Weltraumbiologische Technologien im Labor der Zukunft

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Technologie ist der Motor der biologischen Innovation. Die kontinuierliche Innovation neuer Technologien im vergangenen Jahrhundert hat zu einer kontinuierlichen Verbesserung unseres Verständnisses biologischer Systeme geführt. Auch in Zukunft werden Forschungslabore neue Technologien einsetzen, die Experimente ermöglichen, die bisher unmöglich waren: Neue Instrumente werden neue Experimente zur Routine machen. Da biologische Systeme aus räumlich organisierten Zellen bestehen, die jeweils eine bestimmte Kombination von Genen verwenden, die in ihrem genomischen Repertoire verfügbar sind, umfasst dies Technologien, die in der Lage sind, hochgradig multiplexierte Biomarkeranalysen an ganzen Geweben mit Einzelzellauflösung durchzuführen, wobei wir einen direkten Einblick geben. in Biologie.

Derzeit ist es üblich, nur wenige Biomarker gleichzeitig in biologischen Geweben zu messen (z. B. Immunfluoreszenzfärbung einer Hirngewebescheibe für ein einzelnes Protein), aber die meisten Techniken, die diese räumlichen Daten erfassen, haben kein ausreichend hohes Niveau. Bandbreite, um mehr als ein paar Biomarker wie RNAs oder Proteine ​​zu erfassen. Doch im Genom gibt es Zehntausende einzigartiger Gene. Die Messung eines einzelnen Gens liefert keinen klaren Hinweis darauf, was passiert, und unterscheidet nicht die Vielfalt der vorhandenen Zellen. Andererseits verlieren Experimente, die hochgemultiplexte Messungen durchführen, tendenziell den räumlichen Kontext im Prozess.

Dieser Mangel kann das Verständnis biologischer Komplexitäten erschweren. Glücklicherweise verspricht ein vielversprechendes Gebiet namens Weltraumbiologie, die Lücke zu füllen. Forscher auf diesem Gebiet beginnen nun damit, Technologien einzusetzen, die gleichzeitig die Anordnung vieler Proteine, RNA-Transkripte oder anderer Biomoleküle mit Einzelzellauflösung erfassen. Die Daten können verwendet werden, um alle Zellen in einem Gewebe räumlich zu profilieren, wodurch a Zellatlas die neue biologische Mechanismen aufdecken und als Referenzkarte für zukünftige Arbeiten dienen können. Während die heutigen Technologien noch nicht in der Lage sind, jedes Molekül in biologischem Gewebe zu identifizieren, werden zukünftige Fortschritte die Grenzen dessen, was mit weltraumbiologischen Experimenten möglich ist, weiter anheben.

Mit diesem Potenzial sind Einzelzell-Weltraumbiologie-Technologien bereit, in Zukunft ein integraler Bestandteil von Life-Science-Laboren zu werden. Durch die Erzeugung umfangreicher, qualitativ hochwertiger Daten werden diese Technologien den Wissenschaftlern der Zukunft eine neue, hellere Linse zur Interpretation ihrer Forschung bieten.

Je mehr Daten, desto besser

Betrachten Sie zwei Möglichkeiten, um ein komplexes biologisches System zu verstehen. Wenn wir ein makroskopisches biologisches System als Analogon nehmen, könnten wir daran arbeiten, ein Ökosystem wie den Regenwald von Grund auf zu verstehen, eine Pflanzenart nach der anderen, indem wir sorgfältig untersuchen, wie jede Pflanze wächst und mit der Umgebung interagiert. Andererseits könnten wir von oben nach unten arbeiten, indem wir das Ökosystem als Ganzes betrachten und dann verfeinern, wie das Ökosystem aus den einzelnen Pflanzenarten aufgebaut ist. Beim ersten Ansatz haben Sie zwar ein gründliches Verständnis der einzelnen Komponenten des Systems, es ist jedoch schwierig, ihre komplexen Wechselwirkungen zu rekonstruieren. Zweitens ist es schwer zu verstehen, wie jede Pflanzenart dann zum Gesamtökosystem beiträgt. Keiner der beiden Ansätze liefert direkt das vollständige Bild; Stattdessen kann das gleichzeitige Erfassen von genügend Informationen über alle Organismen im Ökosystem, um die Funktion jedes einzelnen zu verstehen, zu einem direkteren Verständnis führen.

Biologische Gewebe fungieren als Ökosystem, in dem verschiedene Zelltypen auf komplexe Weise interagieren, um das Ganze zu bilden. Um biologisches Gewebe vollständig zu verstehen, erfasst eine umfassende Ansicht unter Verwendung der räumlichen Biologie zum Profilieren von Zellen detaillierte molekulare Daten über jede einzelne Zelle und erfasst gleichzeitig Informationen über jede Zelle im Gewebe. Zelltypen können gemäß einer beeindruckenden Anzahl von Parametern variieren. Wie im Dschungel würden Wissenschaftler von der gleichzeitigen Analyse vieler Parameter profitieren, nicht nur um Zelltypen zu identifizieren, sondern auch um zu verstehen, wie die Physiologie einzelner Zellen von ihrer Umgebung beeinflusst wird. Diese Art von Daten kann durch eine Technik namens Multiplexing gewonnen werden, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Informationen über viele Ziele oder biologische Parameter in einem einzigen Experiment zu erfassen.

Viele aktuelle Weltraumtechnologien beinhalten Multiplexing-Strategien, aber diejenigen, die zum Nachweis der RNA-Expression entwickelt wurden, sind führend, wenn es darum geht, die Obergrenze für die Anzahl einzigartiger RNA-Spezies zu verschieben, die gleichzeitig nachgewiesen werden können. Derzeit können nur die fortschrittlichsten Massive Multiplexed-Techniken Hunderte Millionen Datenpunkte für Zehntausende von Biomolekülen in einem einzigen Experiment durch eine Kombination aus molekularem Barcoding und kombinatorischer Markierung erfassen. Im Labor der Zukunft wird dieses Multiplexing-Niveau jedoch typisch werden und es Wissenschaftlern ermöglichen, eine Momentaufnahme eines biologischen Systems zu machen und diese Informationen zu verwenden, um nach Mustern, Trends und Markern zu suchen, um molekulare Faktoren besser zu identifizieren, die Gesundheit und Gesundheit charakterisieren Ablehnen.

Holen Sie sich die ganze Geschichte mit höherer Auflösung und Empfindlichkeit

In Bezug auf biologische Systeme bieten die Lage und das Verhalten spezifischer Gen- und Proteintranskripte in einzelnen Zelltypen einen direkten Einblick in die Funktionsweise von ganzen Zellen und ganzen Organismen. Aus diesem Grund werden weltweit ständig neue Techniken zur Auflösung der Details und zum zuverlässigen Nachweis dieser interessierenden Moleküle erfunden und verbessert. In den kommenden Jahren werden Fortschritte in Optik und Bildgebung zu einer neuen Generation von Technologien führen, die ein direktes Fenster in die Zellbiologie und die Dynamik größerer biologischer Systeme öffnen werden.

Während die Bildgebung mit Einzelzell- und Subzellauflösung im heutigen Labor nicht ungewöhnlich ist, sind hochempfindliche Bildgebungstechnologien, die in der Lage sind, massiv gemultiplexte Daten mit Einzelzellauflösung zu erfassen, äußerst selten. Eine aktuelle Technologie, die diese Kriterien erfüllt, ist SCHEISSE (Multiplexed Error-Resistant Fluorescence In Situ Hybridization), eine quantitative Technik, die Hunderte Millionen einzelner RNA-Transkripte von Hunderten von Genen in ganzen Geweben in einem einzigen Instrumentendurchgang räumlich nachweisen kann – einschließlich Genen, die auf sehr niedrigem Niveau exprimiert werden. Während diese Technologie gerade erst ihren Weg in die heutigen Genomiklabors findet, könnte die MERFISH-Technologie in den kommenden Jahrzehnten zu einem führenden Werkzeug für die Durchführung von räumlichen Genomikstudien an Einzelzellen werden. Darüber hinaus werden Einzelzelltechnologien zum Nachweis von Proteinarten und Stoffwechselzuständen einen höheren Durchsatz erreichen und eine höhere Auflösung erreichen, wodurch sie in der Lage sind, ihre eigenen massiv gemultiplexten Daten zu produzieren.

Sobald diese Technologien verfügbar sind, werden die Labore der Zukunft wahrscheinlich mit mehreren Instrumenten ausgestattet sein, die in der Lage sind, verschiedene Arten von hochgradig gemultiplexten räumlichen Daten zu erfassen, was ein Maß an Klarheit bietet, das eine neue Ära der biowissenschaftlichen Forschung einleiten wird.

Zugängliche Technologie

Es wird zunehmend anerkannt, dass multidisziplinäre Forschung solide Daten hervorbringt. Wissenschaftler mit unterschiedlichen Fachgebieten, Perspektiven und Herangehensweisen bringen alle etwas Neues und Wertvolles auf den Tisch. Im Labor der Zukunft werden Instrumente, die massiv gemultiplexte Einzelzelldaten erzeugen, für Forscher aus vielen Disziplinen zugänglich sein, auch für solche ohne umfassende Erfahrung in der Durchführung von Weltraumexperimenten. Um mit der Datengenerierung Schritt zu halten, werden Fortschritte in der Datenwissenschaft es einfacher machen, die riesige Menge an Informationen zu speichern und zu verarbeiten, die von diesen Technologien generiert werden. Mit immer größer werdenden Datenmengen wird die Rolle des Data Scientists und Computational Biologists wichtiger denn je. Ihre Arbeit zur Entwicklung neuer Wege zur Analyse von Massive-Multiplex-Experimenten und zum Vergleich der Ergebnisse mehrerer Experimente und Plattformen zur Analyse von RNA, Proteinen und metabolischen Zielen wird maßgeblich zur Weiterentwicklung des Feldes beitragen.

Die Zukunft wird hier sein, bevor wir es wissen

Im Nachhinein hat es gedauert 13 Jahre erste Sequenzierung des menschlichen Genoms; jetzt hat eine Gruppe in Stanford das Gleiche in etwas mehr Zeit getan 5 Stunden. Dies wurde durch neue Technologien und neue fortschrittliche Laborinstrumente erreicht. Das Gebiet der räumlichen Genomik folgt dem gleichen Weg. Angesichts der wachsenden Rolle der Weltraumbiologie in Forschung und Medizin werden Technologien, die in der Lage sind, Einzelzell-Rauminformationen bereitzustellen, in den kommenden Jahrzehnten in Life-Science-Labors an Bedeutung gewinnen.

Um Schritt zu halten, wird das Labor der Zukunft Technologien umfassen, die in der Lage sind, mehr Daten mit höherer Auflösung schnell zu erfassen, was Forschern mit unterschiedlichen Fähigkeiten zugänglich ist. Die Datenwissenschaft wird Schritt halten und es Wissenschaftlern ermöglichen, große Datensätze einfach zu speichern und zu analysieren. Indem es in der Lage ist, hochauflösende räumliche Informationen routinemäßig abzufragen, um unbeantwortete Fragen zu beleuchten und Erkenntnisse über Disziplinen hinweg abzugleichen, wird das Labor der Zukunft die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftler über Biologie denken.