中國科學(xué)家設(shè)計出一種用光控制基因編輯工具CRISPR-Cas9

工程師們正在生物技術(shù)最熱門的商品上留下自己的印記。中國科學(xué)家發(fā)表在4月3日出版的Science Advances期刊上的文章稱，他們可以用光控制基因編輯工具CRISPR-Cas9。

研究人員表示，該方法取代了傳統(tǒng)上用于遞送CRISPR基因編輯體系的病毒的使用，并使科學(xué)家可以對基因編輯工具進行時間上的控制。他們在Science Advances上發(fā)表了標(biāo)題為“Near-infrared upconversion–activated CRISPR-Cas9 system: A remote-controlled gene editing platform”的文章，介紹他們的發(fā)下。

該論文的作者、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的宋玉君教授說，該技術(shù)具有精準(zhǔn)靶向和殺死癌細胞的潛力。

CRISPR是成簇的規(guī)律間隔性短回文重復(fù)序列（Clustered, Regularly Interspaced, Short Palindromic Repeats）的縮寫，是科學(xué)家們在微生物中發(fā)現(xiàn)的一種遺傳現(xiàn)象，科學(xué)家已將其變成了DNA切割機。當(dāng)與某些蛋白質(zhì)（常見的是一種稱為Cas9的蛋白質(zhì)）結(jié)合時，這種生物復(fù)合物可以切割和粘貼DNA，改變生命的遺傳密碼。

將CRISPR-Cas9物理遞送到細胞中通常需要將復(fù)合物連接到病毒上。病毒侵入靶細胞的細胞核，遞送CRISPR剪切和粘貼機制。這種策略是有效的，但使用病毒作為遞送方法可能會導(dǎo)致問題，比如引發(fā)癌癥或免疫反應(yīng)。

研究人員提出了幾種替代的遞送材料，包括金納米顆粒、黑磷、金屬有機骨架、氧化石墨烯和各種納米材料。這些方法避免了病毒的一些陷阱，但仍然不能讓科學(xué)家控制基因編輯的時間。

這正是他們將光引入進來的初衷。前述這篇新論文的作者使用一種光敏化合物將CRISPR-Cas9鎖定在光轉(zhuǎn)換納米粒子上。然后，通過將這些納米粒子暴露在近紅外光下，科學(xué)家們觸發(fā)了CRISPR-Cas9體系從納米粒子中釋放出來，并將它們按需遞送給細胞。

該系統(tǒng)之所以智能，不僅因為CRISPR-Cas9的釋放時間可以控制，還因為可以將其遞送到人體內(nèi)相當(dāng)深層的組織中，并且可以對其進行遠程控制。

該系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制的關(guān)鍵是使用稱為上轉(zhuǎn)換納米粒子的光轉(zhuǎn)換納米粒子作為遞送材料。這些納米粒子吸收低能近紅外（NIR）輻射并將其轉(zhuǎn)化為可見的紫外（UV）光。上轉(zhuǎn)換納米粒子最近已在其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用。

完成工作需要近紅外光和紫外光這兩種類型的光。近紅外光穿透人體組織到達人體深處的納米粒子（這是紫外光做不到的）。而紫外光能夠切斷光敏分子，釋放CRISPR-Cas9。

論文作者在患有腫瘤的小鼠身上測試了他們的系統(tǒng)。他們在CRISPR-Cas9復(fù)合物中載入了一個可以阻止與癌細胞相關(guān)的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的遺傳密碼。然后他們將CRISPR-Cas9復(fù)合物鎖定在上轉(zhuǎn)換納米例子上，并將其注射到小鼠腫瘤部位。

接下來，他們從小鼠體外向體內(nèi)目標(biāo)處照射近紅外光，觸發(fā)納米粒子將其轉(zhuǎn)化并發(fā)射出紫外光。紫外光分解這種光敏化合物，并釋放出CRISPR-Cas9。作者在文章中說，小鼠體內(nèi)的腫瘤生長減慢。

宋教授說，研究人員希望將這種工具不僅應(yīng)用于癌癥，還應(yīng)用于帕金森病和糖尿病?！拔覀兊膱F隊專注于納米醫(yī)學(xué)，我們將開發(fā)用于人體疾病治療的工具?！彼f。該論文的其他主要合著者包括廈門大學(xué)生物仿生及軟物質(zhì)研究院的林友輝，以及南京工業(yè)大學(xué)先進材料研究院和柔性電子重點實驗室的王玉珍。