新科技快速指南系列之“基因編輯 CRISPR”：歷史、現在與未來科技頭條網

2018-05-02 10:56:09 36氪

如果你問“Crispr 是什麼？”簡單來說，這是一種革命性的新型分子工具，科學家們可以利用它精確定位和切割任何種類的遺傳物質。Crispr系統是科學家們用來操縱地球上任何生物(包括人類)的生命密碼的最快、最簡單和最便宜的方法。

複雜點來說， Crispr 代表的是集群的定期間隔式的重複。Crispr系統由具有序列剪切能力的蛋白質和遺傳GPS導航組成。這種系統在細菌王國中自然進化出來，作為記憶和防禦入侵病毒的一種方式。但是研究人員最近發現，他們可以重新利用原始免疫系統來精確地改變基因組，從而引發數十億美元的DNA黑客熱潮。

在短期內，Crispr不會結束疾病、飢餓或氣候變化。也許永遠不會。設計者也不會改變孩子的基因或犯下基因滅絕罪。(但開始談論如此強大的技術可能帶來的倫理困境，永遠不會太早。）然而，Crispr 已經開始以更不激進的方式重塑我們周圍的物理世界，一次一個鹼基對。

CRISPR的歷史

這是從酸奶開始的。為了製造酸奶，乳製品生產商長期以來一直使用嗜熱鏈球菌( streptoccus thermophilus )來提供幫助。嗜熱鏈球菌是一種吞噬牛奶中乳糖並排出乳酸的細菌。然而，直到2005年，一位名叫魯道夫·巴蘭古（Rodolphe Barrangou）的年輕微生物學家才發現，嗜熱鏈球菌中含有奇怪的重複DNA序列片段——Crisprs，這些序列保證了嗜熱鏈球菌免受那些能夠導致破壞的病毒的侵襲。(如果嗜熱菌消失了，鼻細菌（ nastier bacteria）會進入其中，以乳糖為食，破壞產品。)

不久，杜邦收購了巴蘭古供職的丹麥公司，並開始使用Crispr來保護其所有酸奶和乾酪培養物。由於杜邦擁有全球乳製品市場50 %的份額，這意味著你可能已經在比薩上吃到過經Crispr優化的奶酪了。

與此同時，基因測序的成本直線下降，世界各地的科學家正在組裝細菌的基因組。正如他們所做的那樣，他們發現Crisprs隨處可見——超過一半的細菌王國都有Crisprs。通常，這些序列的兩側是一組編碼的一類稱為內切核酸酶的切鏈酶的基因。科學家懷疑它們參與了這種原始的免疫系統，但究竟是怎麼回事？

關鍵的洞察力來自於一種特別令人討厭的病菌，它能引起喉嚨不舒服。它的Crispr系統產生了兩個RNA序列，這兩個RNA序列連接到一種稱為Cas9的蛤形內切核酸酶上。就像遺傳GPS一樣，這些序列將酶導向與RNA序列互補的DNA鏈。當它到達那裡時，Cas9改變了形狀，抓住 DNA 並將其切成兩半。做出這一發現的分子生物學家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna ）和艾曼紐·夏彭蒂爾（Emmanuelle Charpentier）在2012年與《科學》雜誌上發表了他們關於細菌的研究成果。但在將這一技術作為基因工程的一種工具獲得專利之前，這一點是不可能實現的。如果你切換RNA導航，你就可以把Cas9送到任何地方——比如說，把引起亨廷頓舞蹈病的基因剪下來。他們意識到，Crispr將是分子生物學家的曲速引擎。

CRISPR的未來

就目前而言，Crispr仍然是生物學家的流行語。但是就像計算機從一個乏味的、專門為數學愛好者設計的工具演變成了我們身體無處不在的、無形的延伸一樣，Crispr總有一天會無縫地編織到我們現實的結構中。如果這只是一個生物性的問題，問題很容易就能解決。

以工業發酵為例。在老式基因工程技術的幫助下，科學家們已經將大腸桿菌和啤酒酵母等微生物，重新編程到可以生產從胰島素到乙醇等各種物質的工廠中。Crispr將迅速擴大生物精煉廠所能生產的設計化學品、分子和材料的目錄。自癒合混凝土？耐火、以植物為基礎、比鋁還輕的建築材料？完全可生物降解的塑料？Crispr不僅使所有這些成為可能，也使大規模生產它們成為可能。

Crispr技術的民主化，加上其幾乎無限的商業可能性，使得今天是成為一名分子生物學家的絕佳時機。想要製造只針對有害細菌而不消滅整個微生物群的抗生素嗎？有些公司正在這樣做。想要製作醫生可以用來檢測登革熱和寨卡病等疾病的紙質診斷嗎？也有研究實驗室和創業公司正在這樣做。隨著更多工具上線，後端Crispr生態系統將不斷擴展以支持、提供和優化這些工具。