科学家修补基因图谱设备 使DNA编辑安全

Ilya Finkelstein在回顾德克萨斯大学科学家及其同事在着名的学术期刊Cell中获得该项目的起源时笑了笑。根据同行评审的文章，他们找到了一种方法让科学家们更安全地使用一种称为CRISPR 的新型基因编辑技术 - 这种技术已经将大部分科学世界卷入了看似奇妙的辩论中，例如是否创造了不需要的蘑菇。超市中的褐色可能导致人们创造新的动物或订购设计师DNA的婴儿。

感谢CRISPR，辩论不再是受科幻电影启发的抽象论据。那些CRISPR修饰的蘑菇成了商店的货架。2015年，中国科学家通过使用CRISPR来操纵人类胚胎，让世界大部分人感到震惊，这项实验在许多科学家担心的情况下失败了。仅仅两年之后，由于CRISPR的伦理和法律影响仅略微清晰，十几项临床试验正在人体细胞上使用该技术，本月早些时候对人类胚胎的研究获得了国际头条新闻。

根据他们的论文，Finkelstein和他的同事开发了一种技术，它基本上使得CRISPR不太可能对它所修饰的基因进行争夺。他们说，他们的工作可以帮助科学家治愈糖尿病等疾病，同时显着降低癌症等副作用的风险。

这一突破是合作的结果，听起来像是一个关于一群不匹配的人走进酒吧的笑话 - 一个机械工程师，一个数学家，一个生物化学家和一个天体物理学家。它始于一个谦虚的请求：“有没有人想要通过垃圾挖掘博士学位?”

Finkelstein于2014年开始提出这项建议。作为分子生物科学系的助理教授 - 他的实验室致力于研究人类基因组与衰老的关系 - 他一直在寻找与CRISPR合作的机会。

科学家在酸奶培养实验中发现了这项技术 - 其名称简称为“聚集在一起的间隔短的回文重复序列”。他们发现细菌具有可以非常有效地对抗病毒的免疫系统。其他科学家扩展了这个想法; 最终来自CRISPR，它利用细菌用来保护自己的系统。它允许研究人员使用蛋白质切出选定的DNA片段，并在需要时插入新片段。

CRISPR足够快，过去需要数月或数年的实验可以在几天内完成，加快科学进步的步伐。这项技术传播得如此之快，德克萨斯大学没有人确定有多少科学家在他们的实验中使用了CRISPR。

科学家们仍然在确定CRISPR分子与各种DNA相互作用的各种方式。一个关键问题：CRISPR分子的准确度如何?他们有时会将一个DNA序列混淆为另一个序列，而不是另一个而是剪断一个序列吗?你是如何测试的?

Finkelstein是科学家中的一员，他们对该技术可以为人类做些什么感到兴奋，例如，通过提高作物产量。但他提醒说，这项技术还远远没有准备好完成修改成人每个细胞DNA的令人难以置信的复杂任务，并且还没有准备好用于人类胚胎。“那说，没有人在听我说话，”他告诉奥斯汀美国政治家。“那么为什么不试着让这更安全呢?”

这个想法始于一个昂贵的DNA测序仪，Finkelstein实验室上面的研究人员一直用它来分析人类的基因。在将DNA放入机器之前将DNA加载到特殊载玻片上，该机器使用化学过程来分析DNA。使用后，这些载玻片被丢弃 - 完成DNA。芬克尔斯坦看到了一个可用于测试CRISPR的遗传物质来源。

问题：Finkelstein很难找到有兴趣加入该项目的人。“我想这个故事的寓意是，a)不要试图通过告诉人们他们将通过垃圾挖掘来推销项目，以及b)找到一个太无畏或天真的人来了解他们正在做什么，”他说。

除了歪曲的观察之外，科学家们对CRISP的所作所为超越了进化。芬克尔斯坦指出，人们现在可以使用水母基因制作绿色玉米 - 这种东西永远不会自然进化。“基本上，我们正在缩短进化。现在我们可以做进化永远不会做的事情，”芬克尔斯坦说。“我们正处于'Gattaca'时刻，”他补充道，参考1997年关于遗传操纵的科幻电影，“我真的这么认为。”

由于Finkelstein正在寻找帮助使“时刻”更安全的人，Cagri Savran正好在寻找一个可以工作的项目。

Savran是普渡大学的机械和生物医学工程教授。他的实验室生产医疗设备，例如测试血液杂质的传感器。他曾与UT教授Andy Ellington合作过，当2014-15的休假机会出现时，Ellington说服Savran在奥斯汀度过。

Savran希望通过与实践“基础科学”的人合作，从工程世界中脱颖而出。他认为他可能会从普渡大学带来他的一个项目。相反，Ellington走过Savran走过走廊，把他介绍给Finkelstein。也许，Ellington建议，Savran可以使用DNA幻灯片进行实验，Finkelstein注意到他们正坐在垃圾箱的一层楼上。

萨凡兰同意了。他不知道该项目缺乏科学家。“我是工程师，”他告诉政治家。“我喜欢小工具，寻找小工具并将它们拆开并将它们放在一起，即使我必须将零件从垃圾中拉出来。”

从事这个项目的团队最终变得如此之大，以至于有三人被列为论文的主要作者，还有另外10人作为共同作者。团队成员表示，该项目的工作主要是因为他们可以融合不同的技能，心态和方法。被列为主要调查员的芬克尔斯坦表示，他的贡献归结为两个主要工作：“一个，帮助他们互相交谈，两个，以保持关灯。”

团队面临的根本挑战是：编制令人难以置信的大量数据，以确切了解CRISPR是否可以信任其实现其支持者所说的能力。为此，Savran制造了一台安装在高分辨率显微镜上的机器。为了使用它，科学家们加载由DNA测序仪创建的载玻片，然后用包含CRISPR蛋白的溶液喷射它们。然后该装置追踪各种蛋白质及其与DNA各部分的相互作用。

它基本上可以同时执行许多小型实验。

该机器的设计和软件是开源的。这意味着，理论上，拥有资金的任何人都可以建立一个并运行它。Savran说他的挑战包括让机器变得足够简单，以至于任何生物学学生都可以使用它，坚固到没有人会破坏它，而且足够可靠，“你没有让它在一个非常昂贵的显微镜上泄漏”。

其他挑战需要其他专业。例如，人类细胞大多是空的空间，这些细胞中的DNA如此之小且相距很远，因此对它们进行映射类似于映射宇宙。所以Finkelstein招募了William Press，他是UT天体物理学家，他已经扩展到计算机科学和“计算生物学”。Press和他的团队帮助编写了软件来跟踪幻灯片上发生的事情 - 一个基于用于绘制宇宙远景的系统。

UT团队希望这项工作能够成为全球各种CRISPR测试的基础。

这是道德辩论符合人类进步现实的地方。

在本月早些时候发表在“ 自然 ”杂志上的一项研究中，科学家解释了他们如何成功编辑人类胚胎中的基因，以修复导致致命心脏病的常见严重突变。正如“纽约时报”的一篇文章指出的那样，“这项研究标志着一个重要的里程碑，虽然距离临床使用还有很长的路要走，但它提出了基因编辑有朝一日可以保护婴儿免受各种遗传病症影响的前景。”

文章补充说：“这项成就也是人类基因工程的一个例子，曾经令人担忧和不可想象，并且肯定会更新道德问题，有些人可能会试图设计具有某些特征的婴儿，如更高的智力或运动能力。”

UT研究人员设想他们的工作被用来帮助预防或治疗疾病 - 为人们量身定制个体基因疗法，而不是为新型人群量身定制。UT的假设问题是：如果科学家能够发现特定的CRISPR蛋白是否可以治愈糖尿病病例，还会导致癌症怎么办?

芬克尔斯坦认为，如果可以，他们应该 - 即使他们不能使技术完美。“无论何时你看到这种精确切割，你总是担心在错误的地方切割，”芬克尔斯坦说。“没有什么是完美的。问题是我们能否承受风险。”

Savran使用了更具奥斯汀特色的论点。“我必须习惯的一件事是奥斯汀地区的交通，”他说。“我必须特别注意尽可能安全地驾驶。即便如此，也存在风险。但至少对我而言，这种好处值得冒险。”