科学家现在可以拍摄完整组织样本中数千个基因表达的位置和方式的快照，样本范围从人脑切片到果蝇胚胎。
这项技术，今天在《科学》杂志上报道，可以将显微镜载玻片变成一种工具，用于创建数据丰富的三维地图，展示细胞如何相互作用——这是理解癌症等疾病起源的关键。该方法还具有更广泛的应用，例如，使研究人员能够创建独特的分子“条形码”，以追踪大脑中细胞之间的连接，这是美国国立卫生研究院 人类连接组计划 的既定目标。
以前，分子生物学家对基因表达的空间视图有限，基因表达是指双链 DNA 片段转化为单链 RNA 的过程，而 RNA 又可以转化为蛋白质产品。研究人员要么磨碎一块组织并编目他们在那里发现的所有 RNA，要么使用荧光标记来追踪组织样本中每个细胞内最多 30 个 RNA 的表达。最新的技术可以绘制多达数千个 RNA 的图谱。
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绘制基质图谱
在一项原理验证研究中，马萨诸塞州波士顿哈佛医学院的 分子生物学家乔治·丘奇 和他的同事刮擦了一层培养的结缔组织细胞，并对在愈合过程中迁移到伤口的细胞的 RNA 进行了测序。在测序的 6,880 个基因中，研究人员鉴定出 12 个显示基因表达变化的基因，包括 8 个已知参与细胞迁移但尚未在伤口愈合中研究的基因，研究人员说。
“这证实了该技术可以快速完成科学家们多年来逐个研究基因产物所做的工作，”纽约阿尔伯特·爱因斯坦医学院的分子细胞生物学家罗伯特·辛格说，他没有参与这项研究。
该方法依赖于“化石化”细胞中 RNA 的位置并对其进行测序。首先，研究人员将组织切片固定在表面上并洗掉细胞膜，保持细胞支架、RNA 和蛋白质的位置不变。接下来，研究人员添加化学物质以“反转录”每个 RNA 短片段，将其转化为单链 DNA 的环状片段。然后，他们添加更多化学物质以制造每个 DNA 环的数百个拷贝，这些拷贝形成称为纳米球的簇。这些纳米球化学连接在一起，形成一个耐用、透明的基质，该基质近似于细胞的原始布局，然后通过 SOLiD 测序进行分析，SOLiD 测序是一种使用数字成像来捕获荧光探针在询问 DNA 时的颜色和位置的方法。
丘奇实验室的医学博士兼生物学家杰伊·李说，这项技术的应用超出了理解基因表达模式的范围。目前，用于标记和绘制神经元图谱的最先进技术 Brainbow，仅限于 100 种同时色调。李说，现在可以从小 RNA 链创建 1 万亿个不同的分子条形码。他还在研究向细胞内蛋白质添加条形码的技术。
李说，这项技术让他想起科幻电影《黑客帝国》中的一个场景，其中主角尼奥看到了他所处环境的二进制源代码。“这听起来有点老套，”他承认，但他补充说，“我希望生物学也能像那样。”