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。