艾玛纽尔·夏彭特(Emmanuelle Charpentie)和詹妮弗·杜德娜(Jennifer A. Doudna)两位女性科学家因发现了基因技术中的超级工具——CRISPR/Cas9基因剪刀,而获得了2020年的诺贝尔化学奖。利用这项技术,研究人员能以极高的精度改变动物、植物和微生物的DNA。这项技术对生命科学产生了革命性的影响,有助于开发新的癌症疗法,并可能使治疗遗传性疾病的梦想成为现实。
研究人员需要修改细胞中的基因,才能了解生命的内部是怎样运作的。在过去,这是一项费时费力,甚至是不可能完成的工作。但如今,使用CRISPR/Cas9基因剪刀,只需几周,我们就可以改变生命的代码。
和科学上其他的重大发现一样,基因剪刀的发现过程也是充满意外。获奖者之一的艾玛纽尔·夏彭特(Emmanuelle Charpentier)在研究化脓性链球菌(对人类危害最大的细菌之一)时发现了一种未知的分子——tracrRNA。随后的研究表明,tracrRNA是细菌古老的免疫系统(CRISPR/Cas)的一部分,它通过切割病毒的DNA来解除病毒的攻击。
2011年,夏彭特将这一发现发表,并于同年开始和另一位获奖者詹妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)合作,后者是一位有丰富RNA知识的生物化学家。她们一起成功地在实验环境中重建了细菌的基因剪刀,并简化了“剪刀”的分子成分,以便可以更加便捷地使用这把“剪刀”。
在自然状态下,剪刀可以识别病毒的DNA,但两位获奖者重新编辑了这把剪刀,让剪刀接受使用者的控制,在预定的位置切割任何DNA分子。而DNA被切割的地方,就是生命代码被重写的地方。
当研究人员想利用基因剪刀编辑基因时,会先人工合成一个和待剪切部位DNA匹配的向导RNA(guide RNA),再使其与剪刀蛋白Cas9形成一个复合体。这样一来,剪刀就会被向导RNA带至预定的位置进行剪切。
研究人员可以让细胞在DNA被剪切后自行恢复,大部分情况下,这段基因的正常功能就会因此关闭。如果研究人员想插入、修复或者编辑一段基因,则可以设计好一段模板DNA(template DNA),细胞就会在修复被切断的DNA时利用这段模板DNA,生命的代码也就会因此而改写。
自2012年发现CRISPR/Cas9基因剪刀以来,它们的使用就出现了爆炸式的增长。这一工具为基础研究中的许多重要发现做出了贡献,植物学家已经用它开发出了能抵御霉菌、虫害和干旱的作物。在医疗领域,使用基因剪刀的癌症新疗法正在进行临床试验,治愈遗传性疾病的梦想即将实现。基因剪刀把生命科学带入了一个全新的时代,我们都是这一发现的最大受益者。