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CRISPR的曆史、現在與未來

時間:2024-10-26 01:20:08

像許多學科一樣,生物學家們研究得越深入,就越發現生命的複雜玄妙。

曾經,生物學隻是一門探索性的觀察實驗科學。20世紀初,人們剛剛搞清楚狗流口水是因為條件反射,誰也沒想到,僅僅50年後生物學就進入了分子時代—DNA是一道光,如此美妙,祖先的奧秘、進化的密碼、疾病的根源……雖然衆說紛纭,但一切都正在變得可以解釋。

光是理解當然不夠,重要的是如何着手改變。在基因編輯技術發展的早期,生物學家們耗費大量時間将基因加載到用來目标細胞裡,這是一個耗時耗力、堪稱“勞動密集型”的過程,直到2012年CRISPR的橫空出世。

“CRISPR是什麼”?簡單來說,它是一種革命性的、強大的新型基因編輯工具,可以精确定位和切割任何種類的遺傳物質,是修改地球上任何生物(包括人類)生命密碼的最快、最簡單和最便宜的方法。

CRISPR的本義是廣泛分布在微生物中的一系列重複的DNA序列,是細菌用來保護自己免受病毒攻擊的防禦系統。簡而言之,細菌利用這些基因序列來“記住”攻擊它們的“敵人”,并将“敵人”的DNA整合到自己的基因組中,由此獲得對特定“敵人”的免疫力。

科學家發現這個過程中,位于CRISPR附近的基因(被稱為Cas,CRISPR相關基因)會産生特殊的酶,能夠切割DNA,尤其是CRISPR-Cas9,能夠在動物體内執行這種操作,仿佛一把“分子手術刀”,可以在DNA中産生雙鍊斷裂,以便插入新的DNA片段取而代之。

CRISPR使生物學比以往任何時候都更具有可編程性。甚至有業内人士宣稱,生物學将是下一個偉大的計算平台:DNA是代碼,CRISPR是編程語言。

雖然還處于早期階段,自最初發現CRISPR以來,其應用的領域迅速擴大。由于非常容易建立和使用,各個領域的研究人員都可以利用CRISPR,尤其是非動物相關領域。

目前,監管機構對基因編輯作物幾乎沒有任何抵觸情緒,比如美國農業部就一路大開綠燈。2016年,被改造成耐褐變的白色蘑菇成為第一個通過美國農業部批準的CRISPR編輯的有機體。

從一個更廣闊的視角看,基因編輯可以使種植更加高效,緩解全球糧食短缺等等。由于氣候變化的影響,我們也急需使用CRISPR保護糧食和農産品免受新細菌的侵害,更加耐旱、耐澇、耐熱、耐寒,攜帶更多的營養物質,可以保存更長時間等等。

在動物研究領域,小鼠是哺乳動物中理想的實驗對象。科學家多用其來研究如何定位疾病、缺陷基因以及如何消除它們。在CRISPR技術改造的“動物園”裡,已經有了抗瘧疾的蚊子、能精準控制顔色的錦鯉、能生不令人過敏雞蛋的雞、瘦肉更多脂肪更少的豬、快速生長的三文魚……下一個目标會是誰呢?

當然最具有争議的,無疑是編輯人類DNA的CRISPR實驗。使用CRISPR進行人體治療時,安全性是最大的問題。災難性的結果之一是脫靶效應。雖然操作和效率都得到了提升,但CRISPR不能保證每次都準确匹配被剪斷的基因,DNA損傷修複的時候也可能出現意外。就像出軌的列車,單個基因編輯可能導緻基因組中其他地方發生意外,導緻組織異常生長。

另一個問題是馬賽克生成的可能性。在CRISPR治療後,患者可以混合編輯和未編輯的細胞,即“馬賽克”。随着細胞不斷分裂和複制,一些細胞可能會被修複,而其他細胞則不會被修複,最後可能會引發患者免疫系統的不良反應。

除了治療,再進一步思考就會面臨倫理的考驗。與任何新技術一樣,研究人員不确定CRISPR的整個影響範圍。一般來說,每個基因有50%的機會被遺傳給後代,但基因編輯卻可以用來确保某種基因有更大的遺傳幾率。通過生态系統造成的多米諾骨牌效應是無法預測的。

如果改造了一個人的皮膚、大腦、肌肉等細胞,會不會傳遞給後代?會不會修改生殖細胞(卵子或精子),選擇我們想要遺傳給後代的基因?如果未來我們知道了每個基因的作用和位置,按照這種邏輯,父母會不會想要“設計”一個完美的孩子?身高、膚色、性格和智商?

當技術可以改變生命法則時,其影響是深遠的。我們唯一可以确定的是人類已經開始了對終極的探索,沒有人知道這輛高速列車将會馳向何方。
   

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