美国生物学家詹妮弗·杜德纳

 

主笔/袁越

向大自然学习

今年的诺贝尔化学奖颁给了美国生物学家詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）和法国生物化学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier），以表彰两人“研发出了一种基因组编辑方法”。业内人士普遍认为，这两位优秀的女科学家获奖是早晚的事，因为她俩发明的CRISPR/Cas9基因编辑技术已经成了所有生物学实验室的标配，用处实在是太大了。

诺贝尔化学奖历来就有给实验工具的发明人颁奖的传统，比如1993年诺贝尔化学奖的获得者加里·穆里斯（Kary Mullis）就是个好例子。穆里斯发明的“多聚酶链式反应”（PCR）虽然谈不上有多么高深，但这项技术实在是太好用了。如果没有它的话，如今大家耳熟能详的亲子鉴定、DNA法医、遗传病检测、转基因育种、基因考古和流行病监测等等新鲜事物都不太可能出现，生物学研究至少要倒退20年。

今年获奖的CRISPR/Cas9技术和PCR非常相似，两者都只是对此前已有的技术做了改进而已，理论上并没有取得什么重大突破。但是，这两项改进大大简化了基因工程领域的常规操作，无论是使用成本还是技术含量都被降至谷底。如果没有CRISPR/Cas9的话，生物学研究至少要倒退10年。

更有意思的是，这两项技术都不是科学家们凭空想象出来的，其灵感都来自细菌。PCR技术的核心是一种能耐高温的DNA聚合酶，曾经有科学家试图自己研发出这样的酶，但却无功而返。穆里斯灵机一动，从黄石公园的温泉里找到了一种细菌，从中提取出了耐热的DNA聚合酶（Taq），一举解决了这个难题。

CRISPR/Cas9技术的发明过程则要曲折得多，但其灵感的源头仍然是细菌。1987年，一位名叫石野良纯（Yoshizumi Ishino）的日本分子生物学家偶然发现大肠杆菌基因组中存在一个特殊结构，一段段重复序列中间连着一小段间隔DNA，后人称之为“成簇的规律间隔短回文重复序列”（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats，简称CRISPR）。这个CRISPR很像是一根烤串，重复序列就是中间的那根竹签，从头到尾都是一样的，而那些间隔DNA就好像是插在竹签上的小肉块，羊肉、牛肉、板筋等等，每一块都各不相同。

后续研究发现，大约有40%的细菌当中含有类似的CRISPR结构，古细菌当中这个比例更是高达90%以上。科学家们一直不知道这个CRISPR到底是干什么用的，直到2005年才有人发现那些间隔DNA顺序大都来自细菌病毒（比如噬菌体），这才意识到CRISPR很有可能是细菌们为了对付病毒感染而进化出来的防御机制，类似于一种原始的免疫系统。

原来，细菌和其他高等生物一样，也需要防范来自病毒的侵袭。于是，细菌进化出了一套防御机制，每次有病毒入侵，细菌就将来犯之敌的DNA切成碎片，选取其中最典型的一个小片段作为标记物，整合到自己的基因组当中。随着入侵病毒的种类越来越多，这些标记物越积越多，这段DNA序列也越抻越长，就好像在一根竹签上不断添加小肉块一样，最终的结果就是CRISPR序列。

这个CRISPR序列很像是一本花名册，上面记录着所有来犯之敌的姓名和属性。这就好比说，假如来犯之敌是牛，就切一块牛肉下来作为标记，如果来犯之敌是狗，就掰下一颗狗牙留作纪念，以此类推。如果这个敌人以后还敢再犯，细菌便可以迅速地从这个花名册中找出相应的标记物，将其“翻译”成相应的一小段RNA作为探针，和一个名叫Cas的DNA酶组成CRISPR-Cas系统，共同抵抗来犯之敌。这套CRISPR-Cas系统很像是一个“特勤二人组”，RNA探针好比是侦察兵，负责寻找目标DNA，后面跟着的Cas酶好比是战斗队，专门负责杀敌，也就是把目标DNA一切为二。如果入侵的是DNA病毒的话，这就等于宣判了病毒的死刑。

这套CRISPR-Cas系统是可以遗传给下一代的，这就意味着细菌对自己祖先遇到的所有病毒都不再害怕了，所以这套系统又被称为“细菌的获得性免疫系统”，它和高等动物的免疫系统在原理上是有些类似的。

这个发现虽然很有趣，但毕竟属于微生物学领域，貌似和老百姓的日常生活没什么关系，直到杜德纳和卡彭蒂耶意识到科学家们可以利用这套系统来对DNA进行精准剪切，我们这才有了CRISPR/Cas9这样一把好用的基因剪刀。

从这个例子可以看出，大自然永远是人类最好的老师。只有认真地向大自然学习，才能灵感不断，创造力勃发。

法国生物化学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶

 

合作才是王道

发明CRISPR/Cas9基因剪刀的是两位女性科学家，这一点既有巧合的成分，也是一种必然。

从科研实力上讲，女性当然不输给男性，尤其是这两位女科学家，从小到大一直都是高材生。其中杜德纳是在夏威夷长大的，小时候就对岛上奇特的动植物产生了浓厚的兴趣，立志成为一名生物学家。她在25岁时从哈佛大学医学院（Harvard Medical School）拿到了博士学位，从此进入了学术圈，最终在著名的加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）得到了一份教职，建立了自己的实验室。卡彭蒂耶则是在巴黎附近的一个小镇长大的，她小时候兴趣广泛，曾经学过钢琴和芭蕾舞。长大后她专心于生物学，27岁时在巴斯德研究所（Pasteur Institute）拿到博士学位。之后她在美国做了5年博士后研究，回到欧洲后在瑞典的于默奥大学（Ume? University）谋到一份教职，也有了属于自己的实验室。

虽然两人都是学术界的后起之秀，长得也都很漂亮，但在那个以男性为主导的学术圈里两人同样会受到歧视，并在不知不觉中失去机会。杜德纳就曾经回忆说，在很多科学大会上，男科学家们喜欢在晚上相约小酒馆，讨论科学问题，很多灵感就是在这种觥筹交错间冒出火花的。而像她这样的女科学家往往会被有意无意地排除在聚会之外，没法参与到这样的活动当中。

因为遭到了男同行们的排挤，女科学家们便组织起了自己的小团体。2011年在波多黎各首都圣胡安举办的一次科学会议间隙，男人们都出去喝酒了，杜德纳和卡彭蒂耶便决定找个地方坐下来聊聊天。也许是因为两人经历相似，又都是女人的缘故吧，她俩越聊越投机，互相十分欣赏，当即决定建立长期合作关系，共享资源。

还有一件更巧的事情，进一步巩固了两家实验室的友谊。原来，杜德纳实验室有个来自波兰的研究员，名叫马丁·吉内克（Martin Jinek），卡彭蒂耶实验室也有个来自波兰的研究员，名叫克里斯托弗·奇林斯基（Krzysztof Chylinski），这两个波兰人接上头之后，意外发现两人竟然是在相邻的小县城长大的，都说同一种方言。于是他俩经常借助Skype网络打长途电话，相互交流想法，共享数据。思想的频繁碰撞很快擦出了耀眼的火花，一个伟大的想法终于浮出了水面。

众所周知，作为生命蓝图的DNA是一个极为细长的分子，人体细胞内的DNA分子直径只有0.2纳米，但完全展开后长度超过两米。如此“怪异”的大分子无论用物理方法还是化学方法都很难对其进行精确的操作，只能借助仿生学的手段，利用生物界已有的基因编辑工具，才能完成这个重要而又艰巨的任务。

要想在一条如此之长的DNA分子上动刀子，定位是关键。这就好比说编辑递给你一本像字典那么厚的小说，希望你找到“三联编辑部搬了新家”这几个字，把其中那个“了”字去掉，你会怎么做？

在电脑检索技术发明出来之前，你只能依靠自己的眼力，一页一页地查找。与此类似，在基因剪刀发明出来之前，科学家们只能用DNA限制性内切酶来进行定位，但因为酶属于蛋白质，而DNA属于核酸，两者性质很不相同，相互之间的作用机理非常复杂，导致定位的准确性不高，操作的便捷性也很差，于是以前的遗传学家们工作效率普遍不高，因为大量宝贵的时间都耗费在这件小事上面了。

来自细菌的CRISPR-Cas系统就不一样了，它是靠RNA来定位的。RNA和DNA同属核酸，它们之间的相互作用机理简单明了，其对应规律早就被科学家们所掌握，设计起来简单易行。不仅如此，RNA合成也比蛋白质合成要简单得多，而且已经做到了全自动化，一个高中毕业的实验员一天可以合成几百个这样的RNA标记物，无论是定位的精确度还是操作成本都大大优于蛋白标记物。

于是，只要把这套来自细菌的CRISPR-Cas系统改造一下，就可以制造出一把既精准又方便的基因剪刀。杜德纳和卡彭蒂耶找到了一个结构简单的Cas9酶，把它和CRISPR连在一起，终于做成了一把名为CRISPR/Cas9的基因剪刀。从此科学家们只要知道了目标基因的DNA序列，就可以让实验员用一个很简单的办法制造出一把基因剪刀。之后，只要想办法将其送入细胞中，这把剪刀就会自动找到DNA目标，在预先设计好的地方将其一刀剪断。

如果再用上文那个文字编辑来举例的话，CRISPR/Cas9系统就好比是计算机检索系统，它依靠的不再是编辑的眼力，而是电脑的程序编码，无论是检索速度还是准确性都提高了好几个数量级。说起来，新的检索系统并没有从理论上改变文字编辑的本质，但这套新的编辑系统一旦得到了广泛应用，旧的文学形式立刻就被彻底颠覆了。

杜德纳和卡彭蒂耶将这项发明写成论文，发表在2012年8月17日出版的《科学》（Science）杂志上。这篇论文的发表标志着生物学研究进入了一个全新的时代，同时也向世人充分展示了团结合作的力量是多么的强大。

2018年5月22日，德国柏林马克斯·德尔布吕克分子医学中心的研究人员使用立体显微镜观察 CRISPR/Cas9

 

相信科学家群体的自净能力

虽然杜德纳和卡彭蒂耶的获奖可以说是众望所归，但今年的诺贝尔化学奖还是在华人群体当中引起了一些争议，大家争的不是两位获奖者是否够格，而是另外两位科学家为什么没有获奖。

这两位争议人物全都来自美国东海岸的马萨诸塞州，其中一位名叫乔治·丘奇（George Church），是哈佛大学医学院的一位享有盛名的遗传学家。另一位是出生于中国石家庄的美籍华裔遗传学家张锋，现任麻省理工学院（MIT）教授，同时也是著名的博德研究所（Broad Institute）的资深研究员。两人在2013年1月出版的《科学》（Science）杂志上分别发表论文，证明CRISPR/Cas9基因编辑技术可以应用于哺乳动物，这就为该技术在人类身上的使用铺平了道路。这项研究意义重大，因此不少人认为他俩也应该获奖，尤其是张锋更是可惜。作为一名遗传学领域的后起之秀，张锋在哺乳动物基因编辑方面做了很多开创性的工作，贡献要比丘奇更大。

但是，反对者认为杜德纳和卡彭蒂耶的发现属于概念性创新，因为她俩最先证明来自细菌的CRISPR/Cas9系统可以用于基因编辑。张锋和丘奇的贡献则属于科技应用领域，因为他俩只不过把这套系统首先用于哺乳动物而已，这一步是谁都能想到的，难度并不大。事实上，杜德纳实验室在几周之后也发表了和张锋、丘奇类似的结果，说明双方其实想到一块去了。所以，在诺奖之前颁发的大多数涉及CRISPR技术的科学大奖也都只颁给了杜德纳和卡彭蒂耶，张锋和丘奇只是作为这项技术的贡献者而被重点提及而已。

本来这件事属于科学范畴，外人无从评价，但接下来的一场专利之争却把双方的分歧引入到了经济领域，这就引起了更多人的关注。简单来说，杜德纳和卡彭蒂耶在发表了第一篇论文之后便立刻提出了相关专利的申请，而张锋也紧随其后，在自己那篇论文发表后也立刻提交专利申请，并通过付费来加快评审速度。结果张锋和他所在的博德研究所后来者居上，获得了CRISPR/Cas9在哺乳动物（包括人类）中的专利权。

杜德纳所在的加州大学伯克利分校随后向美国专利局提出申诉，认为博德研究所的专利内容与自己更早申请的专利内容相同，但这一申诉被驳回。此事最终闹到了美国联邦巡回上诉法院，但法院还是维持了美国专利局的判决。于是双方罢斗，而且当事人似乎也已经私下和解了，大家都决定把精力放到扩大基因编辑技术的应用范围上来，毕竟如果没有能够带来巨大经济效益的杀手级应用的话，专利权的归属问题也就不那么重要了。

有些人曾经担心围绕这项技术的专利之争会影响其在中国的科研应用，但多数业内人士均表示目前看来影响不大，起码中国科学家在使用CRISPR/Cas9工具进行基础性研究时未受专利影响。

更多的人担心这项技术会被滥用，比如原南方科技大学副教授贺建奎擅自将该技术应用于人类生殖细胞，结果闹出了一件轰动全世界的丑闻。其实像这样的极端事件目前仅仅发生了这一起，而且贺建奎立刻遭到了整个科学共同体的一致谴责，他本人最后还因为这件事受到了法律的惩罚，所以我们无须过分担心这项技术成为少数“科技狂人”的秘密武器，这样的事情不太可能再发生了。

但是，CRISPR/Cas9基因编辑工具在农业育种领域的应用肯定会在不远的将来成为舆论的焦点。众所周知，转基因育种技术曾经引起过很大争议，反对者认为这项技术把外来基因引入了农作物基因组中，生产出来的粮食不安全。虽然这一指控并没有什么科学根据，但还是迫使包括中国在内的一大批国家的监管机构对转基因食品设置了难以逾越的门槛，极大地影响了这项技术的普及。

基因编辑技术的出现为育种者们提供了另外一种选择，从此他们无须引入外来基因，只需使用CRISPR/Cas9这把剪刀把农作物基因组里的坏基因减掉，再运用一些技巧把缺口补上就行了。这种方法的威力虽然远不如转基因强大，但好处是可以争取那些“反转派”不再拼命反对，从而帮助育种者们尽快用上先进的基因技术，改良现有的种子。

当然了，CRISPR/Cas9基因编辑工具最具潜力的杀手级应用当属基因治疗，因为目前绝大部分涉及基因的人类疾病都无法通过其他方法彻底根治，只能寄希望于基因编辑技术将来能够应用到人体细胞上来，让医生们能够按照自己的意愿修改病人的基因，从根本上解决问题。

结语

从长远来看，CRISPR/Cas9基因编辑技术的最大优点就是降低了遗传学研究的门槛，实现了基因工程技术的民主化。计算机和信息技术领域的经验表明，一旦核心技术的门槛被降低到了某一阈值以下，必将引发该领域的一场大地震，其后果将是无法预测的。

让我们拭目以待吧。