通过绘制细胞和组织中的分子图谱，科学家可以获得对各种生物过程的新见解，如胎儿发育和阿尔茨海默病。
空间生物学使研究人员能够将分子置于其原生环境——细胞和组织中，并揭示在测序方法中通常会丢失的信息。
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为了研究生物过程，科学家经常在特定时间点对细胞中的分子（如蛋白质和核苷酸）进行快照。在空间生物学中，他们可以利用分子方法结合成像技术，揭示这些分子在细胞和组织中的定位。这使研究人员能够更全面地了解细胞如何在空间和时间上调控过程。在本文中，了解空间生物学如何帮助科学家更好地理解各种生物现象，如获得今年拉斯克奖的抗生素耐药性。
Shapiro使用新月形杆菌Caulobacter crescentus的研究揭示了细菌细胞空间组织的重要见解，推翻了当时普遍认为细菌是混乱酶囊的观念。
Christopher Michel
揭示细菌基因空间调控的研究人员荣获拉斯克奖
2025年9月，斯坦福大学的画家转发育生物学家Lucy Shapiro因在三维空间中对细菌基因调控的开创性研究而获得拉斯克奖。在超过五十年的职业生涯中，Shapiro研究了空间动力学如何影响新月形杆菌Caulobacter crescentus的基因调控。她与物理学家丈夫Harley McAdams一起，利用测序和成像技术展示了细菌染色体的高度空间组织，这是21世纪初的一项革命性见解。
科学家使用空间转录组学在整个果蝇体内定位mRNA的位置。
Frank Schnorrer / 许可证 CC-BY 4.0, Janssens et al, 2025, eLife
果蝇全身体空间转录组学揭示新见解
当研究人员进行RNA测序等分子实验时，大多数关于空间调控的信息都会丢失。空间转录组学是一种既能揭示细胞中转录本性质又能揭示其位置的方法，可以弥补这一差距。最近，研究人员使用这种方法学习了150个mRNA转录本（100个在果蝇大脑中表达，50个在身体中表达）在整个成年果蝇体内的位置。他们将果蝇冷冻并切成10微米厚的切片，然后对完整组织切片内的转录本进行成像。他们的方法揭示了新的、令人惊讶的见解，包括编码肌联蛋白（一种丰富的肌肉蛋白）的转录本如何集中在飞行肌肉的边缘，尽管该蛋白在整个组织中都需要。
空间蛋白质组学是成像和蛋白质组学两个领域的结合。它使科学家能够在不丢失分子原生环境信息的情况下对细胞和组织的蛋白质组进行分析。
Rong Fan
深度视觉蛋白质组学推动细胞生物学变革
根据马克斯·普朗克生物化学研究所的生物化学家Matthias Mann的说法，空间蛋白质组学结合了两个关键研究领域：蛋白质组学和显微镜学。最早的空间蛋白质组学方法使用免疫荧光抗体在生物样本中可视化蛋白质。该方法的后续发展使研究人员能够将成像与质谱（MS）相结合，这是一种无偏见、高通量的研究细胞和组织中蛋白质的方法。最近，Mann和他的合作者、哥本哈根大学的工程师Andreas Mund在一种称为深度视觉蛋白质组学的方法中进一步改进了MS成像。使用这种方法，研究人员可以使用MS分析组织切片中单个细胞的蛋白质组，然后将这些信息映射回组织中，捕捉生物过程的全部复杂性。
深度视觉蛋白质组学揭示致命皮肤病的病因和潜在疗法
中毒性表皮坏死松解症被广泛认为是皮肤病学领域唯一的紧急情况。这种罕见疾病通常表现为患者大面积皮肤起泡和剥落，往往是致命的且没有治愈方法。最近，马克斯·普朗克研究所的生物化学家Thierry Nordmann进行了深度视觉蛋白质组学研究，比较该疾病的轻度和致命形式中的皮肤和免疫细胞。在Mann的实验室工作时，Nordmann发现该疾病更严重形式中的干扰素信号传导显著上调。他的团队结果揭示了这种可怕且危及生命的疾病的潜在药物靶点。
Sean Bendall（左）和Thomas Montine（右）使用多重离子束成像技术，创建了来自认知健康人群和阿尔茨海默病患者的死后人脑的空间蛋白质组学图谱。
Sean Bendall和Thomas Montine
空间蛋白质组学图谱显示阿尔茨海默病中存在小胶质细胞衰竭
斯坦福大学的神经病理学家Thomas Montine想知道免疫细胞是否像在结核病中那样"消耗"阿尔茨海默病患者的大脑。最近，他与斯坦福大学的另一位病理学家Sean Bendall合作，深入研究了小胶质细胞（大脑的常驻免疫细胞）在阿尔茨海默病中的作用。研究人员使用患有和不患有神经退行性疾病的人的大脑，生成了小胶质细胞的空间蛋白质组学图谱。这些图谱揭示了小胶质细胞广泛的免疫激活状态，这种变异是空间组织的。研究人员还观察到表明阿尔茨海默病患者小胶质细胞存在免疫衰竭的模式。Montine希望他的团队的发现可能提供线索，了解阿尔茨海默病如何将小胶质细胞推向免疫衰竭，以及它们的正常功能是否可以恢复。
空间方法帮助研究人员理解鞭虫感染
鞭虫是困扰现代和古代人类的肠道寄生虫，包括5300年前的"冰人奥茨"。为了了解鞭虫如何感染消化道，像剑桥大学免疫学家Maria Duque-Correa这样的研究人员使用小鼠模型和三维肠道类器官。他们拍摄了鞭虫钻入组织的视频，并观察了这些寄生虫如何与试图清除它们的细胞对抗。Duque-Correa希望这些模型可以帮助研究人员开发治疗鞭虫感染的新药和更好的药物。
研究人员从羊水生成了各种人类胎儿类器官，包括肺部。
Giuseppe Calà, Paolo De Coppi, Mattia Gerli
胎儿类器官的空间研究可能揭示罕见发育障碍的见解
大约三分之一出生时患有先天性膈疝（CDH）的婴儿无法存活，这是一种影响肺部的罕见疾病。为了研究CDH如何发生及其对器官发育的影响，伦敦大学学院的干细胞生物学家Mattia Gerli领导的研究人员最近使用来自羊水的细胞生成了胎儿类器官，羊水是围绕发育中胎儿的保护性黄液。Gerli和他的同事在医生进行手术干预治疗CDH之前和之后收集了羊水，然后比较了来自两个不同时间点的类器官。该团队观察到表明手术后组织成熟的基因表达模式，这表明类器官在帮助研究人员了解胎儿器官发育和CDH进展方面的潜力。
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