《自然》选出将在未来一年对科学产生巨大影响的工具和技术。从蛋白质测序到电子显微镜，从考古学到天文学，本文将讲述七项有可能会在未来一年震动科学界的技术。
单分子蛋白质测序蛋白质组体现了细胞或生物体制造的一整套蛋白质，可以提供关于健康和疾病的深入信息，但对蛋白质组的表征仍然是一项挑战性的工作。
相对于核酸来说，蛋白质是由更多的分子砌块组成的，约有20种天然存在的氨基酸；因此，蛋白质具有更大的化学多样性。有些蛋白质在细胞中的含量较少；并且与核酸不同，蛋白质不能被扩增；这意味着蛋白质分析方法必须使用任何能用的材料。大多数蛋白质组学分析使用质谱法，这是一种根据蛋白质的质量和电荷来分析蛋白质混合物的技术。
这些谱图可以同时量化数千种蛋白质，但检测到的分子并不总能明确识别，并且混合物中的低丰度蛋白质常常被忽视。现在，能对样本中的许多（甚至全部）蛋白质进行测序的单分子技术可能即将问世，其中许多技术类似于用于DNA的技术。
詹姆斯·韦布太空望远镜天文学家们从去年开始就翘首以盼，兴奋不已。
经过20多年的精心设计和建造，美国国家航空航天局与欧洲航天局和加拿大航天局合作，于2021年12月25日成功将詹姆斯·韦布太空望远镜送入轨道。因为仪器设备需要展开并确定第一轮观测的位置，全世界不得不等待了近七个月，詹姆斯·韦布太空望远镜才开始正常工作。等待是值得的。
马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所天文学家、詹姆斯·韦布太空望远镜的望远镜科学家Matt Mountain表示，最初传来的图像超出了他的最高预期。詹姆斯·韦布太空望远镜的设计是为了接替哈勃太空望远镜的工作。哈勃望远镜可以看到令人惊叹的宇宙景象，但也有盲点：它基本上无法看见在红外范围内具有光信号的古老恒星和星系。
要弥补这一点，需要一台高灵敏度的仪器，其灵敏度要能够探测到数十亿光年外发出的极为微弱的红外信号。
体积电子显微镜电子显微镜以其卓越的分辨率而闻名，但观察的主要是样本的表面。深入研究样本的内部需要将样本切成非常薄的切片，这对于生物学家来说往往不够。伦敦弗朗西斯·克里克研究所的电子显微镜学家Lucy Collinson解释说，仅覆盖单个细胞的体积就需要200个切片。
她说：“如果你只有一个切片，你就是在玩统计把戏。”现在，研究人员正在将电子显微镜的分辨率应用于包含多个立方毫米体积的3D组织样本上。此前，从2D的电子显微镜图像重建这样体积的样本需要经历艰苦的样本准备、成像和计算过程，才能将这些图像转换为多图像堆叠。现在，最新的“体积电子显微镜”技术大大简化了这一过程。
CRISPR无限可能
基因组编辑工具CRISPR–Cas9作为在整个基因组的目标位点引入特定变化的首选方法，在基因治疗、疾病建模和其他研究领域取得了突破，无可非议地享有盛誉。但它的用途多受限制。现在，研究人员正在寻找规避这些限制的方法。CRISPR编辑由短链向导RNA协调，将相关的Cas核酸酶导向其目标基因组序列。但这种酶发挥作用还需要在靶点附近有一种叫做原间隔序列邻近基序的序列；如果没有PAM，基因编辑很可能会失败。
高精度放射性碳测年去年，考古学家利用放射性碳测年技术的进步，对维京探险家首次抵达美洲的确切年份——甚至是季节——进行了研究。荷兰格罗宁根大学的同位素分析专家Michael Dee和他的博士后Margot Kuitems带领的一个团队在加拿大纽芬兰岛北岸的一个聚落中发现了一些被砍伐的木材，通过对这些木材的研究，确定这棵树很可能在1021年被砍伐，而且可能是在春天。
自20世纪40年代以来，科学家一直在利用有机人工制品的放射性碳测年法来缩小历史事件发生的时间范围。他们通过测量同位素碳-14的痕迹来做到这一点，碳-14是宇宙射线与地球大气相互作用的结果，在数千年中缓慢衰变。但这种技术的精确度通常仅为几十年左右。
单细胞代谢组学代谢组学是研究驱动细胞的脂质、碳水化合物和其他小分子的科学，它最初是一套表征细胞或组织中代谢产物的方法，但现在正在转向单细胞水平。
科学家们可以利用这些细胞水平的数据，理清大量看似相同的细胞的功能复杂性。但这转变带来了艰巨的挑战。代谢组包含大量具有不同化学性质的分子。欧洲分子生物学实验室的代谢组学研究人员Theodore Alexandrov说，其中一些分子存在的时间非常短暂，代谢周转率为亚秒级别。它们可能很难检测：尽管单细胞RNA测序可以捕获细胞或生物体中产生的一半的RNA分子，但大多数代谢分析仅涵盖细胞代谢产物的一小部分。
这些缺失的信息里可能包含了重要的生物学奥秘。
体外胚胎模型
研究人员现在可以在实验室中制造出人工合成胚胎，它与8天大的自然胚胎类似。科学家们已经在小鼠和人类的细胞水平上详细描绘了从受精卵到完全形成的胚胎这一过程。但驱动这一过程早期阶段的分子机制仍不清楚。现在，“胚状体”模型的一系列活动有助于填补这些知识空白，让研究人员更清楚地了解可以决定胎儿发育成败的重要早期事件。