科學家現在可以拍攝完整組織樣本中數千個基因表達的位置和方式的快照，樣本範圍從人腦切片到果蠅胚胎。
這項技術，今天在《科學》雜誌上報道，可以將顯微鏡載玻片變成一種工具，用於建立資料豐富的三維地圖，展示細胞如何相互作用——這是理解癌症等疾病起源的關鍵。該方法還具有更廣泛的應用，例如，使研究人員能夠建立獨特的分子“條形碼”，以追蹤大腦中細胞之間的連線，這是美國國立衛生研究院 人類連線組計劃 的既定目標。
以前，分子生物學家對基因表達的空間檢視有限，基因表達是指雙鏈 DNA 片段轉化為單鏈 RNA 的過程，而 RNA 又可以轉化為蛋白質產品。研究人員要麼磨碎一塊組織並編目他們在那裡發現的所有 RNA，要麼使用熒游標記來追蹤組織樣本中每個細胞內最多 30 個 RNA 的表達。最新的技術可以繪製多達數千個 RNA 的圖譜。
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繪製基質圖譜
在一項原理驗證研究中，馬薩諸塞州波士頓哈佛醫學院的 分子生物學家喬治·丘奇 和他的同事刮擦了一層培養的結締組織細胞，並對在癒合過程中遷移到傷口的細胞的 RNA 進行了測序。在測序的 6,880 個基因中，研究人員鑑定出 12 個顯示基因表達變化的基因，包括 8 個已知參與細胞遷移但尚未在傷口癒合中研究的基因，研究人員說。
“這證實了該技術可以快速完成科學家們多年來逐個研究基因產物所做的工作，”紐約阿爾伯特·愛因斯坦醫學院的分子細胞生物學家羅伯特·辛格說，他沒有參與這項研究。
該方法依賴於“化石化”細胞中 RNA 的位置並對其進行測序。首先，研究人員將組織切片固定在表面上並洗掉細胞膜，保持細胞支架、RNA 和蛋白質的位置不變。接下來，研究人員新增化學物質以“反轉錄”每個 RNA 短片段，將其轉化為單鏈 DNA 的環狀片段。然後，他們新增更多化學物質以製造每個 DNA 環的數百個複製，這些複製形成稱為奈米球的簇。這些奈米球化學連線在一起，形成一個耐用、透明的基質，該基質近似於細胞的原始佈局，然後透過 SOLiD 測序進行分析，SOLiD 測序是一種使用數字成像來捕獲熒光探針在詢問 DNA 時的顏色和位置的方法。
丘奇實驗室的醫學博士兼生物學家傑伊·李說，這項技術的應用超出了理解基因表達模式的範圍。目前，用於標記和繪製神經元圖譜的最先進技術 Brainbow，僅限於 100 種同時色調。李說，現在可以從小 RNA 鏈建立 1 萬億個不同的分子條形碼。他還在研究向細胞內蛋白質新增條形碼的技術。
李說，這項技術讓他想起科幻電影《駭客帝國》中的一個場景，其中主角尼奧看到了他所處環境的二進位制原始碼。“這聽起來有點老套，”他承認，但他補充說，“我希望生物學也能像那樣。”