用CRISPR技術(shù)挑戰(zhàn)微生物群落

王小雨

通過改變腸道微生物群來應(yīng)對從免疫紊亂、精神疾病到氣候變化的一切問題？這位世界著名的生物化學(xué)家已為此做好準(zhǔn)備。

過去幾年里，微生物組研究風(fēng)靡全球，科學(xué)家希望它能幫助治療從免疫失調(diào)到精神疾病等的各種疾病。但具體如何發(fā)揮作用，我們才剛剛開始探索。2023年春天，加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家和基因編輯先驅(qū)詹妮弗 · 杜德納（Jennifer Doudna）加入了這項研究，她曾因共同發(fā)明CRISPR技術(shù)在2020年獲得諾貝爾獎。她的第一項任務(wù)是由加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所（IGI）牽頭，通過對我們體內(nèi)的微生物進行基因編輯來微調(diào)我們的微生物組，以預(yù)防和治療兒童哮喘等疾病。哦，她還想通過在牛身上做同樣的事情來減緩氣候變化，因為牛群的溫室氣體排放量非常驚人。

腸道菌群是一個龐大而又復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，在此之前，對同一物種的所有微生物進行編輯看似非常瘋狂，甚至是完全不可能的。平心而論，杜德納和她的合作者吉爾 · 班菲爾德（Jill Bayfield）仍然不太清楚它將如何發(fā)揮作用。但他們認為這是可行的。2023年4月，由TED發(fā)起的“大膽計劃”（Audacious Project）投入7000萬美元資助這個項目。我的直覺是，這要么是一項輝煌的成就，要么是一場可怕的災(zāi)難，或者可能兩者兼而有之。輝煌是因為它有可能以極具針對性和非侵入性的方式預(yù)防或治療疾病?？膳率且驗?，嗯，你知道……把一堆配備了基因編輯系統(tǒng)的惰性病毒釋放到我們腸道微生物的重要生態(tài)系統(tǒng)中，會出什么問題呢？有鑒于此，我邀請詹妮弗 · 杜德納來我家，與她暢談微生物組醫(yī)學(xué)的未來。

你好！歡迎。你現(xiàn)在這么出名，我都有點想象你是由車隊護送出行的。你還自己開車嗎？

還是我自己開車。

要喝點什么嗎？水？咖啡？康普茶？你怎么看康普茶？

我對康普茶沒有看法。我通常喜歡簡單的東西。

我很好奇，因為你最近的研究項目是有關(guān)微生物組的。具體來說，你想對人類腸道中的細菌進行基因工程改造。我不得不承認，當(dāng)我第一次聽到這個消息時，我的第一反應(yīng)是：這是真的嗎？這太復(fù)雜了！

“我們”就是“我們的微生物組”，這一點已經(jīng)越來越清楚了。而這只是在過去十年左右的時間里才變得清晰起來。在此之前，人們認為微生物是一個非常不同的生命王國，對它們的研究都是在實驗室的培養(yǎng)皿里一個一個培養(yǎng)出來的。但我們越來越認識到，它們無處不在。我們體內(nèi)的微生物比人體細胞還多！這太瘋狂了。

如今人們普遍認為微生物組與很多事情都有關(guān)。比如消化系統(tǒng)疾病和肥胖，還有抑郁癥和焦慮癥，或者個體對抗癌藥物是否有反應(yīng)等等。所以，如果你想打獵的話，這個池塘里有很多鴨子。你為什么會選擇從兒童哮喘領(lǐng)域入手？

首先，哮喘是一種重要的疾病，我們希望在治療上取得進展。我們正在與加州大學(xué)舊金山分校的一位優(yōu)秀科學(xué)家蘇 · 林奇（Sue Lynch）合作，她發(fā)現(xiàn)了一種分子會出現(xiàn)在哮喘兒童的腸道中，這是一種炎癥分子。

你想對產(chǎn)生這種分子的細菌進行基因編輯嗎？讓它不再產(chǎn)生或者減少產(chǎn)生這種分子？

這就是我們的想法。用 CRISPR技術(shù)來抑制哮喘誘發(fā)分子的產(chǎn)生，同時保持腸道微生物群的其他部分不受影響。

加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家弄清楚為什么有些孩子體內(nèi)有更多這種分子了嗎？比如，知道是哪種細菌產(chǎn)生了這種分子嗎？以及是這些細菌中的哪種基因?qū)е碌模?/p>

是的，我們知道是哪種細菌，也知道相關(guān)的基因。目前不太清楚的是，這種基因編輯會對微生物群的其他部分產(chǎn)生什么影響。

為什么不直接修復(fù)它？如果你知道這種微生物會分泌有害物質(zhì)，而且這種有害物質(zhì)只出現(xiàn)在患有哮喘的孩子體內(nèi)，那為什么不直接阻止它呢？

是啊，這也許是絕對正確的答案。但微生物組與很多其他事物密切相關(guān)，所以這很復(fù)雜。比如，當(dāng)你改變微生物群其中一種分子的生產(chǎn)時，可能會導(dǎo)致其他后果，這取決于某人的飲食習(xí)慣、基因構(gòu)成或?qū)ζ渌膊〉囊赘行?。了解這些情況非常重要。因此，最初的目標(biāo)就是把CRISPR作為一種研究工具，嘗試回答這類問題。

實驗室里有沒有辦法模擬所有的基因變異和飲食變異，以及它們將如何相互作用？

當(dāng)然有。

真的嗎？就像你能看到編輯微生物中的一個基因會如何影響只吃快餐的人和只吃羽衣甘藍的人？

是的，雖然要達到這種程度可能需要更長的時間。但是我們正在做的一件事，就是培養(yǎng)從嬰兒的糞便樣本中獲取的微生物。你可以做一些事情，我的意思是，比如你不能完全要求他們吃羽衣甘藍和巨無霸漢堡，但你肯定可以改變他們的食物來源，研究環(huán)境變化如何影響他們的行為等等。

為什么要編輯這些東西呢？為什么不通過改變飲食習(xí)慣或服用益生菌來增加腸道中有益微生物的數(shù)量呢？

你可以這么做。但這就像吃健康食物和服用藥物之間的區(qū)別一樣。服藥更為有效，更有特定效果。CRISPR也是一樣。與通過改變飲食習(xí)慣來操縱微生物組相比，CRISPR能對微生物組產(chǎn)生更具針對性、更有特效的影響。

這種基因編輯究竟是如何進行的？通過喝飲料嗎，還是吃藥？

實際上，我們現(xiàn)在還沒有達到那種程度。我們還處在試圖找出哪些基因和哪些細菌可以操縱的階段。但從長遠來看，這是一個很好的問題。如何在人類腸道環(huán)境中使用類似CRISPR這樣的基因編輯工具？首先，你必須能夠把這些編輯器植入能產(chǎn)生影響的細菌體內(nèi)。目前，IGI圍繞這個領(lǐng)域正在開展一個完整的研究項目。實驗證明，不同種類的細菌吸收分子的方式各不相同。有些細菌通過打開膜上的小孔直接吸收分子，有些則需要病毒來引入分子。

好吧，我沒有太理解你說的“引入分子”是什么意思？

字面意思就是讓分子進入細胞。如果這個分子是一個基因編輯器，那么它就能編輯基因。目前我們還處在初步探索階段。對于人類腸道中的所有微生物來說，它們是如何允許分子進入的？答案是，不同的細菌有不同的方式。因此，我認為未來需要了解哪些微生物需要被操縱，以及它們?nèi)绾尾拍茏詈玫匚者@些編輯分子。但理想情況是，應(yīng)該有一種口服的方法，比如服用藥片。

有什么辦法呢？我的意思是，你不會想給人的胃部做手術(shù)或者注射吧。

你可能聽說過糞便移植。但我想大多數(shù)人更愿意選擇另一種方法。

從另一端開始。

沒錯，因此如果有辦法口服這些CRISPR分子，那就太棒了。但要想做到這一點，還得下一番功夫。當(dāng)然，最終我們還要了解基本的生物學(xué)原理，這些微生物是如何與更復(fù)雜的疾病聯(lián)系在一起的。例如，有證據(jù)表明，阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病實際上與微生物組有著非常密切的聯(lián)系，而這種聯(lián)系的方式仍有待發(fā)現(xiàn)。實際上，我們有一個單獨受資助的項目，專門研究神經(jīng)退行性疾病。該項目主要研究亨廷頓氏病，而不是阿爾茨海默病，但想象一下，如果你能使用基于CRISPR的微生物組靶向形式來保護那些還沒有患上亨廷頓氏病或阿爾茨海默病的人，那將是多么神奇的事情。這真的很棒。

我并非危言聳聽，但我的理解是，微生物群就像生態(tài)系統(tǒng)：其中既有有益的物種，也有有害的物種，兩者處于平衡狀態(tài)。如果你對其中一類物種進行基因編輯，不就有可能打破這種微妙的平衡嗎？

我們已經(jīng)在使用抗生素之類的藥物，這些藥物會殺死微生物群中的多種細菌，包括導(dǎo)致你生病的細菌，也包括其他細菌。而CRISPR則更安全，因為它的精確性使這個技術(shù)可以只針對一種特定的細菌，而不是同時針對所有的細菌。不僅如此，還能針對特定細菌的特定基因。

沒錯，但微生物也會做一些人類不會做的事，它們之間會共享基因。你怎么知道你植入一種微生物的基因不會給另一種微生物帶來問題呢？

所以我們才要在實驗室里測試這些東西，看看會發(fā)生什么。

好的，但現(xiàn)實中，我們還無法培養(yǎng)出腸道中的大多數(shù)微生物，是嗎？這就意味著，即使在實驗室做了所有工作之后，仍然會有一些未知因素。是不是到了某個時候，你就不得不說：從目前的情況來看，這似乎是安全的？

在開發(fā)任何類型的新療法時，實驗室模型只能幫你完成部分工作。有了微生物組，我們能在實驗室里做的事情就越來越復(fù)雜。通過在微生物的原生群落和更接近其原生環(huán)境的條件下培養(yǎng)微生物，其行為更接近于在人類系統(tǒng)中看到的行為，但它永遠不可能完全相同。在某些情況下，我們已經(jīng)知道健康狀態(tài)是什么樣的——一個人的微生物群會產(chǎn)生一種炎癥化合物，而另一個人的微生物群則不會。有了這些信息，再加上我們在日益精確的腸道微生物組模型中開展的實驗工作，有助于我們充滿信心地向前邁進。

讓我們換個話題。這個項目還有一部分研究是關(guān)于氣候變化的。具體來說，人們發(fā)現(xiàn)，給牛喂食一種特殊的海藻，可以使它們打出的“甲烷嗝”減少80%。當(dāng)然，獲取和運輸這么多海藻并不現(xiàn)實。因此，我們的想法是改變小牛的微生物群來達到同樣效果，對嗎？

是的，而且最好是一次性治療。比如，如果你能在小牛出生時就控制其瘤胃中的微生物群，并保持這種狀態(tài)，就能顯著減少甲烷排放。這將產(chǎn)生巨大的影響。事實上，我很震驚地發(fā)現(xiàn)，每年全球甲烷排放量的三分之一來自農(nóng)業(yè)，而且主要是養(yǎng)牛業(yè)。

人們不是已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向植物肉類了嗎？

所以你有“不可能的食物”。其他人正試圖找到替代牛肉的食物來源，但現(xiàn)實中這不會很快發(fā)生。如果讓我猜，這也不會完全實現(xiàn)。因此，如果有另一種選擇，既能養(yǎng)牛，又很環(huán)保，那就再好不過了。

你真的知道是哪些微生物參與了牛瘤胃中甲烷的產(chǎn)生嗎？需要做出哪些改變才能模擬海藻飲食的效果？

這也是我們必須要弄清楚的部分問題。調(diào)節(jié)飲食更多是在宏觀層面上，你可以看到你正在做出的改變，但在微觀層面上，你不知道這些改變是什么。在更深的層次上，我們希望了解：產(chǎn)生甲烷的基因是什么？我們可以通過操縱哪些基因來實現(xiàn)真正的改變？

為什么要通過微生物組來做這件事？你可以對牛進行基因改造，對嗎？

這也是一種可能性。但要進行必要的研究，培育出新的牛種，然后弄清楚這將如何影響甲烷的實際生產(chǎn)，但這需要很長的時間。從微生物組入手是一種更快捷的方法。而現(xiàn)在，我們需要加快在氣候問題上的研究。

說到拯救地球，有兩種理念：巫師和先知。粗略地說，巫師是把技術(shù)視為解決方案的人。而先知則認為我們應(yīng)該回歸簡樸生活。可以理解為，你正在采取一種技術(shù)方法來解決氣候變化問題。你試圖用魔法來解決它。你是這么看的嗎？

你知道，我認為在一個完美的世界里（但我們并不可能生活在這個世界），我們所有人都應(yīng)減少溫室氣體排放。同時，我們也會推進應(yīng)對氣候變化的技術(shù)。但我認為，現(xiàn)實情況是，人類并不想倒退。這不是人類的天性。因此，我認為解決氣候變化問題絕對需要技術(shù)。這些技術(shù)會帶來新的問題嗎？很可能會，但我們必須應(yīng)對。坦率地說，我認為用其他方法來解決氣候變化問題是不現(xiàn)實的。

我知道你真的不想公開談?wù)撨@個問題，但現(xiàn)在市面上有很多益生元和益生菌產(chǎn)品。你認為這是一個好的發(fā)展方向嗎？還是說這基本上都是騙局？

我不打算回答這個問題。因為作為一名科學(xué)家，我還沒有掌握充足的數(shù)據(jù)。