導(dǎo)讀

法國分子生物學(xué)家菲利普· 霍瓦特（Philippe Horvath）和魯?shù)婪颉?巴蘭古（Rodolphe Barrangou）在培育對特定病毒具有天然抵抗力的細(xì)菌時(shí)，發(fā)現(xiàn)了病毒DNA之間的相似性，從而促進(jìn)了CRISPR系統(tǒng)的研究。

霍瓦特和巴蘭古還將這項(xiàng)研究應(yīng)用于提高乳制品行業(yè)的發(fā)酵劑，改善了世界糧食供應(yīng)，并為基因編輯領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

這些成就給他們也帶去了許多榮譽(yù)，二人也憑此入選了2023年美國發(fā)明家名人堂，這是對技術(shù)發(fā)明人最高的獎(jiǎng)勵(lì)之一，入選者中很多是鼎鼎大名的科學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主等。

深究科學(xué) | 撰文

到底是什么讓他們發(fā)現(xiàn)了CRISPR系統(tǒng)的奧秘？別急，故事還得從一只小小的噬菌體講起。

噬菌體是一種以細(xì)菌為食的病毒，它可以吃掉很多對我們有害的病菌。但有時(shí)，這位“不分?jǐn)澄摇钡募?xì)菌殺手也會帶來一些麻煩。

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為了“制服”細(xì)菌殺手，研究CRISPR

圖源pixabay

有些細(xì)菌對我們是有益的，它們在食品加工和工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用十分廣泛。不過，噬菌體不管這些，它有時(shí)會吃掉像乳酸菌那樣的益生菌，給酸奶發(fā)酵等食品產(chǎn)業(yè)招惹麻煩。

霍瓦特和巴蘭古都曾在丹麥一家名叫丹尼斯克（Danisco）的工業(yè)生物技術(shù)公司工作。這家公司是全球領(lǐng)先的食品添加劑生產(chǎn)商，生產(chǎn)各種食品益生菌。

每次病毒爆發(fā)，都會給公司生產(chǎn)的細(xì)菌發(fā)酵劑帶來毀滅性的損失。于是霍瓦特和巴蘭古致力于幫助細(xì)菌抵抗噬菌體，希望培育出能在噬菌體攻擊中存活的益生菌。

菲利普· 霍瓦特（Philippe Horvath）

霍瓦特在法國路易斯·巴斯德大學(xué)獲得博士，2004年，他在丹尼斯克研究細(xì)菌如何在噬菌體中生存。隨后他進(jìn)入了杜邦（DuPont）公司，被任命為杜邦營養(yǎng)與健康技術(shù)研究員，選擇具有CRISPR序列的發(fā)酵劑來增強(qiáng)發(fā)酵劑病毒抗性。

巴蘭古是美國北卡羅來納州立大學(xué)博士，2001年就開始在丹尼斯克研究細(xì)菌與噬菌體。

2005年，霍瓦特和巴蘭古在細(xì)菌的CRISPR區(qū)域中，發(fā)現(xiàn)了幫助細(xì)菌抵抗病毒的方法。他們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中的CRISPR系統(tǒng)，能夠創(chuàng)造一種永久性的病毒記錄。這種記錄不僅能夠幫助細(xì)菌對病毒產(chǎn)生免疫反應(yīng)，還能通過遺傳保護(hù)下一代細(xì)菌。

通過進(jìn)一步的研究，他們發(fā)現(xiàn)通過改變細(xì)菌的CRISPR序列，可以改變細(xì)菌對噬菌體的抗性。

他們的研究很好地解決了噬菌體攻擊益生菌的問題。2011年，杜邦公司開始將改良發(fā)酵劑商業(yè)化，選擇具有CRISPR序列的發(fā)酵劑來增強(qiáng)病毒抗性。自那以后，全球有數(shù)億人品嘗到了經(jīng)過CRISPR改良的奶酪和酸奶。

不僅如此，他們和同事們還一起確立了CRISPR/Cas作為細(xì)菌免疫防御的系統(tǒng)。這對科學(xué)界產(chǎn)生了巨大影響，促進(jìn)了當(dāng)下火熱的基因編輯領(lǐng)域發(fā)展，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。另外，他們的研究還激發(fā)了其他人進(jìn)一步研究CRISPR系統(tǒng)。

法國分子生物學(xué)家菲利普· 霍瓦特（Philippe Horvath）和魯?shù)婪颉?巴蘭古（Rodolphe Barrangou）

對CRISPR系統(tǒng)的研究給他們帶來了很多榮譽(yù)。2023年，他們?nèi)脒x了美國國家發(fā)明家名人堂，這都得益于他們對CRISPR系統(tǒng)的探索。

那么，CRISPR系統(tǒng)究竟是何方神圣，它會怎樣改變我們的生活？

02

CRISPR 系統(tǒng)開發(fā)及其應(yīng)用

CRISPR是原核生物基因組內(nèi)的一段重復(fù)序列。它存在于40%的細(xì)菌中，是細(xì)菌與病毒斗爭過程中產(chǎn)生的免疫武器。

當(dāng)我們生病的時(shí)候，我們身體的免疫系統(tǒng)，會記錄下這次侵犯我們的病原體。CRISPR 系統(tǒng)也有類似的功能。當(dāng)細(xì)菌遭到病毒入侵后，細(xì)菌能夠把病毒基因的一小段存儲到自身的 DNA 里稱為 CRISPR 的存儲空間中。當(dāng)病毒再次入侵時(shí)，細(xì)菌能夠根據(jù)存寫的片段識別病毒，將病毒的DNA切斷而使之失效。

利用細(xì)菌中的CRISPR系統(tǒng)，科學(xué)家可以選擇性地修改基因組中任何特定位置的DNA序列，從而實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌的基因編輯。

CRISPR/Cas系統(tǒng)在編輯基因時(shí)，會用RNA引導(dǎo)Cas蛋白去切斷目標(biāo)DNA。這大大增加了基因編輯的準(zhǔn)確性，使其修改精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的基因組修改技術(shù)。同時(shí)，它還具有快速、高效和成本低廉的特點(diǎn)。

目前，這一系統(tǒng)可以應(yīng)用到許多領(lǐng)域，包括基因組編輯、抗菌、抗微生物生產(chǎn)、食品安全、食品生產(chǎn)以及植物育種等方面。

總而言之，這一系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)徹底改變了分子生物學(xué)的發(fā)展軌道，在醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域都具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考資料

1.Philippe Horvath - Gairdner Foundation

2.https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/crispr-cas-system