【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（四）
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【科技评论】《MIT科技评论》评选出2015年10大新兴技术
MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评
贺飞
（北京大学，北京100871）
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【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（一）
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（二）
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（三）
2 历年发布的十大新兴技术汇总分析
2.1 信息技术
（……续前期文章）
2.2 生物技术
近10多年来，生物技术迅猛发展。在历年十大新兴技术中，生物技术一般每年为２到４项，共占29项（表3）。可以看出，在脑科学和神经科学、疾病诊断和治疗、药物发现以及人体组织、器官修复等方面发挥着越来越重要的作用，有着广阔的应用前景。
表 3历年发布的十大新兴技术中的生物技术汇总
年份 | 名称 | 学科 |
2001 | 脑机接口（Brain-Machine Interface） | 脑科学和神经科学 |
2006 | 扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging） | 脑科学和神经科学 |
2007 | 神经元控制（Neuron Control） | 脑科学和神经科学 |
2008 | 神经连接组学（Connectomics） | 脑科学和神经科学 |
2014 | 脑图谱（Brain Mapping） | 脑科学和神经科学 |
2015 | 脑细胞团培育（Brain Organoids） | 脑科学和神经科学 |
2003 | 糖组学（Glycomics） | 生物医学工程 |
2003 | 可注射组织工程（Injectable Tissue Engineering） | 生物医学工程 |
2003 | 分子成像（Molecular Imaging） | 生物医学工程 |
2004 | 个人基因组学（Personal Genomics） | 疾病诊断和治疗 |
2004 | RNAi 干扰疗法（RNAi Interference） | 疾病诊断和治疗 |
2005 | 代谢组学（Metabolomics） | 疾病诊断和治疗 |
2006 | 表观遗传学（Epigenetics） | 疾病诊断和治疗 |
2007 | 单细胞分析（Single-Cell Analysis） | 疾病诊断和治疗 |
2009 | $100 基因组测序（$100 Genome） | 疾病诊断和治疗 |
2009 | 诊断试纸（Paper Diagnostics） | 疾病诊断和治疗 |
2010 | 干细胞工程（Engineered Stem Cells） | 疾病诊断和治疗 |
2010 | 双效抗体（Dual-Action Antibodies） | 疾病诊断和治疗 |
2011 | 癌症基因组学（Cancer Genomics） | 疾病诊断和治疗 |
2012 | 纳米孔测序（Nanopore Sequencing） | 疾病诊断和治疗 |
2013 | 胎儿DNA测序（Prenatal DNA Sequencing） | 疾病诊断和治疗 |
2014 | 基因组编辑（Genome Editing） | 疾病诊断和治疗 |
2015 | 液体活体检查(Liquid Biopsy) | 疾病诊断和治疗 |
2015 | DNA的互联网（Internet of DNA） | 疾病诊断和治疗 |
2005 | 细菌工厂（Bacterial Factories） | 药物发现 |
2006 | 比较相互作用组学（Comparative Interactomics） | 药物发现 |
2001 | 微流控芯片技术（Microfluidics） | 疾病机理和生命本质 |
2004 | 合成生物学（Synthetic Biology） | 疾病机理和生命本质 |
2006 | 细胞核重组（Nuclear Reprogramming） | 疾病机理和生命本质 |
2011 | 分离染色体（Separating Chromosomes） | 疾病机理和生命本质 |
2011 | 合成细胞（Synthetic Cells） | 疾病机理和生命本质 |
2012 | 卵子干细胞（Egg Stem Cells） | 疾病机理和生命本质 |
2015 | 超动力的光合作用（Supercharged Photosynthesis） | 植物学 |
脑科学和神经科学方面包括脑机接口、扩散张量成像、神经元控制、神经连接组学、脑图谱、脑细胞团培育等，这些技术为未来脑科学的发展奠定了良好的基础。
脑机接口（Brain-Machine Interface）也称为“脑机混合界面”，它是在人或动物脑（或者脑细胞培养物）与外部设备间创建的直接连接通路。若干研究小组已经能够使用神经集群记录技术实时捕捉运动皮层中的复杂神经信号，并用来控制外部设备。这项技术能更好地了解大脑的工作机制，然后利用这些知识制造移植系统，让大脑得以控制计算机和其他机械。美国杜克大学神经生物学家Miguel Nicolelis在2000年成功实现了一个能够在夜猴操纵一个游戏杆来获取食物时重现其手臂运动的脑机接口。针对“运动神经假体”的脑机接口方面，Emory大学的Philip Kennedy和RoyBakay最先在人植入了可获取足够高质量的神经信号来模拟运动的侵入性脑机接口。他们的病人Johnny Ray患有脑干中风导致的锁闭综合征。Ray在1998年接受了植入，并且存活了足够长的时间来学会用该脑机接口来控制电脑光标。科学家认为这场革命最终将使脑机混合界面像掌上电脑一样普及并酝酿一个全新的以大脑为中心的产业。
扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging）是一种新的核磁共振成像技术, 科学家们可以利用它看到更清晰的大脑微观结构，研究大脑不同区域之间的联系。利用这一技术, 研究人员可以看到连接不同大脑区域的神经元组成的复杂网络，有助于更好地认识神经和精神疾病, 并采取更有针对性的治疗方法。此外，神经科学家还利用它研究毒瘾、癫痫症、脑外伤、神经退化疾病等一系列疾病，有望给精神分裂症、阿尔茨海默氏症等疾病带来新的疗法。
神经元控制（Neuron Control）利用绿藻蛋白制成的“光纤开关”， 将使科研人员对人脑某一部分神经元细胞的功能进行开关式控制，实施精确治疗，且能减少副作用，有助于治疗抑郁症、帕金森等神经性疾病。有关动物试验表明 , 这种治疗方法大大减轻了老鼠的抑郁症状。如果未来科学家发现特定的、导致神经性疾病的细胞，这种治疗方法将会更精确有效。
神经连接组学（Connectomics）试图描画出在神经系统中负责收集、处理和存贮信息的纠结在一起的神经回路图。理解这些布线，就能揭示出信息如何在不同的大脑区域间进行处理和转移。这样的一个图最终将能揭秘大脑的早期发育或诸如自闭症和精神分裂症等可能与错误联线相关的疾病产生的机理。到目前为止的实验中，里奇曼研究团队利用这项技术，追踪了一小片负责控制平衡和运动的小脑中的所有这些联接。其他科学家也已经对使用该技术来研究视网膜、大脑皮层、嗅球以及非神经细胞类型内的神经联接表现出了兴趣。
脑图谱（Brain Mapping）能够让神经科学家更完整深入地观察大脑结构，了解大脑不同区域之间的相互作用，脑结构及其对人行为的控制。一张极为精细，耗时十年画出来的，以20微米高分辨率展现了人类大脑的结构的大脑成像图，第一次在细胞水平上剖析了人类大脑，显示前所未有的更加精细的脑结构，为神经科学家提供了解读其无穷复杂性的指南。
脑细胞团培育（Brain Organoids） 通过这一技术，科学家可以在实验室中利用人类干细胞培育出三维的活体神经元集群。使得研究人员需要通过新方式去理解大脑疾病，并应用于治疗痴呆、精神疾病以及其他神经性紊乱疾病，试验可能的治疗手段。这项技术目前已经成熟。关键技术开发者包括分子生物学技术研究院的麦德林•兰卡斯特(Madeline Lancaster)和尤尔根•诺布里奇（Jurgen Knoblich），麻省总医院的鲁道夫•坦齐(Rudolph Tanzi)和KimDoo Yeon。
生物医学工程方面的突破包括可注射组织工程、分子成像、糖组学等技术，这些技术对基础医学研究和高级病人护理有深刻影响。
可注射组织工程（Injectable Tissue Engineering）可以实现完全取消手术的方法实现人工关节替换。霍普金斯大学生物医学工程师Jennifer Elisseeff开发了一种方法来注射关节，用的是特殊设计的聚合物、细胞和生长刺激剂的混合物，这些混合物可以凝固并形成健康组织。尽管目前大部分可注入系统的研究都集中在软骨和骨上，但有人认为这项技术应该扩展到如肝脏和心脏的组织。这种方法可用来替代一个器官的致病部分或增强其功能。例如，在出现心力衰竭时，不是打开胸腔植入一个人造瓣膜或肌肉组织，而是简单地注入合适的细胞和作为生长信号的物质的混合物就可以了。
分子成像（Molecular Imaging）是许多技术的简称，这些技术能够让研究人员看到身体内的基因、蛋白质和其它起作用的分子。由于细胞生物学、生化制剂和计算机分析的进步，分子成像技术蓬勃发展。各国研究人员利用磁、核和光学成像技术来研究主导生物过程的分子的相互作用。x射线、超声波和其它传统技术只能向医生提供肿瘤大小等解剖学线索，而分子成像可以跟踪疾病的根源。在一丛细胞中的一个异常的蛋白质的出现可能标志着癌症的开始。麻省总医院的分子成像研究中心的放射学家Umar Mahmood和化学家们合作开发“智能探针”，探针瞄准目标时，会改变亮度或磁性。从而使得这项技术转入实际医学应用。分子成像可用于探测癌症征号，提前数月或几年知道组织变化，毋须外科医生进行组织切片诊断，对基础医学研究和高级病人护理有深刻影响。
糖组学（Glycomics）通过操纵糖基化或糖本身，研究人员希望抑制病程，创造新药并且改进已有药物。人体中的糖虽然经常被忽略，但却有至关重要的功能。特别是糖通过一种称为糖基化的过程，在稳定和决定蛋白质功能中起着重要的作用。在糖基化过程中，糖单元附在其它分子包括刚刚生成的蛋白质上。糖可以改变许多这样的蛋白质，并且不同类型细胞以不同的方式附着相同的糖，从而组成不同的分支结构，每一种结构都有独特的功能。例如，生物技术公司Amgen通过在分子上附上两个特别的糖制造出了更加有效的畅销药，这种称为红细胞生成素的蛋白质可以促进红细胞生成。
疾病诊断和治疗方面包括RNAi干扰疗法、个人基因组学、代谢组学、表观遗传学、单细胞分析、$100 基因组测序、诊断试纸、干细胞工程、双效抗体、癌症基因组学、纳米孔测序、胎儿DNA测序、基因组编辑、液体活体检查、DNA的互联网等，极大的提高了人类的健康水平。
RNAi 干扰疗法（RNAiInterference）可以特异性剔除或关闭特定基因的表达，所以该技术已被广泛用于探索基因功能和传染性疾病及恶性肿瘤的基因治疗领域。RNAi 干扰疗法的干预机制的关键在于防止基因转化为由它编码的蛋白质。在一般情况下, 基因被转录进相邻的“信使RNA”分子而起着组合蛋白质的模板作用。如果有微小的干预性核糖核酸进人, 它就会粘附到“信使”上，然后由细胞剪将其撕断或破坏。所以敲除、关闭或使关键的基因“保持沉默”是可以阻止艾滋病病毒“兴风作浪”或导致肿瘤消退的。2006年安德鲁•法厄(Andrew Zachary Fire)与克雷格•梅洛（Craig C. Mello）由于在RNAi机制研究中的贡献获得诺贝尔生理及医学奖。目前这项技术迄今已对制药业和生物技术工业产生巨大影响，已被普遍接受。
个人基因组学（Personal Genomics）可以根据简单的血液测试决定最佳治疗方案。人类基因组中有30亿个碱基对，要查明每个病人具体的遗传物质, 让医生在诊所里筛选这么多碱基对筛选显然是行不通的。这一策略转变为实用的工具, 帮助医生和研究人员迅速判定某人的基因组织是否会使他或她易患某种疑难杂症并对特定的药物作出反应。可能最终给癌症、早老性痴呆症和哮喘等顽疾治疗带来一场革命。目前已研制出若干特殊的DNA晶片,即上面粘附有数十亿个极短的D N A 链的小片玻璃, 可用来迅速而廉价地搞清楚病人基因组中数百万个单一字母的变异状况。下一步是利用这些信息来设计简单易行的测试步骤,以便使医生通过检查就能为患者开出药到病除的最佳处方。
代谢组学（Metabolomics）能导致发现新的诊断工具，从而使医生可以在病情尚在初始阶段就能轻而易举地进行诊断。代谢组学就是分析几千种类似糖和脂肪等小分子的代谢产物。如果代谢信息能够转变成诊断测试，它将会早期、快速及准确地诊断出多种疾病。几十年来，医生一直在测量一些代谢产物，以诊断病人可能患的疾病。例如，糖尿病人的葡萄糖水平就显示此人患糖尿病。而代谢组学研究人员从几百种分子中选出12种左右的分子，即可视为特定疾病的特征。一些公司力图将基于代谢产物的诊断测试并推向市场。美国北卡罗来纳州的Motabolon公司在寻找肌萎缩性侧索硬化代谢标记物。而加拿大一家公司则研发基于代谢产物的早老性痴呆的诊断测试方法。
表观遗传学（Epigenetics）揭示基因的化学修饰。化学修饰可以影响蛋白质生成的机制, 直接关闭某些基因或者使染色体螺旋难以展开。研究人员通过对基因进行甲基化, 希望利用这种方法开发出的检验手段能够检验出一个人是否患有癌症, 患病的严重程度如何以及对于特定的疗法可能会有怎样的反应。这一开创性成果是在患病初期确切诊断癌症和认识癌症的一个有力手段。另外, 表观遗传学也可用来解释生活方式对人体衰老过程的影响。
单细胞分析（Single-CellAnalysis）以超灵敏的技术分离了单细胞，探测单个细胞瞬间的变化，揭示其中未知的分子活动情况，不仅有助于了解生命的过程，还更好地了解和治疗诸如癌症、糖尿病等人类疑难病症，明察疾病原因，从而改善医学测试和治疗手段。目前利用单细胞分析技术从事食道癌和肺癌方面的研究,在识别由单个癌症细胞主导的蛋白质变异方面取得了成功。这样的技术可以使医生尽早地了解癌症发病情况 , 以及尽早采取措施。此外，研究人员通过分析单细胞的胰岛素 , 揭示出了多种糖尿病的病因。但这一新技术实现大规模的商业化还需时日，一旦成熟将能很好地造福人类。
$100基因组测序（$100 Genome）是一种更廉价、更快速的,被称为个性化医疗之关键的基因组测序技术，目标是在8个小时内以不到100美元的成本完成整个人类基因组测序工作。借助于这种强大的工具，根据病患的不同基因特性进行针对性治疗就有了可能。尽管许多专家目前表示怀疑，但一旦取得成功，医生就能对癌症病患的肿瘤进行活检，并对其所有DNA进行测序，然后利用获得的信息来制定预后和治疗方案，而所有这一切的花费比一次胸部X光透视还要低。目前只完成了100美元基因组测序挑战的一半工作：解开了DNA但没有对其进行测序。为了实现测序目标，研究人员开发出了一种发光荧光标记探针，实现快速测序。这一技术在医学上能用来快速识别引起流行病暴发的新的病毒或细菌，或是找到与特定疾病相关的新基因。
诊断试纸（Paper Diagnostics）是一种低廉、简单易用和足够坚固的诊断工具，将可挽救全球贫困地区的成千上万条生命。这一技术将纸和先进的微流体技术结合起来，制作出一种多功能的一次性大小与邮票相似的试纸，它能通过检测少量的尿液或血液来找到传染病或慢性疾病的证据。这一试纸的独特优势是：单张试纸就能执行多种反应，可一次诊断多种病情。同时，它的小尺寸也意味着血液测试只需微量样本，让就诊者简单地刺破手指就可获得。目前已经开发价格低廉的诊断肝功能衰竭、肺结核、疟疾或艾滋病的试纸。这一技术正在大力推广应用之中。
干细胞工程（Engineered StemCells）利用胚胎干细胞自我更新、高度增殖和多向分化能力，结合现代生物医学及工程学技术，达到组织或器官的修复与替代，能够改进人类的疾病研究并且改变我们的药物研发和药物测试模式，寻找治疗人类疾病的新方法。美国威斯康星大学麦迪逊分校James Thomson实验室于1998年首次成功培养出了人类胚胎干细胞。2007年11月20日，美国（James Thomson和俞君英） 和日本（山中伸弥） 的研究人员分别发表论文，宣布成功把人体皮肤细胞改造成类似胚胎干细胞的“万能细胞”，这被称为“诱导性多功能干细胞”（iPS）。得到的iPS细胞具有胚胎干细胞的两个确定的特征：能够不断地自我复制；能够如变色龙一般变身为人体内的任何细胞类型。该方法没有使用人类的胚胎干细胞，有效避免了复制或摧毁胚胎的道德争议，同时可能达到与胚胎干细胞相同的医疗效力。汤姆森也已经使用患有肌萎缩性侧索硬化症（ALS）、唐氏综合征、脊髓性肌萎缩症等病症的病人的细胞制造出了iPS细胞。
双效抗体（Dual-ActionAntibodies）是一种全新抗体，可以同时携带两种不同的抗原，从而减少医药摄入品种和数量。治疗癌症将会有更好的手段。研究人员证明通过使一个抗体紧密地结合到两个不同的抗原上，一个经过改造后的赫赛汀（Herceptin）抗体不仅能够关闭老鼠身上乳癌细胞上的Her2受体，而且也能够锁住血管内皮生长因子（VEGF），前者被认为会促进肿瘤的生长，而后者则在一些侵略性的乳腺肿瘤里高表达。这一工作具有很好的商业前景，可能让治疗的费用减半、缩短治疗时间。
癌症基因组学（Cancer Genomics）研究内容重点集中在DNA（基因组）水平，有时需要辅助RNA（转录组）水平，有助于解释癌症背后的遗传学根源，从而寻找治疗癌症的新方法，使治疗更有针对性。现在在美国已经有3到4种药物采取这样的方式，其目标就是针对这些具体的变异。2008年，包括中国在内的11个国家参加组建了“国际癌基因测序协作组”（ICGC），计划对50种肿瘤，每种肿瘤都取500个标本进行全基因组测序，并与正常组织标本的基因组进行比较，以在基因组水平上确定那些导致细胞癌变的突变基因，并希望由此找到癌症早期诊断和更有效治疗的靶点。目前已知癌细胞基因组的变化主要有：点突变，基因拷贝数的变化，染色体内基因组重排，染色体间的基因组重排等。这些变化引起巨量的基因突变。究竟哪些是癌变的原因需要对超大样本的肿瘤基因组资料进行统计分析。２００６年秋，华盛顿大学基因研究中心主任伊莱恩•马蒂斯利用能读取ＤＮＡ一千次的新式设备给癌组织排序，以搜索发生变异的ＤＮＡ。时隔五年，马蒂斯和他的同事成功给几千个病人的癌变组织和正常组织排序，并发现了千百万个变异组织。这些发现为不仅为治疗癌症提供了全新的方法，而且还为癌症研究打开了新的通道。
纳米孔测序（Nanopore Sequencing）是英国牛津纳米孔公司研发的最新基因测序技术，利用商业机器简单而直接地读取DNA碱基，使基因组测序更快、更便宜。可简便到让医生将基因组测序作为像核磁共振成像或血液细胞计数那样的常规测试手段，从而迎来了一个个性化医疗的新时代。“牛津纳米孔”的新产品线将包括一个大约两副牌大小的小型便携式设备，其可直接插入计算机的USB端口，并能进行少量的DNA测序；一个较大的台式机则能处理大量的测试序列。集中这样的一批机器将可用于全基因组测序。在远程诊所或食品加工厂，该装置将使有限数量DNA的读取变得很容易，这样检查人员就可监控危险菌株造成的污染。
胎儿DNA测序（Prenatal DNASequencing）通过怀孕妇女的血液来进行胎儿的DNA测序，家长能够在孩子出生以前就了解孩子的基因遗传倾向,未来孩子出生将连同其遗传优势和劣势的完全信息。目前利用这一技术能通过一小管注射器中的母亲血液测定胎儿的DNA检测唐氏综合症。在以前，检测唐氏症检测一般意味着要通过胎盘或羊水抓取胎儿细胞，这两种方式都可能会有流产风险。而这种无创筛选技术更加安全方便，使得产前DNA检测得以快速应用。这种医学测试手段快速从实验室研究走向应用，对许多技术产生重大影响。2012年7月，Verinata的创始人、斯坦福大学生物物理学家Stephen Quake向外界展示了如何除了检测染色体额外复制外，如何通过孕妇的血液检测胎儿完整的基因组信息。华盛顿大学的基因科学家Jay Shendure也完成了相似的工作。此外，中国也有两个团队。这一技术也适合一些常见先天性疾病。如囊性纤维化或beta-球蛋白生成障碍性贫血等大约200种其他疾病，包括部分孤独症患者，一次基因组检测可以完成全部筛查。
基因组编辑（Genome Editing）利用基因组工具构建出两只携带有特定基因突变的灵长类动物的能力，为科学家研究复杂的、与遗传相关的脑部疾病提供了强有力的方法，为人类疾病研究提供了新的有价值的工具。值得一提的是中科院云南灵长类生物医学重点实验室为这一技术发展做出了突出贡献，科学家使用一种DNA工程的新方法，即所谓的CRISPR通过编辑3个不同的基因来修饰受精卵，并植入代孕恒河母猴体内。双胎猴子的健康出生标志着CRISPR第一次成功用于灵长类目标遗传修饰—这预示着即将开启猴子复杂疾病能够被建立模型并开展研究的生物医学新时代。这项被称为CRISPR的新的基因组编辑技术，是由伯克利加州大学、哈佛、MIT以及其他单位等研究人员在过去几年内开发的，已经改变科学家如何思考基因工程，因为它允许他们精确并相对容易地改变基因组。使用CRISPR来产生各种疾病的猴子模型，如孤独症、精神分裂症、Alzheimer症、以及抑郁狂躁型忧郁症（Bipolar Disorder）。从技术角度看，中国灵长类研究显示，科学家也可以利用CRISPR改变人类受精卵。
液体活体检查(Liquid Biopsy)目前全球每年因癌症死亡的人数约800万人。是一种快速通过DNA测序仪的验血方式，有助于尽早发现癌症。这项技术目前已经成熟。关键技术开发者包括香港中文大学的丹尼斯•洛(Dennis Lo)、Illumina、约翰霍普金斯大学的波特•沃格尔斯腾(Bert Vogelstein)。
DNA的互联网（Internet of DNA）DNA互联网指的是数百万个基因组的全球网络，将成为医学的下一个巨大进步。制定技术标准能使得DNA数据库之间交流信息，通过互联网交换基因组序列，特别是那些罕见遗传病患者的序列，将帮助医生和患者寻找到其他的患者，并提出治疗方案，使得病人的治疗方案可以借鉴其他数百万人的经验。这项技术有望在未来1-2年内实现。关键技术开发者包括基因组学和健康全球联盟、谷歌、个人基因组项目。
药物发现的突破包括细菌工程、比较相互作用组学等，将有助于发现和制造新药, 并且更好地了解药物的作用原理。
细菌工厂（Bacterial Factories）是一项利用特殊的遗传工程细菌来生产青蒿素的新技术,为人类防治疟疾开辟了新的道路。该技术不是向细菌中插入几个外来基因，来改进细菌的行为，而是采用向普通的大肠杆菌插入一组酵母基因，这些基因诱发大肠杆菌制造松稀油的化学先驱物，而松稀油是一种青蒿素属化合物。研究人员还将香苦蒿的几个基因拼接到大肠杆菌中，使其制造青蒿素酸。利用细菌工厂不仅生产青蒿素，还可用来制造Prostratin，它是一种有应用前景的抗艾滋病毒化合物。也有科学家还准备用细菌制造“太平洋杉醇”，这是一种在市场上出售的治疗乳腺癌的药物。
比较相互作用组学（Comparative Interactomics）是生物医学研究中基因组、蛋白质组以及代谢组等所有“组”的根源。每一个细胞内都有大量的基因、RNA、代谢体和蛋白质发生相互作用。用系统生物学术语来讲, 所有这些相互作用的复杂图谱就是“相互作用组学”。这一技术有助于发现新药, 通过更好地了解现有药物的作用原理来改进现有药物, 甚至可以用毒性的计算机模型取代目前的动物试验。随着大量的相互作用组学数据不断涌现, 人们可以更加清楚地了解不同细胞内的活动。未来有关的相互作用组数据有望被用来建立细胞循环模型, 有了它,在药物的临床试验之前就可以预测药物在人体内的作用。
疾病机理与生命本质研究方面，细胞核重组技术、分离染色体、合成细胞、卵子干细胞、合成生物学、微流控芯片技术等将产生深远影响。
细胞核重组（NuclearReprogramming）试图制造出具有胚胎干细胞所有特征但并非取自胚胎的克隆细胞。这种克隆过程不同于多利羊的克隆过程，科学家们将一个成年体细胞的遗传物质移植到去核卵细胞中, 通过卵细胞的蛋白质对体细胞的DNA进行重组, 创造出遗传学上与其供体相同的胚胎。在供体细胞的细胞核移植到卵细胞之前, 迫使供体细胞产生一种仅存在于胚胎干细胞中的叫做nanog 的蛋白质,就可以改变重组过程, 使之不会产生胚胎, 而是产生一种类似胚胎干细胞的细胞。研究人员也在尝试在不影响胚胎发育的前提下提取干细胞的方法。这一研究方法有可能解决干细胞争议的伦理道德难题。如取得成功, 将不会有胚胎产生, 也就不会存在对潜在生命的危害。
分离染色体（SeparatingChromosomes）技术能更精确地读取DNA，从而对其进行更加精确的研究。斯坦福的Stephen Quake利用微流控芯片，把染色体分开，成功设计出一种能获取人类基因组排序所缺失数据的方法，缺失的数据是一对基因所属的染色体。可以这样就可以进行基因排序过程。用这个技术可以使得药品更加有针对性。该技术能更容易识别染色体变异，对基础基因研究和药物治疗有着巨大的影响，能治疗帕金森等很多不治之症。
合成细胞（Synthetic Cell s）技术可以从无到有设计和创造基因组，加速创造出新疫苗和生物燃料细菌的研究。这一技术用一种全新的方式完全从零开始创造基因组，然后又用一般的排序技术把它们接在一起，用酵母菌把这些结合起来，制成完全人工的细胞。这样可以创造自己的生物。可以用它们来制造一些细菌，这些细菌可以为我们生产更高效的化石燃料和药品等。这项技术在未来有可能会实现，影响也将会是非常深远的，会加速推进微生物工程进程。
卵子干细胞（Egg Stem Cells）是一种可以延长女性生育年龄的方法，该干细胞研究可能让科学家让从干细胞中提炼出的卵子完成受精，从而改变人类繁衍规则，女性将来也有可能告别不孕和绝经期，让生育不再受年龄限制。英美研究人员合作使用从人类卵巢组织上提取的干细胞来培育成熟的人类卵子，这在全球尚属首次。这项旨在“实现人类卵子无限量供应”的试验不仅能让不孕女性拥有孩子，同时也能让女性像男性一样，在晚年依然具有生育能力。此外，通过干细胞培育人类卵子的做法也可能让老年女性的卵巢重新恢复活力，从而减少女性患上与绝经相关的疾病，如骨质疏松症和心脏病。此项研究成果虽然离创建一个人类新生儿还为时尚远，但已改变了人们对生育的理解。美国波士顿“卵子科学”公司正在对这一成果进行商业化，寻求不孕疗法及干细胞的其他应用。
合成生物学（Synthetic Biology）的目标是设计微生物代谢通路生产药物和生物燃料、建造合成生物、给哺乳动物细胞赋予新功能等。目前在基因合成和组装方面，已经成功合成了细菌基因组和酵母染色体。鉴定控制转录和翻译的调控元件，可以帮助人们进行更好的回路设计。研究者们还在不断开发预测性的模型，这将为合成生物学未来十年的成功奠定基础。普林斯顿大学RON WEISS将基因一丝不苟地“ 装配”成网络, 指挥细胞去执行程序为之构思的几乎任何一项任务, 通过与简单的杆菌或人体细胞相结合大大提升生物传感功能, 甚至还有可能在构建供移植的完整人体器官方面发挥眼下还难以想象的作用。在得到美国防部赞助的研究项目中, WEISS就是用这种方式使平素非群居的杆菌变得互相沟通的。结果, 这些杆菌不但能捉摸出刺激物离它有多远,还会相应地改变其作出的反应— 本质上相当于一个几乎可监测任何异变的活生生的传感器。WEISS计划开展成人干细胞编程。通过刺激一些细胞分化为骨头, 刺激另一些细胞分化为肌肉和软骨等组织,那么, 研究人员就能引导细胞去修补损坏的心脏或缔造出功能较之任何人造替代物更优异的合成膝关节。
微流控芯片技术（Microfluidics）立足微观尺度掌握流体的规律，从而实现基因组学和药物开发的关键实验自动化，如在批量生产的芯片上进行紧急的诊断试验或制造可植入释药装置等，有人认为这项技术对生物技术的贡献就像晶体管对电子学的贡献一样。2000年春，加州理工学院的应用物理学家Stephen Quake领导的小组首次展示了一套微型阀和微型泵，这在开发足以通用于任何微射流应用工作的技术上迈出了关键的第一步。而且为了让微射流装置更便宜，他们利用一种叫做“软板印刷”的技术，在可重复使用的磨具中用软硅酮橡胶铸出了这种装置。此后，Fluidigm基于其专利的微流体技术开发了一种全新的单细胞基因表达检测方法，可以使你快速可靠地分离、处理、对单一细胞的基因组进行分析。这项技术的突破使得很多生物学研究的基本工艺(从样品混合到DNA测序)微型化，目前已应用于样品准备、DNA提取、检测基因突变等工作中，并且可以集成到批量生产的可抛弃的微射流芯片上，从大规模的药物发现到常见感染的居家检测等方面有着广阔的应用前景。随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展，微流控芯片也得到了迅速发展，目前已经实现了商业化生产，它把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。
在植物学方面，超动力的光合作用将为全球粮食安全做出巨大贡献。
超动力的光合作用（Supercharged Photosynthesis）通过这种先进的基因工具，粮食作物从太阳光转化能量的速度将会大幅提升，从而提高粮食产量，给全球更多人提供粮食，从而满足越来越多人口的需求。但是预计这项技术成熟时间需要10—15年。技术开发的关键人物包括国际水稻研究所的保罗•奎克(Paul Quick)、明尼苏达大学的丹尼尔•沃伊塔斯(Daniel Voytas)、剑桥大学的朱利安•希伯德(Julian Hibberd)、澳大利亚国立大学的苏珊•冯•凯莫尔(Susanne von Caemmerer)。
（未完待续……）
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