21世纪最有争议的生命科学技术：CRISPR基因编辑的过去

引言

CRISPR的过去，是一段跨越世纪的发现与纷争之旅。

在西班牙那片美丽而神秘的地中海港口圣波拉（Santa Pola），盐沼地不仅是度假客和火烈鸟的乐园，也是科学发现的沃土。正是在这里，一项革命性的生物技术——CRISPR基因编辑技术，悄然拉开了它的序幕。

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基因编辑：生命的“剪刀手”

如果你对汽车引擎的构造充满好奇，可能会拆解某个零件，进行改造，以观察其对引擎性能的影响。而基因编辑，则是对生命体内基因的“微雕”。

不过，基因并不像汽车零件那样触手可及，而是隐藏在DNA的复杂链条里，被细胞的层层膜结构严密包裹，还有一套精密的DNA修复机制在时刻监控。想要对基因进行编辑，就如同想要在一个被重重保护、内部构造复杂的艺术品上进行微雕，其难度之大，令人咋舌。

不过，人类的本能就是挑战，这种难题激发了科学家们对基因编辑技术的无尽探索。从最初的“同源重组”技术，到后来的“锌指核酸酶”（ZFNs）和“转录激活因子样效应物核酸酶”（TALENs），科学家们一直在寻找更高效、更精准的基因编辑工具。

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CRISPR的发现离不开细菌

在圣波拉那片盐沼地上，成长着一位名叫弗朗西斯科·莫伊卡（Francisco Mojica）的科学家。

1989年，他踏入阿利坎特大学（University of Alicante）的校门，开始了他的博士生涯，专注于一种从当地沼泽中分离出的神奇古细菌——地中海嗜盐菌（Haloferax mediterranei）。这种细菌以其惊人的耐盐性，成为了Mojica研究的焦点。

嗜盐菌

Mojica的导师在一次实验中偶然发现，培养基中的盐浓度似乎对一种名为限制性内切酶的分子切割地中海嗜盐菌基因的能力产生了影响。

这一奇特现象激发了Mojica的好奇心，他决定深入探究。在他的首次DNA片段分析中，Mojica遭遇了一个令人费解的结构：一系列重复的序列，它们呈现出镜像般的对称性，且每隔一段距离就被一段独特的间隔序列隔开。

这一发现让Mojica深感着迷，他下定决心，要将自己的学术生涯献给解开这个谜团。

随后的十年里，Mojica的探索足迹遍布各种细菌世界，他在更多种类的细菌中发现了类似的重复序列。更令人惊讶的是，这种结构不仅存在于古细菌中，就连我们日常生活中常见的大肠杆菌（Escherichia coli）也携带着这种独特的DNA模式，尽管它们的具体形态略有不同。Mojica意识到，这些重复序列背后，一定隐藏着某种重要的生物功能。

在牛津完成短暂的博士后研究后，Mojica于1995年发表了一篇论文，首次向科学界揭示了这种新奇的重复序列。

由于所在学校的资源有限，Mojica开始利用计算机技术来深入研究这些序列，并为它们命名——short regularly spaced repeats（SRSPs），后来这一名称被简化为更易记忆的Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats，即CRISPR。

时间推移至2000年，Mojica已经在20种不同的微生物中发现了CRISPR基因位点，这些微生物包括引发结核病的结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）、导致艰难梭菌感染的艰难梭菌（Clostridium difficile）以及鼠疫杆菌（Yersinia pestis）等。此外，他还发现了一些与CRISPR紧密相关的基因（cas基因），这些基因可能在CRISPR的功能中扮演着关键角色。

那么，CRISPR究竟有何妙用呢？科学家们纷纷提出各种假设，但大多数都缺乏确凿的证据支持。直到2003年，还是Mojica，他在办公室里，利用计算机对CRISPR的间隔序列与已知DNA序列进行相似性搜索时，意外揭开了一个惊人的秘密：细菌和古菌拥有一种免疫机制，能够记住曾经感染过它们的病毒的基因特征，并据此展开针对性的防御。

这就像是细菌有了人类免疫系统的“记忆”功能，能够识别并抵御再次入侵的病毒。

Mojica的这一发现，在当时看来是如此前卫和不可思议，以至于他的研究成果直到2005年才被《分子演化杂志》所接受。从此，CRISPR（读作“克瑞斯破儿”）这个新术语开始逐渐进入科学界的视野。

CRISPR的发现，如同一场全球性的拼图游戏，吸引了无数科学家的参与。他们来自世界各地，各自怀揣着对未知的好奇与探索欲，一块又一块地将CRISPR的拼图碎片拼接到位。

终于，在2011年，埃玛纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）为这场拼图游戏添上了最后一块关键碎片。她的研究揭示了CRISPR作为基因编辑工具的巨大潜力，仿佛科学家们长久以来寻找的“天然基因编辑特工”，终于露出了它的庐山真面目。

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技惊四座的CRISPR/Cas9

当卡彭蒂耶在美国微生物学学会上遇到詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）时，两人一拍即合，开启了CRISPR/Cas9技术的研发之旅。

杜德娜是加州大学伯克利分校的结构生物学教授，她的研究主要集中在与RNA有关的生物大分子结构。虽然基因编辑只是她的“副业”，但这份副业却让她成为了CRISPR/Cas9技术的共同开创者。

杜德娜和卡彭蒂耶合作不到一年时间，就发表了一篇在基因编辑史上里程碑性质的论文。

她们证明了一种拥有SpCas9蛋白的CRISPR系统最适合作为基因编辑的工具，因此这套基因编辑工具后来被称为CRISPR/Cas9技术。

她们用这套系统成功编辑了大肠杆菌的基因，结果表明CRISPR/Cas9比起之前的ZFN和TALENs技术，效率要高得多。

CRISPR/Cas9技术的出现，就像一把锋利的“剪刀手”，能够精准地切割DNA，实现基因的编辑。这把“剪刀手”的出现，让基因编辑技术迎来了前所未有的发展机遇。

就在杜德娜和卡彭蒂耶为CRISPR/Cas9技术的成功而欢呼时，一位来自麻省理工学院的科学家张锋，敏锐地意识到了CRISPR的光辉前景。

张锋这人不简单，履历丰厚到写出来可能需要占满整整一页A4纸。他的导师和合作伙伴都是国际知名的科学家，他自己也在基因编辑领域有着深厚的积累。

当杜德娜与卡彭蒂耶率先发表出她们的学术成果时，张锋马上就看出了她们成果里的小小瑕疵。

虽然CRISPR/Cas9是个好特工，但当时的它还无法“潜入”哺乳动物细胞的堡垒深处，连DNA的面都别想见着。

张锋对CRISPR/Cas9做了几处微小而巧妙的修饰，一举解决了这个问题。

在杜德娜的论文发表后半年左右，张锋成了第一个用CRISPR/Cas9编辑哺乳动物细胞基因组的科学家。这一成就，让张锋在基因编辑领域声名鹊起。

04

专利纷争

然而，随着CRISPR/Cas9技术的广泛应用，一场关于专利的纷争也随之而来。杜德娜和卡彭蒂耶发表论文在先，申请专利也比张锋他们早得多，按理说应该占据优势。

但张锋团队却凭借一系列巧妙的策略，成功地将CRISPR的专利拆分成了好几十份，从法理上把“金子”和“金矿”的所有权分了开来。

他们还花钱走了专利审核的“快速通道”，让他们的专利比杜德娜的更早获得通过。

此外，张锋团队还巧妙运用了美国时任总统奥巴马的一些新政策，提出这个专利的有效性要基于“谁先完成研究”而非“谁先申请专利”，为此张锋掏出了过去两年的详细实验记录，明明白白地记录着他早在杜德娜的论文发表之前就已经走在了她的研究进度之前。

这场专利纷争，让CRISPR/Cas9技术的发明者之间的关系变得微妙起来。虽然张锋最终赢得了美国专利商标局的专利批准，但杜德娜团队在欧洲和中国等地的专利认证上却占据了优势。这场纷争，也让CRISPR/Cas9技术的商业化之路充满了变数。

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在争议中越发走红

尽管专利纷争持续不断，但CRISPR/Cas9技术却迅速在各个领域得到广泛应用。作为基因编辑领域最强大且成本效益高的工具，它极大地降低了基因修改，尤其是动物基因编辑的成本和技术门槛。

如今，科学家只需利用CRISPR/Cas9技术，便能轻松“定制”基因修饰动物用于研究，这一便捷性让基因编辑技术迅速席卷全球实验室。

在医疗领域，CRISPR/Cas9技术也取得了显著成果。科学家们已利用该技术培育出能生产人类白蛋白的特种猪，为治疗人类疾病的药物生产开辟了新途径。此外，它还成功用于治疗动物遗传病，如杜兴氏肌肉萎缩症，显著提高了患病动物的寿命和生活质量。

更令人瞩目的莫过于2024年，中美科学家通过基因编辑来培育出适合人类移植的猪器官，并真正移植在人体身上。无疑，CRISPR/Cas9技术为器官移植领域带来了新希望。

当然，CRISPR/Cas9这种极前沿技术也伴随着伦理争议，尤其是关于人类胚胎和生殖细胞的基因编辑。有人认为这种基因改变会遗传给后代，有人担忧它可能导致不可预知的后果...该技术因此受到伦理委员会的严格监管。

但这种担忧或许有些过度了。基因编辑技术虽强大，却需与其他技术配合才能发挥作用。

在猪器官移植研究中，除了CRISPR/Cas9技术外，还需克隆技术来培育完整猪只。此外，科学界本身也对基因编辑技术持审慎态度，必须通过伦理审查和公开讨论确保其健康发展。

尽管面临挑战和争议，CRISPR/Cas9技术仍为生命科学领域带来了新希望。随着对其理解的深入，它已能执行更多类型的基因编辑任务。

未来，CRISPR/Cas9技术有望在医疗、农业和环境保护等多个领域发挥重要作用，为遗传性疾病治疗、作物改良、病虫害防治、生态修复和生物多样性保护提供新手段。

End

写在文末

在生命的奥秘面前，人类永远保持着敬畏和好奇。基因编辑技术的出现，让我们有机会更加深入地探索生命的本质和规律。虽然这条路上充满了挑战和未知，但正是这些挑战和未知，激发了我们不断前行的动力和勇气。