042｜基因编辑技术的产业化正在加速

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042｜基因编辑技术的产业化正在加速

  

今日内容看点

通过阅读今天的内容，你将会掌握以下两个问题的答案：

CRISPR-Cas9 是怎么诞生的？发展历程是怎样的？

这项技术取得了哪些成绩？有哪些应用？未来前景如何？

昨天我们为大家介绍了突破性的基因编辑技术 CRISPR-Cas9 和它的三位主要发明人张峰、Doudna，还有Charpentrier。

我们说这个技术的诞生，远不止这三位做过重要贡献，它更是许多科学家集体努力的结果。

今天我们就和大家详细聊一聊 CRISPR-Cas9 的诞生和发展，以及一位对 CRISPR-Cas9 基因编辑，甚至整个分子生物学都功勋卓著的科学家George Church。

从中你将会发现，这是一个科技突破需要合作，科学家需要跨界的时代。

一、CRISPR-Cas9的诞生

昨天我跟大家讲过，CRISPR-Cas9 由负责识别的 CRISPR 和负责剪切的 Cas9 组成。

先来看看CRISPR。

1987年日本科学家石野良纯首次观察到 CRISPR 基因。

之后西班牙科学家 Francisco Mojica 发现了 CRISPR 序列的特殊结构，以及它和侵入细菌的病毒的基因十分相似。

随着越来越多的类似发现，CRISPR 作为细菌的免疫系统的假设被提出，也得到了广泛的认可。

2007年，酸奶公司 Danisco 的科学家 Philippe Horvath 和Rodolphe Barrangou 首次通过实验证实了这个假设。这是人们认识 CRISPR 系统的里程碑。

后来包括Charpentier 在内的多国科学家逐步阐明 CRISPR 识别病毒基因的具体机制和关键。

同时另一边，科学家们发现了 Cas9 以及它作为 DNA 剪刀的作用。

CRISPR 可以与多种剪刀合作，但早期发现的剪刀都是由多种蛋白质组成的，很难改造利用。

法国科学家 Alexander Bolotin 发现了这个由单一蛋白构成的 Cas9 剪刀。

接着立陶宛科学家 Virginijus Siksnys 成功将从嗜热链球菌中发现的 CRISPR-Cas9 导入大肠杆菌并让它正常发挥作用，这证明了 Cas9 能够单独完成剪切工作。

至此，科学家们找齐了 CRISPR-Cas9 需要的所有组件，也能在非原生物种中搭建完整的系统。

二、CRISPR-Cas9的发展

紧接着，科学家 Virginijus Siksnys、Charpentier 和 Doudna 进一步阐明了 Cas9 的剪切位点和剪切方式，Charpentier 和 Doudna 发表了第一篇改造 CRISPR-Cas9 的文章，主要内容是简化这个分子系统，把它改造成可以利用的基因编辑工具。

很快，张峰也发表了他对 CRISPR-Cas9 的改造，改造后的系统可以被更好地应用于真核生物，还能够实施多位点、DNA 单链的剪切。

有趣的是，另一个实验室也独立研发出了同样真核、多位点、单链的改造，文章也被发表在同一期的《科学》杂志上。这个实验室正是张峰的博士后导师，我们待会儿要讲的大牛人 George Church 的实验室。

从CRISPR-Cas9 的诞生和发展中，我们不难看出，这个工具的发明是在许多优秀科学家成果的基础上，靠着点滴进步和长期积累获得的。

CRISPR-Cas9 发明之后，更多的科学家参与到 CRISPR 的改进、拓展以及应用的工作中，极大地加速了 CRISPR 的发展与成熟。

短短几年，CRISPR-Cas9 就被成功地拓展到斑马鱼、老鼠、猕猴，甚至人体基因的编辑中，应用更是遍地开花。

所以说，现在再也不是一个天才凭借一己一时之力，就可以阐明运动三大定律的时代了，科技突破需要科学家们的通力合作。

三、遗传学教授George Church

CRISPR-Cas9 的诞生和发展背后有相当多的牛人，其中不得不提的一位，就是这位哈佛大学的遗传学教授，基因组学和合成生物学的大师级人物 George Church。

其实CRISPR-Cas9 只是他研究中的冰山一角，他专注的是整个基因编辑和基因测序领域，他所取得的很多成就，都是奠基性的大工程或者革命性的技术改进。其实很多人都认为他是合成生物学的奠基人和创始人。

从他的研究中你会看到基因编辑技术、基因组学，乃至分子生物学这40多年来的发展脉络、现状和未来。

四、基因测序的成功实践

先来看看他在基因测序领域做出的不朽成绩，这方面 George Church 的两位博士导师对他帮助巨大：

第一位博士导师推动着 George Church 在基因测序技术上获得重大突破。他是基因测序技术的发明人之一，诺贝尔奖获得者 Walter Gilbert。

George Church 跟随着导师完成了第一代基因测序，推动了1984年人类基因组计划的启动，并在1994年实现了第一次商业化的人类基因测序。2005年 George Church 又发明了成为第二代基因检测的重要技术之一的“聚合酶测序方法”，并被 Life Technologies 公司采用，如今被广泛运用于商业化基因测序。

第二代基因测序的发展，使得基因测序的成本急速下降，从2007年起成本平均每5个月就减半。一个人类基因组测序的成本从2007年的1000万美金降到了现在的1000美金。George Church 还是现在迅速兴起的纳米孔测序技术和未来将会给脑科学研究带来巨大变革的原位荧光测序技术的重要开发者。

他在基因测序方面的影响力不言而喻。

George Church 的另一位博士导师叫 Bernard Dujon，则为他打开了基因编辑和合成生物学的领域的大门。

他在这方面的成就和影响力跟测序领域相比有过之而无不及。Bernard Dujon 是第一种确切的 DNA 切割方法的发现者，在他的影响下，George Church 密切地关注各种基因编辑的方法的进展。从早期的叫 ZFN 到后来的 TALEN 和 CRISPR 他都有参与。

George Church 还发展了同源重组的基因操作方法，并借此构建了大规模自动化的基因组工程策略叫 MAGE。这个方法可以实现快速、大规模、多基因的自动化微生物改造，随后可以大规模构建微生物品系的 EnEvolv 公司也因此创立。

他还把这个 MAGE 策略用在一项目前最大规模的基因改造工程中。生物体将 DNA 翻译成氨基酸时需要一套64个的密码子，但由于氨基酸只有20种，大量剩余的密码子就利用 MAGE 策略，把其中7种密码子用同样含义的其他密码子替代，设计合成了只有57个密码子的大肠杆菌。那被替换掉的7个密码子就用来编成非自然氨基酸，实现人为设计的功能。改变了的密码系统也让病毒的基因因为得不到正确的翻译，从而失去对细菌的威胁。

五、编辑技术的成功应用

不过，MAGE方法只能在大肠杆菌中起效，而 CRISPR-Cas9 可以在几乎所有物种中使用。所以当 CRISPR-Cas9 系统被发现之后，George Church 第一时间就跟进，并把它改造成基因编辑工具。

George Church 在 CRISPR-Cas9 的应用方面也有突出成绩，这里给大家介绍两个著名案例：

1. 杨璐菡改造可用于器官移植的小猪

猪是潜在的最佳人类器官移植的供体，但它有两个风险，一是猪的器官会引起人体强烈的免疫排异反应，再一个是猪携带的可能危害人体的内源性病毒。

他们用CRISPR-Cas9 成功地构建出敲除了所有内源性病毒基因的猪。紧接着他们把 CRISPR-Cas9 和同源重组方法结合，最终改造出真正可以用于器官移植的猪。

George Church 和杨璐菡还创立了以此为核心技术的 eGenesis 公司，并获得了3800万美元的融资。

顺便说一句，杨璐菡本科毕业于北京大学，是中国海外留学的科研人员的杰出代表，曾因第一个利用 CRISPR-Cas9 技术修改细胞基因组和领导 eGenesis，而被福布斯杂志评为，2014年30个30岁以下科学医疗领域的领军人物之一，在2017年3月，她又被世界经济论坛评为全球青年领袖。

2. DNA的信息储存技术

他将一段电影中每个像素的信息用 DNA 序列编码，利用 CRISPR-Cas9 把这些编码按顺序插入细菌的基因组中，这种方法还原出的信息准确度高达90%。而且随着细菌的繁殖，其中的信息将会被大量、低成本地复制，以及高密度地储存。George Church 的试验证实了 DNA 是储存信息的良好介质的概念。

3. 其他尝试

除了上面两个成功的应用案例，George Church 还做了许多大胆的尝试。

比如，GeorgeChurch 想利用 CRISPR-Cas9 修改大量的基因，观察这些基因改变对机体带来的影响，从而研究清楚和衰老相关的基因和分子通路，以此实现人类长久以来抗衰老甚至逆龄的梦想，就是逆生长的梦想。

再比如，GeorgeChurch 还想利用 CRISPR 为古生物研究提供全新的思路。2015年他曾经尝试将猛犸象的部分基因导入现代大象体内，让史前生物的某些特征活生生地展现在人们面前。他还提出，用类似的方法，理论上我们甚至可以研究尼安德特人的特点，当然伦理上我们不应该这么做。

此外，对CRISPR 和其他基因编辑技术的应用，他还有消灭感染、揭示大脑的奥秘、优化干细胞治疗等等许多设想和期待，这也正是许多科学家的共同目标，周四的产业分析我将为大家作进一步介绍。

当然，除了前面说的基因测序和编辑技术，George Church 还对许多领域有所涉猎。他的工作不但具有开创性和系统性，还总是非常有趣。

比如他参与了用 DNA 做暗物质探测器的开发。将设计好序列的 DNA 悬挂在金薄片上，当未知物质的粒子撞击金薄片的时候，相应位置的 DNA 就会被切割掉落，通过检测 DNA 的序列就能知道未知粒子扫过了哪些位置，勾画出未知粒子的运动轨迹。

六、跨界或多学科交叉的背景

George Church 在研究成果的产业化道路上也是成绩斐然，他和实验室里相关的博士后、学生一起创立了十几家公司，他还是许多生物科技企业的顾问和科学家。

迄今为止，他发表了400多篇学术文章、90多项专利，创立了十几家公司，参与或成果转化被应用到的有70多家公司。

能做出如此优秀的成绩，或许和他跨界的背景分不开。

他从小就涉猎广泛，对物理、化学、生物、计算机等等都有浓厚的兴趣，研究生时他先在微生物系的 X 射线晶体实验室做了不少成绩，后来又投了分子生物学。这些都为他日后开发革命性的工具、搭建奠基性的工程打下了基础，更成就了他开阔的视野和不拘一格的创造力。

不过你可别简单地把 George Church 想成就是学霸而已，他其实是超级学霸，他只用两年就拿到了本科学位，在读研究生的时候，为了研究转运 RNA 的晶体结构，他在实验室一周工作超过100小时，其他什么事情都不做，以致于校方认为他没有尽到学生的义务而终止了他的博士学习。

七、共享精神

George Church 总是用开放的心态和共享的精神拥抱世界。

他和妻子为公众的科学教育事业做出了巨大贡献，他的妻子 Ting Wu 是优秀的遗传学家，她还是个人基因教育项目的主创人，这个项目为公众更好地了解和参与这个需要大数据、关乎每个人、会带来社会变革甚至牵涉伦理问题的领域提供了窗口。

如果你有兴趣，可以进入 Personal Genetics Education Project 这个网站了解更多信息。

顺便八卦一下，George Church 的岳父名叫吴讷孙，是北京人，西南联大毕业以后去耶鲁拿到了艺术史博士学位，此后一直在美国任教。他写的以西南联大为背景的小说《未央歌》被认为是中国现代文学史上的巨著，李安执导《色戒》的时候，《未央歌》被指定为演员必读书。

George Church 还具有分享精神。为了搭建一个开源的人类基因库平台，他创立了个人基因组计划。他还通过全球科学家质粒共享非盈利组织 Addgene 和全世界分享他们最近的基因编辑成果。

今日知识小结

总结下来，今天我们说了三点：

富于创造力的科技突破，需要坚实的科研基础，需要科学家们，尤其是实力超强的科学家们的通力合作，需要跨界的交叉与碰撞，需要鼓励探索精神和共享精神和氛围。这里面名校的作用显著，因此我们常说，科技突破经常是系出名门。

科技突破成了应用和产品开发的必要条件，但是并不充分，还需要产业研发公司来做产品化的工作，才能使得科技真正造福人民！

基因编辑技术的应用范围非常广泛，大师级科学家 George Church 已经为我们做出了许多好的示范。

今日思考题

什么样的环境与氛围有利于科研的发展？我们的国家在哪些方面还可以改进？

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