源自大自然的高端生物技術(shù)改變了科學(xué)進(jìn)行方式

生物學(xué)的三種高端技術(shù)——基因編輯、熒光蛋白和光遺傳學(xué)，都受到大自然的啟發(fā)。那些數(shù)百萬年來一直在為細(xì)菌、水母和藻類“服務(wù)”的生物分子工具，現(xiàn)在正被廣泛用于醫(yī)學(xué)和生物研究?？梢哉f，它們直接或間接地改變著人們的日常生活，甚至生命。

細(xì)菌和它的“防御系統(tǒng)”

細(xì)菌和病毒相互爭斗。它們處于不斷的生化戰(zhàn)爭中，爭奪稀缺資源。

細(xì)菌武器庫中的一個(gè)重要裝備，就是CRISPR-Cas系統(tǒng)，其由從敵對(duì)病毒中隨時(shí)間收集的短重復(fù)DNA 組成，與稱為Cas 的蛋白質(zhì)配對(duì)，該蛋白質(zhì)可以像使用剪刀一樣切割病毒DNA。在自然界中，當(dāng)細(xì)菌受到DNA 存儲(chǔ)在CRISPR“檔案”中的病毒攻擊時(shí)，CRISPR-Cas 系統(tǒng)會(huì)追捕、切割、破壞病毒。

科學(xué)家們拾起這一“武器”并用于科學(xué)用途，取得了開創(chuàng)性的效果。美國加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家珍妮弗·道德納和法國微生物學(xué)家?，敿~埃勒·沙爾龐捷，因開發(fā)CRISPR-Cas 作為基因編輯技術(shù)，而共同獲得了2020 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

我們知道，人類基因組計(jì)劃給出了一個(gè)幾乎完整的基因序列，并為科學(xué)家提供了一個(gè)模板來對(duì)所有其他生物進(jìn)行測(cè)序。然而在CRISPR-Cas 出現(xiàn)之前，研究人員沒有工具去輕松訪問和編輯生物體中的基因?，F(xiàn)在，CRISPR-Cas 讓過去需要耗時(shí)數(shù)月甚至數(shù)年并花費(fèi)數(shù)十萬美元的實(shí)驗(yàn)室工作，在不到一周的時(shí)間內(nèi)完成，且只需幾百美元。

有超過1 萬種遺傳疾病是由僅發(fā)生在一個(gè)基因上的突變引起的，即所謂的單基因疾病。它們影響了數(shù)百萬人，鐮狀細(xì)胞性貧血、囊性纖維化和亨廷頓氏病是這些疾病中最著名的。而它們都是CRISPR 治療手段的主要目標(biāo)——修復(fù)或替換一個(gè)有缺陷的基因要簡單得多，人們從此不需要糾正多個(gè)基因上的錯(cuò)誤。

水母“點(diǎn)亮”微觀世界

維多利亞水母在北太平洋漫無目的地漂流，這種生物沒有大腦，沒有肛門，也沒有毒刺，按說它不太可能引發(fā)什么生物技術(shù)革命。

但事實(shí)恰恰相反，在它的傘的外圍，有大約300個(gè)光器官，它們發(fā)出綠色的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)像是黑暗里閃爍出來的信號(hào)一樣，改變了科學(xué)的進(jìn)行方式。

這種生物發(fā)光，源于一種稱為水母發(fā)光蛋白的物質(zhì)和一種稱為綠色熒光蛋白或GFP 的熒光分子。在現(xiàn)代生物技術(shù)中，GFP 就像一個(gè)“分子燈泡”，可以與其他蛋白質(zhì)融合，使研究人員能夠追蹤它們并查看生物體細(xì)胞中蛋白質(zhì)何時(shí)何地生成。

現(xiàn)在，熒光蛋白技術(shù)每天在數(shù)以千計(jì)的實(shí)驗(yàn)室中使用，并因此在2008 年和2014 年獲得了兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)?？茖W(xué)家們也已經(jīng)在更多的物種中發(fā)現(xiàn)了熒光蛋白。

而當(dāng)研究人員創(chuàng)造出表達(dá)GFP 的轉(zhuǎn)基因COVID-19病毒時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)再次證明了其實(shí)用性。當(dāng)病毒進(jìn)入呼吸系統(tǒng)并與具有毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的表面細(xì)胞結(jié)合時(shí)，由此產(chǎn)生的熒光，可以追蹤病毒的路徑。

藻類“眼中”的光明與黑暗

當(dāng)依賴陽光生長的藻類被放置于黑暗房間里的大型水族箱中時(shí)，它們會(huì)失去目標(biāo)地游來游去。但是如果打開一盞燈，藻類就會(huì)向光游去。這就是單細(xì)胞鞭毛蟲，它們其實(shí)沒有眼睛，但有一個(gè)稱為眼點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，可以區(qū)分光明和黑暗。眼點(diǎn)布滿了稱為通道視紫紅質(zhì)的光敏蛋白。

在差不多二十年前，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們通過基因?qū)⑦@些視紫紅質(zhì)通道蛋白插入任何生物體的神經(jīng)細(xì)胞時(shí)，用藍(lán)光照射視紫紅質(zhì)通道蛋白，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元激活。這是一種被稱為光遺傳學(xué)的技術(shù)。當(dāng)一束精確的藍(lán)光照射在這些神經(jīng)元上時(shí)，視紫紅質(zhì)通道就會(huì)打開，鈣離子涌入神經(jīng)元，神經(jīng)元?jiǎng)t被激發(fā)。

使用該工具，科學(xué)家可以選擇性地重復(fù)刺激神經(jīng)元組，從而更準(zhǔn)確地了解要針對(duì)哪些神經(jīng)元來治療特定的障礙和疾病。現(xiàn)在，光遺傳學(xué)被認(rèn)為可能是治療人類致命腦部疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ『团两鹕习Y）的關(guān)鍵。

而且，光遺傳學(xué)不僅對(duì)理解大腦有用。研究人員還在使用該技術(shù)來部分逆轉(zhuǎn)失明，并在使用其治療視網(wǎng)膜色素變性疾病的臨床試驗(yàn)中，看到了希望。

科學(xué)家們相信，除以上三種重要技術(shù)手段外，大自然的“工具箱”里應(yīng)還保管著大量未被發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。