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新科技快速指南系列之“基因编辑 CRISPR”:历史、现在与未来

2018-05-02 来源:  浏览:    关键词:
原标题:新科技快速指南系列之“基因编辑 CRISPR”:历史、现在与未来
编者按:《连线》杂志发表了一系列文章来介绍最新的技术与网络文化。本文是CRISPR篇,作者为MEGAN MOLTENI。由36氪编译。

在基因编辑技术发展的早期,生物学家们有一个类似于印刷机分子工具箱。也就是说,将基因加载到用来绑定目标细胞的病毒上,改变DNA是一个混乱的、劳动密集型的过程。它涉及到的不仅仅是大量的学科交叉。 如今,科学家拥有像微软Word那样的工具,他们可以开始像软件工程师修改代码一样轻松地编辑DNA。到底是什么推动了这一跃迁?我们称之为2012年的Crispr大地震。
如果你问“Crispr 是什么?”简单来说,这是一种革命性的新型分子工具,科学家们可以利用它精确定位和切割任何种类的遗传物质。Crispr系统是科学家们用来操纵地球上任何生物(包括人类)的生命密码的最快、最简单和最便宜的方法。
复杂点来说, Crispr 代表的是集群的定期间隔式的重复。Crispr系统由具有序列剪切能力的蛋白质和遗传GPS导航组成。这种系统在细菌王国中自然进化出来,作为记忆和防御入侵病毒的一种方式。但是研究人员最近发现,他们可以重新利用原始免疫系统来精确地改变基因组,从而引发数十亿美元的DNA黑客热潮。
每一个行业都在向Crispr投入大量的资金——制药、农业、能源、材料制造。甚至连那些大麻贩子都想砸钱进去。这些公司正在利用它来制造治疗癌症的药物、对抗气候变化的作物、能渗出生物燃料的藻类和自我终止的蚊子。学术研究人员几乎普遍采用Crispr来更深入地了解其模型生物的生物学。支持这一生物黑客盛宴的是一个日益拥挤的Crispr后端供应链;企业建立基因编辑器设计工具和运输合成指南RNA或Crispr 之前的细胞系到这些公司的大门。然而,到目前为止,只有很少的Crispr增强产品能够实际进入到消费者的手中。取而代之的是,夸张的头条新闻引发了社会对这项技术的希望和恐惧,从拯救濒临灭绝的物种到引发超级婴儿的军备竞赛。
在短期内,Crispr不会结束疾病、饥饿或气候变化。也许永远不会。设计者也不会改变孩子的基因或犯下基因灭绝罪。(但开始谈论如此强大的技术可能带来的伦理困境,永远不会太早。)然而,Crispr 已经开始以更不激进的方式重塑我们周围的物理世界,一次一个碱基对。
这是从酸奶开始的。为了制造酸奶,乳制品生产商长期以来一直使用嗜热链球菌( streptoccus thermophilus )来提供帮助。嗜热链球菌是一种吞噬牛奶中乳糖并排出乳酸的细菌。然而,直到2005年,一位名叫鲁道夫·巴兰古(Rodolphe Barrangou)的年轻微生物学家才发现,嗜热链球菌中含有奇怪的重复DNA序列片段——Crisprs,这些序列保证了嗜热链球菌免受那些能够导致破坏的病毒的侵袭。(如果嗜热菌消失了,鼻细菌( nastier bacteria)会进入其中,以乳糖为食,破坏产品。) 
不久,杜邦收购了巴兰古供职的丹麦公司,并开始使用Crispr来保护其所有酸奶和干酪培养物。由于杜邦拥有全球乳制品市场50 %的份额,这意味着你可能已经在比萨上吃到过经Crispr优化的奶酪了。
与此同时,基因测序的成本直线下降,世界各地的科学家正在组装细菌的基因组。正如他们所做的那样,他们发现Crisprs随处可见——超过一半的细菌王国都有Crisprs。通常,这些序列的两侧是一组编码的一类称为内切核酸酶的切链酶的基因。科学家怀疑它们参与了这种原始的免疫系统,但究竟是怎么回事?
关键的洞察力来自于一种特别令人讨厌的病菌,它能引起喉咙不舒服。它的Crispr系统产生了两个RNA序列,这两个RNA序列连接到一种称为Cas9的蛤形内切核酸酶上。就像遗传GPS一样,这些序列将酶导向与RNA序列互补的DNA链。当它到达那里时,Cas9改变了形状,抓住 DNA 并将其切成两半。做出这一发现的分子生物学家詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna )和艾曼纽·夏彭蒂尔(Emmanuelle Charpentier)在2012年与《科学》杂志上发表了他们关于细菌的研究成果。但在将这一技术作为基因工程的一种工具获得专利之前,这一点是不可能实现的。如果你切换RNA导航,你就可以把Cas9送到任何地方——比如说,把引起亨廷顿舞蹈病的基因剪下来。他们意识到,Crispr将是分子生物学家的曲速引擎。
六个月后,麻省理工学院和哈佛大学一位名叫张峰的分子生物学家在《科学》杂志上发表了一篇论文,展示了Crispr - Cas9是如何编辑人类细胞的。事实上,有了正确的基因导航,你几乎可以使任何东西变得纵横交错。这意味着它可能被用于研制下一代药物,这些药物可以消除遗传缺陷,增强人体对癌症的天然防御能力。这意味着大量的金钱。
也可以预见,一场专利之争将随之而来,至今仍在继续。Crispr的先驱者创建了三家拥有独家许可证的公司,利用Crispr / Cas9来治疗人类疾病;首批临床试验预计将于2018年在美国开始。关于谁将最终拥有这项技术的不确定性几乎没有减缓人们对Crispr的欲望。如果说有什么不同的话,那就是它引发了人们对开发相互竞争和相邻工具的兴趣,这些工具有望进一步完善和扩大Crispr的潜力。
就目前而言,Crispr仍然是生物学家的流行语。但是就像计算机从一个乏味的、专门为数学爱好者设计的工具演变成了我们身体无处不在的、无形的延伸一样,Crispr总有一天会无缝地编织到我们现实的结构中。如果这只是一个生物性的问题,问题很容易就能解决。
以工业发酵为例。在老式基因工程技术的帮助下,科学家们已经将大肠杆菌和啤酒酵母等微生物,重新编程到可以生产从胰岛素到乙醇等各种物质的工厂中。Crispr将迅速扩大生物精炼厂所能生产的设计化学品、分子和材料的目录。自愈合混凝土?耐火、以植物为基础、比铝还轻的建筑材料?完全可生物降解的塑料?Crispr不仅使所有这些成为可能,也使大规模生产它们成为可能。
但是,我们现在拥有的工具无法达到这个目标。这就是为什么研究人员现在竞相绘制更清晰的Crispr世界的全貌。此时此刻,他他们正在全球范围内搜寻模糊细菌的序列,他们正在修补已经发现的系统。他们每遇到一个有希望的新核酸酶就申请专利,在未来的十年里,这个列表一定会扩大。每一种新的酶不仅将提高Crispr的基因编辑能力,而且还会将它的能力扩展到远远超出DNA能处理的范围。你看,切片和切割并不是对DNA能做的唯一有趣的事情。新的Crispr系统可以临时切换基因的开关或监测基因组,以修复突变,因为它们是实时的,所以不需要剪切。第一种方法可以让科学家在不永久改变病人DNA的情况下,治疗某些物质(如胰岛素)含量过高或过低的人类疾病。第二种方法有一天可以预防癌症等疾病的发生。Crispr的特性,可能超过了它实际的切割机制,它将激发出我们无法想象的应用。
与此同时,消费者很快就会看到第一批Crispr产品出现在杂货店的货架上。由于Crispr不使用植物病毒来操纵DNA,美国农业部对基因编辑过的作物给予了免费的监管许可,允许耐旱大豆和超淀粉玉米用于你最喜欢的加工食品。特色水果和蔬菜很可能会跟随大宗商品作物;监管负担的减轻和Crispr的廉价性将使公司能够吸引消费者的感官,而不是农民的底线进入市场。已经有十几家创业公司涌现出来挑战拜耳、孟山都、道杜邦和世界先锋了。
Crispr技术的民主化,加上其几乎无限的商业可能性,使得今天是成为一名分子生物学家的绝佳时机。想要制造只针对有害细菌而不消灭整个微生物群的抗生素吗?有些公司正在这样做。想要制作医生可以用来检测登革热和寨卡病等疾病的纸质诊断吗?也有研究实验室和创业公司正在这样做。随着更多工具上线,后端Crispr生态系统将不断扩展以支持、提供和优化这些工具。
Crispr应用程序只会变得更强大,当到了那个时候,它们面临更多的审查和监管。我们必须弄清楚是否可以,以保护的名义消灭整个物种,并把其他物种从灭绝中拯救出来。我们不得不面对基因编辑工具可能被用来制造深不可测的生物武器的可能性。是的,我们最终将不得不谈论设计婴儿;什么时候可以修复基因突变?我们是否会开始添加功能?我们在哪里划界线?Crispr,以及有朝一日将构成Crispr世界的所有工具,无疑将迫使社会——而不仅仅是科学家——去面对这些问题,思考其中最古老的问题;作为人类意味着什么?
病毒的工作原理是把你的细胞变成它们DNA的小工厂。一个基于Crispr的测试可以从一滴血、一口唾沫或一滴尿液中提取出外源DNA,并在几分钟内告诉你你体内是否有寨卡病毒、登革热或黄热病。
每年,真菌消灭了三分之一的农作物。Crispr可以找出最严重的“违规者”,这有助于农民在农作物发生枯萎病发生之前挽救收成。
由于过度使用,世界上的抗生素正在失去效力。以Crispr为基础的新药物,只针对有害细菌,可以保持微生物群完整,有助于对抗抗生素耐药性。

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