基因編輯工具CRISPR-Cas9的問世，讓生物科學(xué)家擁有了定位編輯DNA序列的基因“剪刀”。單層碳原子組成的石墨烯被稱為“材料之王”，研究石墨烯性能的科學(xué)家因此榮獲2010年諾貝爾物理獎。當(dāng)CRISPR技術(shù)和石墨烯結(jié)合，會碰撞出什么有趣的結(jié)果？
加州大學(xué)伯克利分校和克萊蒙特大學(xué)凱克研究所（KGI）的工程學(xué)家就帶來了一項(xiàng)“跨界”，利用CRISPR-Cas9的基因定位能力和石墨烯晶體管的靈敏導(dǎo)電性能，創(chuàng)造出一款手持式設(shè)備，15分鐘內(nèi)就能在基因組中檢測出特定基因突變，快速診斷遺傳疾病。有關(guān)這項(xiàng)成果的論文發(fā)表在最新一期《Nature Biomedical Engineering》。
這款設(shè)備被命名為“CRISPR芯片”。它的主要開發(fā)者、論文通訊作者Kiana Aran教授介紹，“只要把純化后的DNA樣品滴到芯片上，讓CRISPR來做搜索工作，再由石墨烯晶體管來報(bào)告搜索結(jié)果，幾分鐘就可以出結(jié)果。”
相比之下，目前常用的基因突變檢測方法都要耗費(fèi)更長的時(shí)間。這是因?yàn)?，現(xiàn)有的基因測序通常要求樣本中有足夠多的DNA片段，因此需要通過一個(gè)所謂“聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）”的過程來復(fù)制特定的DNA片段。
而Aran教授等人開發(fā)的這種CRISPR芯片，卻繞過了PCR擴(kuò)增這個(gè)瓶頸。之所以能做到這點(diǎn)，首先利用了CRISPR系統(tǒng)快速的基因定位能力。為了讓Cas9蛋白在基因組中找到特定位置，研究者給Cas9蛋白配上一段指導(dǎo)RNA，其堿基序列與待檢測的DNA序列互補(bǔ)。采用不同的指導(dǎo)RNA，就可以讓Cas9定位到不同的DNA序列。當(dāng)在基因組中掃描到可配對的DNA序列，也就是存在特定突變時(shí)，Cas9便將其鎖定。
一旦CRISPR復(fù)合物與目標(biāo)DNA相結(jié)合，石墨烯生物傳感器的優(yōu)勢開始發(fā)揮作用，將晶體管導(dǎo)電性的變化反映在設(shè)備上。
正如Aran教授總結(jié)：“CRISPR的選擇特異性，石墨烯晶體管的靈敏度，加在一起，讓我們得以實(shí)現(xiàn)無需PCR、無需擴(kuò)增DNA的檢測。”
借助這種快速基因檢測能力，這套設(shè)備可以幫助醫(yī)生診斷一些特定基因突變造成的遺傳疾病，從而讓患者盡早開始治療。例如，杜氏肌營養(yǎng)不良癥（DMD），是一種影響全世界很多兒童的嚴(yán)重遺傳疾病，病因在于編碼“抗肌萎縮蛋白”（dystrophin）的基因存在缺陷。在這項(xiàng)工作中，研究者使用該CRISPR芯片在DMD患者的血液樣本中鑒定出了兩種常見的致病突變，驗(yàn)證了該設(shè)備的有效性。
未來，Aran教授還希望通過在設(shè)備中插入多個(gè)指導(dǎo)RNA，讓醫(yī)生有可能在幾分鐘內(nèi)同時(shí)檢測出多個(gè)基因突變。“就好像一個(gè)頁面上有多個(gè)搜索框，我們的晶體管就是搜索框，搜索的內(nèi)容是指導(dǎo)RNA攜帶的信息，每一個(gè)晶體管都可以搜索并通過電學(xué)變化給出結(jié)果。”
此外，醫(yī)生或許也可以借助這類便捷的檢測設(shè)備為患者制定個(gè)體化治療方案，例如準(zhǔn)確地預(yù)測患者對一些靶向藥物的特定反應(yīng)。
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