“基因编辑 CRISPR”：历史、现在与未来

来源：36氪

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。

CRISPR的历史

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。

CRISPR的未来

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。