发表了题为“Seven technologies to watch in 2024”的文章，论述了七项对2024年科学创新具有重大影响的新技术 。

这些新技术包括：人工智能设计蛋白质、DeepFake检测、大片段DNA插入、脑机接口、超高分辨率显微成像、 细胞图谱和3D打印纳米材料。特别值得一提的是，3D打印技术在2024年因其显著的进步和广泛的应用前景，成功被《自然》杂志列为值得关注的技术之一。

01深度学习全新设计蛋白质

华盛顿大学的David Baker团队利用计算工具从零开始设计了一种新蛋白质，现在这项技术已成熟，能够定制生产酶和其他蛋白质。这项技术的进步得益于庞大的数据集，这些数据将蛋白质序列与结构联系起来，以及深度学习等人工智能方法的应用。

研究人员使用两种主要策略来设计蛋白质：基于序列和基于结构。基于序列的方法通过分析蛋白质序列来设计新蛋白质，而基于结构的方法更适合设计具有特定结构或功能的蛋白质。最近，一些先进的算法使用了“扩散”模型来形成生物学上可信的、用户定义的结构。例如，Baker实验室开发的RFdiffusion软件和Generate Biomedicines的Chroma工具成功应用了这些策略来设计新型蛋白质。这些技术允许精确设计蛋白质以与特定目标紧密结合，为工程化酶、转录调节器、功能性生物材料等开辟了新视野。

02Deepfake检测

随着生成性AI算法变得普及，制作逼真的虚假图像、音频和视频变得简单。这在多个地缘政治冲突和选举中可能被用于操纵媒体。专家们正在寻找方法来检测和拦截这些深度伪造内容。一个方法是在AI生成的内容中嵌入隐形水印。还有一些方法专注于检测视频中人脸特征替换的异常或其他编辑迹象。例如，一些工具能够识别被数字操纵的嘴部或与头部不匹配的面部。尽管存在挑战，但已经开发了一些工具箱和公共资源库来分析和识别深度伪造内容。这些工具的推广和使用可能有助于抵制深度伪造内容的传播，但抗击AI生成的虚假信息可能还需要持续很多年。

03大片段DNA插入

在2023年底，美国和英国监管机构批准了首个基于CRISPR的基因编辑疗法，用于治疗镰状细胞病和β-地中海贫血。CRISPR技术通常用于在实验室中关闭有缺陷的基因或引入小的序列改变。但将大片段DNA（数千核苷酸）精确地插入基因组较为困难。斯坦福大学的科学家Le Cong和他的团队正在研究一种从病毒衍生的分子，能帮助在人类基因组中精确插入长达2千碱基的DNA。另一种方法是麻省理工学院的基因工程师Omar Abudayyeh和Jonathan Gootenberg及其同事开发的PASTE技术，可以精确插入长达36千碱基的DNA。

这些方法不仅与人类健康相关。中国科学院的高彩霞领导的研究人员开发了PrimeRoot方法，它使用主要编辑技术在水稻和玉米中引入特定靶点，酶可以使用这些靶点插入长达20千碱基的DNA，提高作物的抗病能力。

04脑机接口

患有渐冻症（ALS）的Pat Bennett通过使用斯坦福大学开发的先进大脑-计算机接口（BCI）设备，恢复了说话能力。这项技术通过在她大脑中植入电极并利用深度学习算法将神经活动转换为语言，使得她能够以每分钟62个单词的速度说话。

脑机接口技术使Pat Bennett恢复了语言能力

这只是近年来多项研究中的一项，展示了BCI技术如何帮助有严重神经损伤的人恢复失去的技能，提高他们的独立性。研究人员也在使用人工智能帮助解读患者想要表达的内容。例如，一项研究使因中风而无法说话的女性通过BCI设备以每分钟78个单词的速度交流。除了帮助恢复语言能力，BCI技术还在其他方面取得进展，如帮助四肢瘫痪者控制机器手臂。随着这些技术的发展，它们有望治疗更多类型的认知障碍和心理健康状况。

05超高分辨率显微镜

斯特凡·赫尔、埃里克·贝齐格和威廉·莫纳因提高光学显微镜的分辨率而获得2014年诺贝尔化学奖，他们的技术使得显微镜可以观察到纳米级的细节。

RESI的成像技术可以实现DNA中单个碱基对的成像

最近，研究人员正在进一步提高这种技术的分辨率。2023年，德国普拉内格马克斯·普朗克生物化学研究所的纳米技术研究员 Ralf Jungmann 团队开发了一种序列成像（RESI）的增强分辨率的方法，可以分辨出DNA链上的单个碱基对，使用标准的荧光显微镜实现了埃级分辨率。此外，由阿里·沙伊布和西尔维奥·里佐利领导的团队开发的一步纳米级扩展（ONE）显微镜技术，虽然分辨率稍低，但能直接成像单个蛋白质的微妙结构细节。这些技术未来可能有助于深入了解生物分子的结构和疾病的诊断。

06细胞图谱

想象一下，如果像使用谷歌地图找咖啡馆一样，能在复杂的人体内部导航。多个细胞图谱项目——依靠单细胞分析和“空间组学”方法的进步——正在接近实现这一目标，为生物学家提供他们渴望的全身细胞地图。其中最大也最雄心勃勃的项目是人类细胞图谱（HCA），于2016年由Sarah Teichmann和Aviv Regev发起。它汇集了来自近100个国家的约3000名科学家，使用来自10000名捐赠者的组织。HCA是更广泛的细胞和分子图谱生态系统的一部分，其中包括由美国国立卫生研究院资助的项目，以及由艾伦研究所资助的艾伦脑细胞图谱。

人类肺部的细胞图谱展示了不同类型的细胞以及其调节方式

这些项目部分得益于单细胞水平分子分析工具的开发和商业化。例如，Snyder的团队使用10X Genomics的Xenium平台进行空间转录组学分析，可以每周在4个组织样本中同时检测约400个基因的表达。其他技术还允许在同一细胞中同时分析多种分子类别。去年，这些技术在生成特定器官的图谱方面取得了显著进展。例如，HCA发布了有关人类肺部的综合分析，揭示了疾病如肺纤维化、不同肿瘤甚至COVID-19中的变化。尽管还有很多工作要做，Teichmann估计HCA至少还需要五年才能完成。但完成后，这些图谱将是极其宝贵的，有助于指导特定组织和细胞的药物靶向，以及了解细胞微环境如何影响复杂疾病的风险和成因。Snyder表示，虽然短期内不太可能解决这些问题，但它们是推动整个领域发展的重要动力。

073D打印纳米材料

在纳米尺度上，可以制造出具有特殊特性的轻质材料，比如更强的强度和改进的能量存储。为精确制造这类纳米材料，目前存在几种策略，其中大多数使用激光诱导光敏材料的图案化“光聚合”，在过去几年中，科学家们在克服这些方法更广泛应用的限制方面取得了显著进展。

研究人员使用水凝胶制作了微观金属结构。图片来源：Max Saccone/Greer实验室

速度是一个挑战，但最近的技术改进使得制造速度大幅提高，同时保持了纳米级精度。另一个挑战是，并非所有材料都能通过光聚合直接打印，例如金属，不能直接通过这种方式制造。为此，科学家们开发了新方法，如使用水凝胶作为模板，然后用金属替换这些模板来制造纳米结构。最后一个障碍是经济因素，很多光聚合方法中使用的基于脉冲激光的系统价格高达50万美元。但是，正在出现更经济的解决方案，比如使用比标准脉冲激光更便宜、更紧凑且功耗更低的连续激光。

注：本文由资源库编译，原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00173-x