DNA上動“手術(shù)”——神奇的CRISPR - Cas9 技術(shù)（上）
六、《解碼者》——詹妮弗?杜德納傳記
七、學習運用 CRISPR - Cas9 系統(tǒng)
八、讓基因剪刀修改人類細胞基因
DNA上動“手術(shù)”——神奇的CRISPR - Cas9 技術(shù)（下）
六、《解碼者》——詹妮弗?杜德納傳記
沃爾特·艾薩克森（Walter Isaacson）是美國著名傳記作家，以跨越科學與人文的獨特視角，將天才人物的創(chuàng)新歷程轉(zhuǎn)化為極具感染力的敘事記載。其作品既是對人類創(chuàng)造力的禮贊，也有對技術(shù)倫理的深刻叩問。
《解碼者：詹妮弗?杜德納、基因編輯與人類未來》（The Code Breaker：Jennifer Doudna, Gene Editing, and the Future of the Human Race）是沃爾特·艾薩克森對發(fā)現(xiàn) CRISPR - Cas 系統(tǒng)的人物傳記，或者更貼切地，應(yīng)稱是開創(chuàng) CRISPR 領(lǐng)域的英雄傳。
在這部著作中，他不僅詳述杜德納等先鋒們在實驗室中的突破歷程，更深入探討基因編輯技術(shù)將對人類未來產(chǎn)生的正負影響，以及對道德倫理的考量權(quán)衡。并通過記錄杜德納與他人在 CRISPR 領(lǐng)域突破時和應(yīng)用中的各種競爭和合作，使讀者得以窺見這些頂尖人物，在科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)應(yīng)用幕后的激烈博弈和復雜人性。
該書被《自然》雜志評為 “21 世紀最重要的科學史著作”，且由王宇涵翻譯，中信出版社于 2022 年出版了中文版。
七、學習運用 CRISPR - Cas9 系統(tǒng)
為了更“感性”地認識和理解 CRISPR - Cas9，我們不妨跟隨沃爾特·艾薩克森步伐，走進實驗室，拾起“基因剪刀”，進行一番實實在在操作，真真切切感受 CRISPR - Cas9 的魅力和神奇。
（以下根據(jù)《解碼者》一書第45章“學習編輯”改寫。此章內(nèi)容清晰準確演示 CRISPR- Cas9 系統(tǒng)，在試管中和人類細胞內(nèi)，如何發(fā)生作用和產(chǎn)生結(jié)果。）
撰寫這本長長傳記的某一天，沃爾特·艾薩克森覺得自己在 CRISPR 先鋒們的世界里已浸潤那么久，忽然想以自己的親歷方式，更深入地觸摸這個領(lǐng)域——不再是作為記錄者，而是作為參與者。
于是他打定主意：親手學用 CRISPR - Cas9，實實在在地編輯 DNA，讓那些曾在過往訪談里聽過無數(shù)次的“基因剪刀”，真正在自己指尖下活動。
當然，他選擇的是加州大學伯克利分校（UC Berkeley）杜德納的實驗室。
推開工作室門，上午陽光斜斜落在實驗臺上，那些隨意堆疊的離心機、移液器和培養(yǎng)皿，像是還帶著 2012 年夏天的溫度——正是在同樣凌亂的空間里，杜德納團隊第一次讓 Cas9 在試管里“認對了”DNA。
他想在這里重走那些里程碑式的步驟：先復制杜德納與沙爾龐捷 2012 年 6 月論文里的試管實驗，再嘗試張鋒、丘奇和杜德納在 2012 年底完成的人類細胞編輯。（張鋒、丘奇，也是 CRISPR 領(lǐng)域的先鋒和領(lǐng)軍人物。）
為他引路的是嘉文·諾特。
這位來自澳大利亞的年輕博士后，留著修剪整齊的胡須，帶著點笑意，輕松自然地敘述試管中即將出現(xiàn)的那些的秘密。
研究生時，他就鉚足了勁要找一類特殊的 CRISPR 相關(guān)酶——它們不碰 DNA，專盯 RNA。他曾給杜德納寫過一封自薦信，字里行間全是“想在您這里實現(xiàn)這個目標”的執(zhí)拗。那時杜德納團隊已在研究 Cas13 酶（Cas13 酶既切割雙鏈的 RNA，附帶也切割單鏈 RNA，可用于 RNA 編輯和 RNA 病毒檢測。筆者注）。
諾特笑著說：“杜德納關(guān)注這領(lǐng)域比我早得多?！笨伤€是讓他以博士后身份加入。如今他不僅扛著實驗室的常規(guī)研究，還是 DARPA 安全基因項目小組的一員。
進了實驗區(qū)，艾薩克森穿上實驗服，護目鏡在鼻梁上壓出淺淺的印子，往手套上噴酒精時，冰涼的液體順著指縫滲進去，竟讓他生出一種“此刻我也是這精密鏈條一環(huán)”的錯覺。
諾特把他帶到超凈工作臺前——塑料擋板后的通風系統(tǒng)輕輕嗡鳴，像在守護什么秘密。
正要動手時，杜德納——她的白大褂下擺帶著風——闖了進來。她的牛仔褲褲腳還沾了點草屑（后來才知道她早上遛了狗），黑短袖襯衫上 “IGI” （Innovative Genomics Institute，創(chuàng)新基因組學研究所）字樣被大褂拉鏈磨得發(fā)白，卻透著一股不必刻意的精致松弛。
她快速掃過每個學生（包括艾薩克森）的實驗臺，指尖在一個培養(yǎng)皿邊緣頓了頓，就轉(zhuǎn)身匆匆離開——她總這樣，既得盯著試管里的細節(jié)，又得牽著研究所的全局。
諾特給他的實驗任務(wù)，是對付一段“不懷好意”的DNA——它帶著能讓細菌抵抗氨芐西林的基因。
“讓 Cas9 帶著向?qū)?RNA，把這個基因切斷?！敝Z特邊調(diào)試劑邊說，“我們現(xiàn)在用的 Cas9 酶，已被人工編入一段 DNA 內(nèi)，實驗室里會養(yǎng)細菌的人，就能批量造出來。”
見艾薩克森眉頭微蹙，他接著補了句：“嫌麻煩？網(wǎng)上買更方便。IDT、Gene Copoeia 這些公司，85 美元能買 Cas9，95 美元能買能將之送入細胞內(nèi)的試劑盒，跟網(wǎng)購一本書差不多?！焙髞?，艾薩克森真去查了，IDT 官網(wǎng)上赫然寫著“提供基因組編輯全套試劑”，語氣輕松得像在說“我們賣的是鉛筆”。
諾特從柜子里翻出個老式冷藏盒，里面整整齊齊碼著小瓶子，冰袋正在底下慢慢融化。
“這盒子可有來頭?！彼D(zhuǎn)了轉(zhuǎn)盒子，“馬丁”兩個字磨得發(fā)淺。那是前主人馬丁·吉尼克的——2012年，正是吉尼克在實驗室里，用這盒子裝試劑，第一次在試管里證明 Cas9 能精準切割 DNA。“吉尼克去蘇黎世創(chuàng)建新實驗室時，把它留給了我?！敝Z特的語氣里帶著點繼承家業(yè)的鄭重。
（馬丁·吉尼克，Martin Jinek，是2012年《科學》上發(fā)表——從而一舉奠定諾貝爾化學獎項——那篇最重要論文的第一作者。見《下篇》尾部的參考文獻3。筆者注）
艾薩克森握著盒子的邊緣，冰氣透過塑料滲到手心，忽然覺得自己握住的不是一個容器，而是一段還在呼吸的科學史：吉尼克當年的操作，如今要在自己手里重演。
在諾特的指導下，他用移液器把試劑按比例混合。而置于溫箱里的10分鐘，焦慮感就像人們正等待一位尊貴客人那樣。隨之把成品加染料，諾特說：“這是給DNA‘上色’的，好讓我們看清結(jié)束時它有沒有被剪斷?！彪娪緝x啟動時發(fā)出輕微的嗡鳴，電流穿過凝膠，把送入的不同長度 DNA 分子推向不同的位置——這原理和杜德納當年在論文里寫的一模一樣。打印機吐出圖像時，諾特突然提高了聲音：“看！教科書級的成功！”
艾薩克森盯著那些明暗條紋，忽然懂了：那些交錯的紋路里藏著 CRISPR 最本真的脾氣——你給對了向?qū)?RNA，它就給你整整齊齊地切割目標 DNA。杜德納和沙爾龐捷2012年在《科學》論文里附的圖，大概也是這樣的紋路，只是那時，它們正揭開隱藏在試管中生物學的大秘密。
離開實驗室時，電梯里撞見了杜德納的丈夫杰米·凱特。艾薩克森把圖像遞給他，凱特指著兩欄底部模糊的條紋問：“那是什么？”多虧諾特提前“補課”，他答得干脆：“DNA。”過一會兒，凱特發(fā)了條推文，附了艾薩克森和諾特在實驗臺前的照片，配文：“沃爾特·艾薩克森通過了我的突擊測驗！”
而艾薩克森坐在實驗室外的長椅上，指尖還留著移液器的塑料涼意，屏幕上那句“通過了突擊測驗”讓他笑了——他當然清楚，諾特才是那個讓條紋乖乖顯影的人。但那瞬間的錯覺里藏著個樸素的真相：科學從不是孤軍奮戰(zhàn)，就像杜德納的團隊里，總有諾特這樣的年輕人接過冷藏盒，也總有凱特這樣的旁觀者，用一句玩笑就把“突破”拉到煙火人間。
八、讓基因剪刀修改人類細胞基因
下一個目標，是編輯人類細胞內(nèi)的基因——重現(xiàn)張鋒、丘奇和杜德納在 2012 年底跨過的那道坎。
這次和艾薩克森組隊的是珍妮弗·漢密爾頓。這位西雅圖姑娘笑起來分外燦爛，眼睛卻彎成月牙。
說起改造作為傳送工具的病毒時，她的指尖會無意識地敲著實驗臺，像在給基因編輯的節(jié)奏打拍子。她在紐約西奈山醫(yī)學中心拿到微生物學博士，2016 年杜德納給西奈山女性科學家小組做報告時，她作為學生陪在旁邊。“那天聽她講 CRISPR 的未來，我突然覺得，這就是我想跟著走的人，”漢密爾頓回憶說。
杜德納在伯克利籌建創(chuàng)新遺傳學研究所時，特意把她招了進來。這個匯集了灣區(qū)頂尖研究者的機構(gòu)，有個明確的目標：把 CRISPR 工具送進人類細胞，變成治病的藥。“我擅長改造病毒，正好能用它們當‘快遞’，把 CRISPR 送入細胞里，”漢密爾頓說。2020 年新冠疫情最緊急時，實驗室急著找方法把 CRISPR 藥物送進人體細胞，而她這手“改造病毒”的本事，突然成了最關(guān)鍵的一環(huán)。
動手前，漢密爾頓指著培養(yǎng)皿里的人類腎細胞說：“這可比試管里的 DNA 麻煩多了。”前一天和諾特編輯的 DNA ，約 2100 個堿基；而人類細胞里的基因組，有 32 億個堿基對?！白鰧嶒炏袷窃跀傞_的百科全書里，找到一個指定的單詞，之后還要改對字母。”
當然，這里的難點不再是“切”，而在“進”。她調(diào)著細胞核轉(zhuǎn)染儀的參數(shù)，“得讓 Cas9 先穿過細胞表面的膜，再鉆過細胞里面的核膜，然后在 32 億個堿基對里，翻天覆地般地前后搜索，尋找那串目標 DNA，最后，還得勸說細胞‘愿意’接受送進模板的改動?！?/p>
艾薩克森想起張鋒曾在訪談里說：“試管里的 DNA 是死的，人類細胞是活的——活的東西會反抗?！碑旊娒}沖在培養(yǎng)皿上泛起微光，那些腎細胞在顯微鏡下慢慢舒展，他突然懂了：試管里的切割像是“命令”，細胞里的編輯則是“談判”——你得“哄著”細胞膜開門，勸細胞核接納工具，還要等 DNA 自己“愿意”修復。這哪是簡單的技術(shù)升級，分明是從“控制”到“協(xié)作”的跨越。
實驗的設(shè)計還藏著巧思：所用的人類細胞先前已被改造過，帶著能發(fā)藍光的基因。實驗的一項，是用 Cas9 切斷這基因，讓它不再發(fā)光；而另一項，則是切斷后，再給上一個“模板”，讓細胞在發(fā)光基因中，改動三個堿基對——本發(fā)藍光就會變成發(fā)綠光。
細胞核轉(zhuǎn)染儀發(fā)出“嘀”的一聲后，漢密爾頓攤攤手：“現(xiàn)在，我們得等細胞自己做決定了?！?/p>
看結(jié)果已是兩天后，顯微鏡下的景象像場微型燈光秀：沒有進行基因編輯的對照組，藍光密密麻麻，像撒了把星星；只切割沒給模板的那組，黑沉沉的一片；而既切割又給了模板的那組，綠光點在視野里慢悠悠地晃動——像星星換了顏色。
艾薩克森盯著那些綠光，突然覺得自己成了這場“談判”的見證者，而真正促成交易的，是漢密爾頓那雙調(diào)參數(shù)時穩(wěn)得沒一絲顫抖的手。
“不必為這些被改造的細胞擔心——它們最終都混著氯漂白劑沖進了下水道?！钡_克森站在水槽前洗手時，指尖的消毒水味里，藏著一個更清晰的認知：基因編輯的技術(shù)門檻，早已不再“高深莫測”。一個大學生，或者一個掌握基礎(chǔ)操作的研究者，只要能網(wǎng)購試劑、會用移液器，就能叩開這扇門。
看著水流把痕跡沖干凈，他忽然想起杜德納常說的一句話：“工具越鋒利，越要想清楚該剪向哪里?！倍丝套钫媲械母惺苁牵寒斂茖W從實驗室的“秘密”變成觸手可及的“工具”，人類最需要的，或許不是更厲害的剪刀，而是更清醒的敬畏。
