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将让生命重塑的基因技术-【新闻】

发布时间:2021-05-24 08:11:11 阅读: 来源:新风系统厂家

将让生命重塑的基因技术[摘要]一种名为Crispr Cas9的基因编辑技术能使基因移植变得更容易,费用更便宜,任何生物无论是细菌还是人类的基因都可以移植。

腾讯科技讯 8月15日,美国《连线》杂志近日发表了一篇题为《简易基因编辑技术将改变世界》的封面文章,文章作者是埃米马克西门(Amy Maxmen)。文章介绍了一种名为Crispr Cas9的基因编辑技术,这种技术可以对治疗艾滋病、癌症起到重要作用,也可以为未来90亿人口生产农作物,但同时也可以带来巨大的灾难,如同科幻电影里出现的各种怪物。

下面是文章的主要内容(腾讯科技编译并整理):

在美国加州的艾西洛玛会议中心(Asilomar Conference Grounds)的那些工艺建筑之间,矗立着许多荆棘和锯齿状的松树。

这片地方是一个100英亩的沙丘,蒙特利半岛在这里像锤头一样嵌入太平洋.这片粗犷的风景让人触目惊心,它的设计旨在启发人们思考地球环境的演变。

这个地方还有一个很重要的使命: 1975年,全球140名科学家选择在这里举行了一次的会议。这些科学家为人类重组DNA操纵生命的源代码的狂想感到忧心。

40、50年代,James Watson、Francis Crick和Rosalind Franklin这三位科学家对DNA进行了描述,基因是携带遗传信息的DNA片段,是遗传的基础。

这些科学家聚焦在艾西洛玛会议中心是为了讨论一个问题:破译并重组生物基因,这一行为将对人类产生什么样的影响。将一个生命体中的基因移植到另一个生命体中,这是一种如同上帝般的力量。

这种技术如果得到明智的使用,它有可能拯救数百万人的生命。但是科学家们知道,这种技术也可能会失控。他们想知道与此有关的哪些行为应该被禁止。

1975年,物理学等其他科学领域的研究受到很大的限制。例如,几乎没有人被允许研究原子弹。但生物学不同。生物学家仍然在按照原来的计划进行他们的研究。

但有时监管机构仍会介入。在《纽伦堡法典》颁布和塔斯基吉人体实验被曝光之后,监管机构告诫生物学家不能用技术做坏事。科学家们希望在艾斯洛玛尔会议上建立非常具有开放性和前瞻性的指导方针。

生物学家David Baltimore

会议后,美国麻省理工学院的生物学家David Baltimore和其他四个分子生物学家用了整整一个晚上写出了一份共识声明。他们设想了防止潜在危险行为的方法,并明确将克隆和危险的病原体实验设为禁区。

有几位与会者还担心种系修改这个疯狂的想法,但多数人认为现在考虑太过遥远的事情是不切实际的。因为设计微生物已经够困难了,所以参与艾西洛玛会议的科学家制定的规则看起来非常超前。

今年早些时候,Baltimore参加了另一个在加利福尼亚州纳帕谷卡内罗斯客栈酒店(The Carneros Inn)举行的会议,与会者还有其他17位研究人员。我有一种似曾相识的感觉。Baltimore说。他再一次与世界上聪明的科学家聚集在一起,谈论基因工程的影响。

然而,事情已经有所变化。纳帕会议上的每个人都可以使用一种叫做Crispr Cas9的基因编辑技术。Crispr是clustered regularly interspaced short palindromic repeats(成簇的规律相间的短回文重复)的缩写,描述了这种技术的遗传学基础;Cas9是一种蛋白质的名称,正是它使Crispr成为可能。

撇开Crispr Cas9的技术细节不说,它将使基因移植变得更容易,费用更便宜,任何生物无论是细菌还是人类的基因都可以移植。这是生物医学研究历史上的重要时刻。Baltimore说。

这项技术问世仅仅三年。使用这项技术,研究人员已经可以逆转导致人们失明的基因突变,阻止癌症细胞繁殖,并可以使细胞免遭艾滋病病毒的影响。农学家已经研究出可以抵抗白粉病等致命病菌的小麦,这暗示人类可以通过基因工程创造出可以养活90亿人口的主要作物。生物工程师已经用Crispr来改变酵母的DNA,以使它能够分解植物物质和乙醇排泄物,这一技术有望结束人类对石油的依赖。

此外,致力于开发Crispr技术的创业公司也已经出现。国际制药和农业企业已经加速对Crispr技术的研发。美国两个好的大学正在为与此有关的基本专利而进行竞争。通过Crispr,有人看到一个闪闪发光的未来世界,有人看到诺贝尔奖章,有人看到大把的美元。

技术是革命性的,但像所有的革命一样,它也是危险的。Crispr的影响大大超出艾斯洛玛尔会议的任何讨论。它后可以让遗传学研究人员看到人们曾经担心的一切设计婴儿、侵袭性突变体、特异物种生物武器和科幻小说中出现的其他许多的东西。它为生命科学研究实践带来了全新的规则。但没有人知道规则是什么,也不知道谁将率先打破这些规则。

悠久的遗传学历史

在人们知道基因是什么之前,人类在某种意义上就已经是遗传工程师了。人类通过选育,可以培育出具有新特点的生命物种,例如甜玉米、面孔平坦的牛头犬。但这需要很长时间,并且它不一定能够成功。

到了19世纪40年代,人类对物种的改造变得更快了。科学家用x射线轰炸种子和昆虫卵,可以使它们的基因组像弹片一样散开,从而导致基因突变。如果大量被辐射过的植物或昆虫长大后具备了科学家希望它们具有的那些特点,它们就变得与众不同。这就是红葡萄柚和大多数用来酿制啤酒的大麦的来历。

基因修改的风险已经变小。2002年,分子生物学家学会使用一种被称为锌指核酸酶的酶素来删除或替换特定基因,新一代的技术则使用一种叫转录激活因子样效应物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases ,TALENs)的酶。

然而,这个过程是代价昂贵和极为复杂的。这项技术只适用于那些内脏分子结构已经被科学家彻底弄清的生物体,例如老鼠或果蝇。基因工程师们一直在寻找更好的方式,直到Crispr Cas9的出现。

但是,首先发现Crispr的并非基因工程师,而是探索生命起源之谜的基础研究人员。他们通过对古生菌等远古细菌的基因组进行测序。在这些细菌的基因序列中,微生物学家注意到一种像回文一样循环往复的片段。研究人员不知道这些片段有什么功能,但他们知道这是很怪异的。科学家将这些回文片段命名为Crispr。

在2005年,丹麦一家食品公司一位名叫Rodolphe Barrangou的微生物学家,在一种叫嗜热链球菌的细菌中发现了同样的回文片段,这种细菌是该公司用来制作酸奶和奶酪的。

Barrangou和他的同事发现,这些Crispr之间的未明DNA序列与侵入嗜热链球菌的病毒的基因片段是匹配的。像大多数生物一样,细菌也会受到病毒的攻击,这些病毒被称为噬菌体。

Barrangou的团队继续进行研究,希望弄清楚这种基因片段是否在细菌对噬菌体的防御中扮演了重要角色,亦即充当了一种免疫记忆。他们发现,如果噬菌体侵入了一个细菌,且这个细菌的Crispr携带了种类特征,那么这个细菌会对病毒进行反击。Barrangou和他的同事们意识到,通过选择具有Crispr序列的嗜热链球菌它们可以抵抗一般的乳制品病毒,他们可以为公司节省一些成本。

随着研究者对越来越多的细菌进行基因测序,他们在更多的细菌中找到了Crisprs。大多数的古生菌也一样。更奇特的是,与基因的典型特征不同,一些Crispr序列并非一种蛋白质的终编码者,相反它们导致了RNA的出现。

这个发现指向了一个新的假设。一些研究者开始怀疑Crispr并非原始的免疫系统。作为研究者之一,加州大学伯克利分校的Jill Banfield在加利福尼亚州沙斯塔县一个废弃铁矿山中的110度酸性水的一种细菌中找到了Crispr。

幸运的是,Banfield在研究过程中得到了RNA专家Jennifer Doudna的帮助。Jennifer Doudna是一位生物化学家,她早揭示了复杂的RNA分子的三维结构。来自矿山的细菌引起了Doudna的好奇,但当她仔细观察它们的Crispr时,她没有看到任何迹象表明这种细菌的免疫系统与植物和动物的免疫系统有关。不过,她认为这种系统可能适合于诊断测试。

请求Doudna帮忙研究Crispr项目的人并非Banfield一个。2011 年,Doudna在波多黎各参加美国微生物学会会议,一位叫Emmanuelle Charpentier的法国科学家向她寻求帮助。

Emmanuelle Charpentier解释说,一种包含Crispr的蛋白质似乎很不寻常。这种蛋白质似乎能够搜索病毒中的特定DNA序列,并将它们切断。Emmanuelle Charpentier希望Doudna 帮助他研究这种现象是怎么发生的。

回去后,Emmanuelle Charpentier收集了一簇化脓性链球菌,将它用于观察和实验。很少有人愿意接近化脓性链球菌,因为它们可以导致咽喉炎和坏死性筋膜炎。但这是Charpentier的工作。就是在这种酿脓链球菌中,她发现了神秘而强大的蛋白质现已被命名为Cas9。她将样品寄给了Doudna。

Charpentier的团队和Doudna的团队进行了合作,他们发现 Crispr能够产生两个短链RNA,而Cas9则附着在它们之上。这种短链RNA序列与病毒的DNA序列相匹配,并且可以像GPS一样对它们进行追踪。

当Crispr Cas9 基因编辑技术终于落地之后,Cas9 具备了神奇的力量:它能改变形状,抓住 DNA 并对它们进行的切断。

Doudna的博士后学生Martin Jinek将两个RNA 序列结合成一个可以编辑的序列guide RNA。他可以用任何遗传代码符号不仅来自病毒,也可以来自任何他们叫得出名字的生物制作guide RNA。在试管中,Jinek的guide RNA和Cas9 蛋白的结合被证明是一种可以切割DNA的编程技术。

我记得我跑到我的伯克利分校同事那里,告诉他们这梦幻般的结果,并说这是基因工程领域非常令人兴奋的技术。但我不认为他们完全理解。Doudna 说。他们有点敷衍,他们说哦,是的,这是很好'。

2012 年 6 月 28 日,Doudna 的团队在《科学》杂志上发表了这项研究成果。在这篇论文和早些时候的专利申请文件中,他们认为他们的这项技术可以成为基因组工程的一个工具。这项技术是简洁而成本低廉的,一个普通的研究生就可以进行操作。

这一发现很快引起了研究者的注意。在2012年之前的10年里,200 多篇论文提到了Crispr。到2014年,这一数字上升到三倍以上。Doudna和Charpentier近获得了生命科学突破奖(Breakthrough Prize in Life Sciences),奖金300 万美元。他们还双双入选《时代》杂志评选的全球100位有影响力的人。

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