細菌也會(huì )生病，這對于乳品業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)潛在的大問(wèn)題。乳品業(yè)通常依靠細菌（諸如嗜熱鏈球菌）生產(chǎn)酸奶和乳酪。嗜熱鏈球菌將牛奶中的乳糖分解為有刺激性的乳酸。但是某些病毒，諸如噬菌體能逐步削弱細菌，進(jìn)而對在細菌作用下生產(chǎn)的食物的質(zhì)量或數量造成嚴重損害。
CRISPR技術(shù)
2007年，來(lái)自丹尼斯克公司（一家總部位于丹麥哥本哈根的食品添加劑公司，目前被杜邦公司收購）的科學(xué)家找到了一種能增強細菌防御噬菌體能力的方法。這一發(fā)現使得杜邦公司能夠為食品生產(chǎn)培育更強壯的菌株。一些基本的原理也被揭示：細菌具備一種有高度適應性的免疫系統，使得它們能擊退來(lái)自某種噬菌體的多次進(jìn)攻。
突然之間，不僅是食品科學(xué)家和微生物學(xué)家，很多領(lǐng)域都意識到細菌免疫系統的重要性，因為它具備一個(gè)非常有價(jià)值的特性：以某個(gè)特定的基因序列為目標。今年1月，4個(gè)研究團隊報告了這一被稱(chēng)為CRISPR的系統。在接下來(lái)的8個(gè)月中，許多科研團隊利用它來(lái)刪除、添加、激活或抑制人體、老鼠、斑馬魚(yú)、細菌、果蠅、酵母、線(xiàn)蟲(chóng)和農作物細胞中的目標基因，從而證明了這個(gè)技術(shù)的廣泛適用性。
美國哈佛大學(xué)的George Church說(shuō)，生物學(xué)家最近開(kāi)發(fā)了一些新方法來(lái)精確操縱基因，“但CRISPR的功效和易用性在各方面都更勝一籌”。Church的實(shí)驗室是首批將該技術(shù)應用于人體細胞的實(shí)驗室之一。
基于CRISPR，科學(xué)家構建人類(lèi)疾病小鼠模型的速度要比之前快得多，研究單個(gè)基因則更為快速，能立刻容易地改變細胞中的多個(gè)基因，以便研究它們的相互作用。但是今年研究CRISPR的熱潮可能會(huì )減退，因為這種方法的局限性開(kāi)始顯現。但Church和其他CRISPR的先驅者已經(jīng)成立了公司，希望利用這項技術(shù)治療遺傳性疾病。美國波茲曼市蒙大拿州立大學(xué)生物化學(xué)家Blake Wiedenheft說(shuō)：“我不認為有任何領(lǐng)域的任何例子能夠說(shuō)明這項技術(shù)發(fā)展得過(guò)快?！?/p>
蹣跚起步
這種新基因工程工具于1987年被首次報道，一個(gè)研究團隊在一個(gè)細菌基因的一端觀(guān)察到一個(gè)奇怪的重復序列。這一現象當時(shí)并未引起太多人的注意。十年后，破譯微生物基因組的生物學(xué)家經(jīng)常發(fā)現類(lèi)似令人費解的模式（一個(gè)DNA序列緊跟著(zhù)幾乎完全相同但以相反方向構造的序列）。這一模式出現在超過(guò)40%的細菌和90%的古生菌中。
很多研究人員假定這些奇怪的序列是毫無(wú)意義的，但是2005年，三個(gè)生物信息學(xué)團隊報告，間隔區DNA通常和噬菌體的基因序列相匹配，表明CRISPR在微生物免疫中可能發(fā)揮了作用。加州大學(xué)（UC）伯克利分校生物化學(xué)家Jennifer Doudna說(shuō)：“這是一個(gè)非常重要的線(xiàn)索?！倍R里蘭州貝塞斯達市美國國家生物技術(shù)信息中心的Eugene Koonin和他的同事則提出，細菌和古生菌占據了噬菌體DNA，之后將其作為RNA分子（能阻止外來(lái)DNA的匹配）的一個(gè)模板保存起來(lái)，就像真核細胞利用一個(gè)被稱(chēng)作核糖核酸干擾（RNAi）的系統摧毀RNA一樣。
2007年，丹尼斯克團隊的Rodolphe Barrangou、Philippe Horvath和其他人證明，他們能通過(guò)添加或刪除和噬菌體DNA相匹配的間隔區DNA，改變嗜熱鏈球菌對噬菌體攻擊的抵抗力。在那時(shí)，Barrangou（目前就職于美國羅利市北卡羅來(lái)納州立大學(xué)）并未充分發(fā)揮CRISPR的全部潛能。他說(shuō)：“我們還不清楚這些元素能否像引人注目的基因編輯技術(shù)那樣，成為隨時(shí)可利用的技術(shù)?！?/p>
Doudna與目前任職于德國亥姆霍茲感染研究中心和漢諾威醫學(xué)院的Emmanuelle Charpentier開(kāi)展了下一個(gè)步驟。它們獨立地梳理了各種和CRISPR相關(guān)的蛋白質(zhì)所發(fā)揮的作用，研究間隔區DNA如何在細菌的免疫防御中發(fā)揮作用。但是這兩名專(zhuān)家很快轉而研究依賴(lài)一種被稱(chēng)為Cas9的蛋白質(zhì)的CRISPR系統，因為這個(gè)CRISPR系統比其他CRISPR系統更簡(jiǎn)單。
遭遇噬菌體入侵時(shí)，CRISPR會(huì )作出反應，此時(shí)細菌把間隔區DNA和DNA回文序列轉錄成一串長(cháng)的RNA分子。tracrRNA（一個(gè)額外的RNA片段）和Cas9一起作用產(chǎn)生crRNA（源自間隔區的RNAs）。Charpentier的團隊于2011年將這一發(fā)現報告在《自然》雜志上。該團隊提出，Cas9、tracrRNA和crRNA一起以某種方法攻擊和crRNA配對的外來(lái)DNA。
席卷全球
速度并不是CRISPR的唯一優(yōu)勢。Church的團隊正在推廣TALENs（合成核酸酶）在人體細胞中的使用。在3種類(lèi)型的人體細胞中，在切割目標DNA方面，CRISPR系統要比TALENs更高效，且能比TALENs處理更多的基因。為了說(shuō)明CRISPR系統的簡(jiǎn)便性，Church的團隊合成了成千上萬(wàn)的向導RNA序列——可鎖定90%的人類(lèi)基因。
幾乎和Church的論文同時(shí)出現的一篇獨立研究論文（由美國馬薩諸塞州博德研究所合成生物學(xué)家Feng Zhang和他的同事完成）顯示，CRISPR能立刻鎖定和切割人體細胞中的兩個(gè)基因。在和馬薩諸塞州懷海德生物醫學(xué)研究所發(fā)育生物學(xué)家Rudolf Jaenisch的合作中，Zhang分裂了小鼠胚胎干細胞中的5個(gè)基因。
這些工作為培育變異老鼠打下了基礎，這是生物醫學(xué)研究的一個(gè)關(guān)鍵工具。一個(gè)方法是，將發(fā)生突變老鼠的胚胎干細胞植入一個(gè)正在生長(cháng)的胚胎中。他的團隊發(fā)現，這能簡(jiǎn)單地將Cas9信使RNA和兩個(gè)向導RNAs注入老鼠的卵子或受精卵中。
根據Zhang的CRISPR技術(shù)，一個(gè)新的小鼠模型即將在幾周內投入測試。Zhang認為，這種方法并不局限于老鼠。只要你能操縱胚胎并重新植入胚胎，你將可以在更大型的動(dòng)物（甚至靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物）上開(kāi)展該研究。
在Zhang和Church的報告在線(xiàn)發(fā)表3周之后，Doudna的團隊和一個(gè)韓國研究小組報告稱(chēng)，他們成功利用CRISPR切除了人體細胞的DNA。與此同時(shí)，另外一個(gè)小組透露，他們利用CRISPR創(chuàng )造出變異的斑馬魚(yú)。一系列的研究報告造成了協(xié)同效應，為生物界贏(yíng)得了廣泛的關(guān)注。北卡羅來(lái)納州達勒姆市杜克大學(xué)生物醫學(xué)工程師Charles Gersbach說(shuō)：“如果只是一份報告發(fā)表的話(huà)，僅會(huì )獲得一些關(guān)注。但是當有6份報告同時(shí)發(fā)表時(shí)，這便意味著(zhù)它是大勢所趨?！?/p>
一年前，當高彩霞看到Doudna和Charpentier的研究報告后，她被他們的理論所折服。高彩霞的團隊來(lái)自北京市中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，她們已經(jīng)利用鋅指結構和TALENs技術(shù)在大米和小麥上進(jìn)行研究。通過(guò)利用CRISPR，她的團隊已經(jīng)成功地令大米的4種基因失去功能，這意味著(zhù)該技術(shù)可以用于改良大米這種重要的農作物。至于小麥，她們剔除了一種基因，使小麥獲得了白粉病抗性。CRISPR的進(jìn)展令人興奮，高彩霞團隊的研究報告發(fā)表在8月刊的《自然—生物技術(shù)》上，與此同時(shí)，還有另外4篇關(guān)于CRISPR在植物和老鼠身上的研究成果的報告同期發(fā)表。
CRISPR的使用成本很低：免費的軟件使得設計向導RNA（用于針對特定的基因）的成本為零，另外只需花費65美元便可以從名為Addgene的基因資源庫中獲取基因，來(lái)設計自己的CRISPR系統。自今年開(kāi)始，Addgene（共有11個(gè)科研小組為它提供了可用于CRISPR系統的DNA序列）已經(jīng)見(jiàn)證了5000種CRISPR構造的產(chǎn)生。今年7月，Addgene在一周內就收到了（為了設計一種新構造的）100份訂單，Addgene的執行董事Joanne Kamens說(shuō)：“Addgene正在熱賣(mài)中?！?/p>
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