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脑机接口技术使硬化症患者能够重新说话。图片来源：斯坦福大学
RESI可对DNA中单个碱基对成像。
图片来源：MPIB
人肺细胞图谱描述了不同细胞类型及其调控方式。图片来源：《自然》网站
使用水凝胶制作的微型金属结构。
图片来源：加州理工学院
从蛋白质设计到3D打印，从大片段DNA插入到检测深度伪造内容……《自然》网站22日发布了2024年值得关注的七大技术领域，并指出人工智能的进步是这些最令人兴奋的技术创新应用的核心。
深度学习助力蛋白质设计
从头设计蛋白质已经成熟为一种实用的工具，用于生成定制的酶和其他蛋白质。在这背后，深度学习功不可没。
其中，“基于序列”的算法使用大型语言模型，能够像处理包含多肽“单词”的文档一样，通过处理蛋白质序列辨别出真实蛋白质结构背后的模式。例如西班牙巴塞罗那分子生物学研究所开发的ZymCTRL，能利用序列和功能数据设计出天然酶。
基于结构的算法也不遑多让。美国华盛顿大学研究团队使用RFdiffusion设计的新蛋白质可与目标表面“完美吻合”，而更新版本的RFdiffusion能使设计者计算蛋白质的形状，为编码酶、转录调节剂、制造功能性生物材料等开辟了新途径。
围追堵截“深度伪造”内容
生成式AI可在几秒钟内凭空创造出有说服力的文本和图像，包括所谓的“深度伪造”内容。
一种解决方案是生成式AI开发人员在模型输出中嵌入水印，其他策略侧重于对内容本身进行鉴定，通过算法识别替换特征边界处的伪影等。
在工具的可获得性方面，美国国防部高级研究计划局的语义取证计划开发了一个有用的“深度伪造”分析工具箱。美国水牛城大学研究团队也开发了算法库DeepFake-O-Meter，其能从不同角度分析视频内容，找出“深度伪造”内容。
大片段DNA嵌入再接再厉
美国斯坦福大学正在探索单链退火蛋白，其能将拥有2000个碱基的DNA精准嵌入人类基因组。其他方法利用基于CRISPR的先导编辑技术，将大片段DNA精确地嵌入基因组中。2022年，麻省理工学院研究人员首次描述了通过位点特异性靶向元件进行可编程添加，精确嵌入多达36000个碱基的DNA。
中国科学院遗传发育所研究员高彩霞领导的团队开发了PrimeRoot。这种使用先导编辑的方法能在水稻和小麦中嵌入多达2万个碱基的DNA。这项技术可赋予作物抗病性和病原体抗性，延续基于CRISPR的植物基因组工程的创新浪潮。
脑机接口快速发展
美国斯坦福大学科学家开发出一种复杂的脑机接口设备。他们在肌萎缩性侧索硬化症患者的大脑中植入电极，然后训练深度学习算法。经过几周训练，患者每分钟能说出62个单词。
过去几年开展的多项此类研究，证明了脑机接口技术可帮助患有严重神经损伤的人恢复失去的技能，并实现更大的独立性，包括深度学习在内的AI技术在其中发挥了重要作用。
加州大学旧金山分校研究团队研制出一款脑机接口神经假体，能让因中风而无法说话的人以每分钟78个单词的速度交流。匹兹堡大学研究团队将电极植入一名四肢瘫痪者的运动和体感皮层，以提供对机械臂的快速、精确控制以及触觉反馈。脑机接口公司Synchron也在进行实验，以测试一种允许瘫痪者控制计算机的系统。
分辨率精益求精
科学家正在努力缩小超分辨率显微镜与结构生物学技术之间的差距。这些新方法能以原子级分辨率重建蛋白质结构。
2022年，德国科学家借助名为MINSTED的方法，使用专用光学显微镜，能以2.3埃的精度解析单个荧光标记。
较新的方法则使用传统显微镜来提供类似的分辨率。2023年，马克斯·普朗克生物化学研究所开发的序列成像方法可分辨DNA链上的单个碱基对，用标准荧光显微镜展示了埃米级分辨率；德国哥廷根大学开发出“一步纳米级扩展”显微镜方法，可直接成像单个蛋白质和多蛋白复合物的精细结构。
全组织细胞图谱呼之欲出
各项细胞图谱计划正取得进展，其中最引人注目的是人类细胞图谱。HCA包括人类生物分子图谱、细胞普查网络以及艾伦脑细胞图谱。
去年，数十项研究结果纷纷出炉。6月，HCA发布了对人类肺部49个数据集的综合分析。《自然》杂志发布文章介绍了HuBMAP的进展，《科学》杂志也发布了详细介绍BICCN工作的文章。
不过，HCA至少还要5年才能完成。届时，其将为人类带来巨大利益，科学家可使用图谱数据来指导组织和细胞特异性药物的研发。
纳米材料3D打印持续改进
科学家目前主要借助激光诱导光敏材料的“光聚合”来制造纳米材料，但这项技术也面临这一些亟待解决的障碍，如打印速度、材料限制等。
在提升速度方面，2019年，香港中文大学研究团队证明，使用2D光片而非传统脉冲激光器来加速聚合，可将制造速率提高1000倍。
并非所有材料都可通过光聚合直接打印。2022年，加州理工学院团队找到了巧妙的解决方法：将光聚合水凝胶作为微尺度模板，然后将其注入金属盐并进行处理。这一方法有望利用坚固、高熔点的金属和合金制造出功能性纳米结构。
发布时间：2024-01-25 13:00
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