基因剪刀改写生命密码

自然界中的各种生物为何会缤纷多彩？这是因为每种生物都有一套独特的生命密码，那就是基因图谱。昔日人们以为，改变物种基因只能借由繁衍与演化两种方式。但随着生命科学的不断进步，一些科学家正在逐渐变身为“裁缝”，利用手中的基因剪刀改写生命密码。法国生物学家埃玛纽埃勒·沙尔庞捷和美国生物学家珍妮弗·道德纳发现了一种特别好用的基因剪刀，她们因此获得了2020年诺贝尔化学奖。

修改“生命天书”

科学家常把基因组比喻为“生命天书”，人们一直被这本神秘的“天书”所吸引。这本书将生命的基因编织成了万千篇章，掌握着生命的身体形态和遗传特性。近年来，科学家们发现了一种奇妙的技术，可以修改这本“天书”，让人们翻开未知的篇章。

这项技术被称为基因编辑，它就像是一把神奇的剪刀，可以精确地剪切、删除、移动和粘贴基因的片段。这把基因“剪刀”的威力之强，令人震撼，它能让我们准确地修改某个特定基因序列，为生物的未来做出微妙的改变。

基因编辑，其实就是一种基因工程技术，它与转基因技术一样，都是在改写生命密码，改变生物的遗传特性。然而，与转基因不同的是，基因编辑更容易被人们接受。因为当我们对某个物种进行基因编辑时，不会涉及其他物种的基因，基因编辑因此更加安全可靠，也更容易被人们接受。

在合成生物、育种技术等领域，基因编辑和转基因可以相互补充，取长补短。然而，在医学领域，基因编辑则更加引人瞩目。它为医学研究提供了更多可能性。无论是治疗遗传病，还是治疗其他疾病，基因编辑都为医学领域带来了巨大的希望。

发现“基因剪刀”

自从20世纪90年代以来，众多杰出的科学家不断地开发出各种神奇的“基因剪刀”。其中，沙尔庞捷和道德纳于2011年发现了CRISPR-Cas的分子机制，这使得它成为一种备受瞩目的“基因剪刀”，如今在基因研究领域得到了广泛应用。让人惊讶的是，CRISPR-Cas并非是她们发明出来的，而是一种存在于漫长岁月中的自然界“古董”，某些细菌在数亿年的进化中早已熟练地使用着这把“剪刀”。

CRISPR的中文全称为“成簇的规律间隔短回文重复序列”，这个中文名称看起来让人费解，读起来也十分费劲。但没关系！只要我们知道它是细菌防御病毒入侵的一种免疫系统就足够了。当细菌面对病毒（比如噬菌体）的侵袭时，CRISPR系统会产生出Cas质粒，并将其当作一把剪刀，将病毒DNA中特定的基因片段无情地剪除，从而将病毒消灭在摇篮之中。

Cas质粒是一种环状双链DNA分子，能在细菌细胞内独立地进行复制，稳定地存在于染色体之外。目前，被广泛使用的Cas质粒大多经过改造或人工构建，成了改写基因的重要工具。

CRISPR系统的首次发现可追溯到1987年，当时日本的分子生物学家石野良纯偶然间在大肠杆菌中获得了这一重大发现。然而，由于当时基因科学尚未成熟，他并未意识到CRISPR系统可以成为生物学家们的基因工程利器。

进入21世纪后不久，生物基因工程席卷全球，成了最激动人心的生物学研究领域。最初，沙尔庞捷的研究方向并非是“基因剪刀”，而是海量的化脓性链球菌。就在研究这种细菌的过程中，她偶然间发现了一个新的RNA分子（反式激活 CRISPR RNA，英文简称为tracrRNA）。在对这个分子的追踪过程中，沙尔庞捷无意中发现了这个分子竟然是某些细菌自身免疫系统的一部分。

在随后的研究中，她惊喜地发现这个自身免疫系统就像是一把病毒的切割器，可以借助某种切割酶将病毒消灭。她在2011年发表的研究成果中，揭示了CRISPR-Cas系统对病毒的作用。同年，她开始与道德纳展开合作，希望将这种源自细菌的“基因剪刀”应用于其他研究领域。她俩在实验室中成功重构了CRISPR-Cas系统，成功地将这一自然的免疫机制转化为可供人类利用的基因操作工具。

在随后的研究中，她们简化了“基因剪刀”的分子组成，使其更加易于操作。若能善加利用，这把剪刀不仅可以精确地切割任何生物的基因，而且操作起来简直得心应手。借助这把基因剪刀，生物学家能够更加便捷地改写生命密码，开启前所未有的基因探索之旅。他们发现，一旦DNA 被切割，生命密码就如同被施了魔法，变得简单易解。改写生命密码的序幕一经揭开，无数奇迹就会呈现在人类面前，如同一幅绘画被添上鲜亮的色彩，或是一首华丽的交响乐即刻奏响。

最好使的“基因剪刀”

在自然界中，CRISPR-Cas体系可分为许多种类，而其中最为突出的当属第九号基因剪刀（CRISPR-Cas9）。作为一名优秀的科学家，沙尔庞捷对基因编辑的理解和洞察力都达到了惊人的高度。她发现并改进了CRISPR-Cas9，使得这把基因剪刀的操作更加精准简便，展现出其前所未有的威力和效果。

沙尔庞捷彻底改变了人们对基因编辑的认识，让这项技术从神话变成现实。而道德纳则对于第九号基因剪刀的化学机制有着精细而深入的理解，在揭示和解开这项技术神秘面纱的过程中发挥了重要作用。

在沙尔庞捷和道德纳的推动下，第九号“基因剪刀”成了科学家研究最透彻、应用最成熟的基因编辑技术。它具备极高精度的切割能力，同时切割速度也最快，因此使用起来非常方便。它仿佛是一把锋利至极的基因“手术刀”，可以用于治疗人类遗传病，或是改变其他生物的基因。目前，这一技术已经成功应用在人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组修饰上，成果斐然。

比如，在对利用猪培育人类器官的研究中，科学家面临巨大的风险。因为猪的基因组里含有大量内源性逆转录病毒基因，这些基因可能引发未知的人类疾病。然而，中国科学家杨璐菡利用第九号“基因剪刀”，成功地对猪肾上皮细胞基因组中的全部62个内源性逆转录病毒基因进行了剪切失活。当经过基因编辑后的这种动物细胞与人类细胞一同培养后，出现了令人欣喜的结果：通过基因编辑的动物细胞中的病毒基因感染人类细胞的概率很低，仅仅是未经编辑的猪细胞的千分之一。

这个重大发现不仅让我们对基因工程的前景感到更加乐观，同时也让我们更深刻地认识到第九号“基因剪刀”的巨大潜力。科学家正在对这方面进行深入研究，旨在利用这一技术创造出更多的惊人成果，为人类的健康和未来开辟更加美好的道路。瑞典皇家科学院院士佩尔尼拉·维通斯塔夫斯戴德这样评价第九号“基因剪刀”：“这项技术能够让你在任何希望的地方切割DNA，这给生命科学带来了革命性的影响。”

对人类的深远影响

目前，第九号“基因剪刀”已经成为第三代基因编辑的主流工具。它如同一颗耀眼的明星，红遍了整个生物学界。与前两代基因编辑工具（锌指核酸酶和转录激活样效应因子核酸酶）相比，它具备成本低廉、易于上手和高效率等独特优势，被公认为21世纪以来生物技术领域最重要的突破。

诺贝尔化学奖评选委员会对沙尔庞捷和道德纳的成果给予了高度赞扬：“她们开发的“基因剪刀”具有巨大的潜能，将影响每一个人。它不仅引领了基础科学的变革，还带来了众多创新成果，为癌症等治疗难题提供了更加有效的疗法。” 2020年的诺贝尔化学奖的颁发，见证了第九号“基因剪刀”的辉煌成就，也折射出科学的光辉与人类的希望。

这把“基因剪刀”不仅能够轻松准确地“剪裁”DNA序列，还将从根本上改变人们治疗遗传性疾病的方法。第九号“基因剪刀”的疗法已经在血液病和某些恶性肿瘤的治疗上取得了重大突破，为无数病患带来了希望。更加令人鼓舞的是，科学家正在进一步探索这一技术在先天性失明、艾滋病、精神分裂症等疾病中的应用，希望能够为更多的人带来疾病治疗上的突破。

除了用于治疗疾病外，“基因剪刀”还可以帮我们修改其他生物的基因，比如剪掉农作物的一些基因，从而培育出不怕虫子的香蕉、不畏严寒的水稻和产量多多的大豆等。对我们喜欢的动物来说，基因剪刀也可以帮助它们远离遗传病，或是变得更强壮。

“基因剪刀”的出现，开启了生命科学研究的新纪元，正在广泛造福人类的许多领域。“基因剪刀”的诞生，揭示了我们之前未知的生命奥秘。“基因剪刀”的发展，标志着生命科学研究进入了崭新的时代。从基础科学到医学应用，“基因剪刀”扩展了我们对生命奥秘的认知边界。它成了人类对于基因世界的一个无与伦比的切入点，开启了通往遗传学宝藏的大门。基因科学家正怀揣敬畏和探索之心，带领人们一同领悟生命的奇迹，并为人类的未来带来无限的可能。

获奖者简介

埃玛纽埃尔·沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier）：法国生物学家，1968年生于法国埃森省，1992年获得巴黎第六大学硕士学位，1995年获得巴斯德研究所博士学位，1997年任纽约大学医学中心助理研究员，现任德国马克斯·普朗克病原学研究室主任。

珍妮弗·杜德纳（Jennifer A.Doudna）：美国生物学家，1964年生于美国华盛顿，1985年于波莫纳学院获得学士学位，1989年于哈佛大学获得博士学位，1994年任耶鲁大学教授，1997 年任霍华德·休斯医学研究所研究员，2003年至今任加州大学伯克利分校教授。