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三項革命性技術:被水母照亮的微觀世界

2021-09-17 02:28:04

  來源:原理

  DNA雙螺旋結構的揭曉、量子力學的出現、廣義相對論的提出……這些都曾是科學家取得過的一些偉大的理論突破。不過,重大的、顛覆性的想法并不常有。現在,現代的科學研究和科學發現更多地受到新的、不斷改進的技術驅動。那些更好的科學技術照亮了前人所不知道的科學領域,讓現代科學家能夠比過去更快、更高效地進行實驗。

  今天,我們要探討的是那些受到大自然的啟發而發展起來的先進技術。這是一些已經被水母、細菌、藻類使用了數百萬年的生物分子工具,現在它們被用在了醫學和生物學研究上,以直接或間接的方式,改變了人們的生活。

  被水母照亮的微觀世界

?維多利亞多管發光水母。| 圖片來源:Wikipedia維多利亞多管發光水母。| 圖片來源:Wikipedia

  這種透明水母的學名是維多利亞多管發光水母Aequorea victoria,它們沒有大腦,沒有肛門,也沒有毒刺,在北太平洋漫無目的地漂著。然而,這樣一種看似簡單的生物,引發了一場生物技術革命——它們的傘的外圍有著大約300個發光器官,它們發出的微弱綠光改變了科學研究的方式。

  維多利亞多管發光水母體內的這種生物熒光來自一種名為水母蛋白的發光蛋白和一種名為綠色熒光蛋白(GFP)的熒光分子。在現代生物技術中,綠色熒光蛋白就像一個分子級的燈泡,它能夠與其他蛋白質融合在一起,方便研究人員追蹤蛋白質的行蹤,以及觀察生物細胞中的蛋白質是在何時、何處產生的。

  每一天,有成千上萬個實驗室在使用熒光蛋白技術,這項技術已經迎來了兩項諾貝爾獎,分別頒發于2008年和2014年。現在,科學家已經在更多的物種中發現了熒光蛋白的存在。

  2020年,當科學家在制造能夠表達GFP的轉基因COVID-19病毒時,這種技術再次證明了它的實用性。研究人員通過熒光,在病毒進入呼吸系統以及與具有毛發結構的表面細胞結合時,追蹤病毒的路徑。

  ?細菌防御系統?是基因編輯器

  細菌和病毒之間總是在上演著一場場“生化戰爭”,為了爭奪稀少的資源,它們會自己斗爭,也會相互斗爭。

  CRISPR-Cas系統就是細菌陣營的一種強大武器,它就像是一個“遺傳文庫”,由長時間地從“敵方”病毒那里收集短的、重復的DNA,以及一種名為Cas的蛋白質組成,這種Cas蛋白質可以像剪刀一樣,切割病毒的DNA。

  在自然世界中,當細菌受到種病毒的攻擊時,而這種病毒的DNA又已經被儲存在了CRISPR檔案中的話,CRISPR-Cas系統會搜尋、切割、這種病毒DNA。這種功能被學家們所利用,他們按照自己的需求,為這些武器重新發展出新的用途,產生了突破性的效果。

  CRISPR-Cas可以編輯幾乎所有生物的基因組。2020年,生物化學家詹妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)和微生物學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)就因其在CRISPR-Cas基因編輯技術方面作出的貢獻而獲得諾貝爾化學獎。| 圖片來源:nobelprize.org

  現在,人類基因組計劃已經為人類提供了一個幾乎完整的基因序列,它也為科學家對所有其他生物體進行測序提供了一個優秀的模板。其實,在CRISPR-Cas之前,研究人員并沒有有效的工具來輕易地觸及和編輯內的基因;而現如今,CRISPR-Cas的存在讓過去需要用數月乃至數年、斥資數十萬美元才能完成的實驗室工作,只需花費數百美元的預算就能在不到一周的時間內完成。

  CRISPR對疾病的治療有著無可限量的潛力。在眾多遺傳疾病中,有超過10000種遺傳疾病是由單個基因突變引起的,這類疾病被稱為單基因疾病,數百萬人因這類疾病而備受折磨。鐮狀細胞性貧血、囊性纖維化、亨廷頓病……都是這種疾病中的典型例子。它們都是CRISPR治療的目標,因為只修復或替換一個有缺陷的基因,比糾正多個基因上的錯誤要簡單得多。

  例如,在近期發表于《新英格蘭醫學雜志》的一項臨床前研究中,研究人員就將一種封裝的CRISPR系統注射到患有疾病“甲狀腺素運載蛋白淀粉樣變性”的患者體內。這是一種罕見的遺傳疾病,它能導致致命的神經和心臟疾病。初步研究結果表明,CRISPR-Cas是能夠以這種方式直接被注射到患者體內的,并且它可以發現并編輯與疾病相關的缺陷基因。在這項具有里程碑意義的研究中,有6名患者在注射了這些“迷你導彈”后,其與疾病相關的錯誤的蛋白折疊呈現出了顯著下降。

  藻類和大腦神經元

  藻類的生長需要依靠陽光的照射。當把它們放置在一個黑暗房間中的大型水箱里時,它們會漫無目的地游來游去。這時如果開啟一盞燈,藻類就會向著光的地方游去。這種現象與單細胞鞭毛蟲有關,這種生物因其用來四處移動的鞭狀附肢而得名,它們沒有眼睛,但有一種被稱為眼點的結構。眼點上布滿了被稱為光敏感通道蛋白的光敏蛋白質,可以區分光明和黑暗。

?《自然界的藝術形態》中描繪的鞭毛蟲。| 圖片來源:Wikipedia《自然界的藝術形態》中描繪的鞭毛蟲。| 圖片來源:Wikipedia

  在21世紀初,有科學家發現當他們從基因的角度上將這些光敏感通道蛋白插入任何生物體的神經細胞中,再用藍光照射這些光敏感通道蛋白時,就會引起神經元放電。

  這項技術被稱為光控遺傳修飾技術(光遺傳學),它涉及到藻類基因的插入,這些藻類基因能夠使光敏感通道蛋白進入神經元。當一束藍光照射到這些神經元上時,光敏感通道蛋白就會打開,鈣離子會涌入神經元,從而激活神經元。使用這一工具,科學家可以有選擇地重復刺激神經元組,從而更好地獲悉,哪些神經元可以被用作療特定疾病的目標

  光控遺傳修飾技術或許是治療阿爾茨海默癥和帕金森癥等大腦疾病的關鍵。近期,有研究表明這種技術不僅有助于理解大腦,而且還能夠被用來部分逆轉失明。在臨床試驗中,它已經在患有視網膜色素變性(破壞視網膜細胞的遺傳疾病)的患者身上表現出了令人滿意的效果。在小鼠研究中,這項技術已經被用于控制小鼠的心跳,以及調節便秘小鼠的腸道蠕動。

  大自然的工具箱中還有什么?

  那么,大自然中還藏著哪些未被發現的技術呢?

  2018年的一項研究表明,以質量計算,人類只占所有生物的0.01%,但在短暫的時間里,人類已經造成了83%的野生哺乳動物和一半的植物的損失。自然的消亡可能會讓人類在來不及想象的情況下,就喪失了新的、強大的、能夠改變生活的技術。畢竟,就像文中所列舉的這三個開創性技術一樣,沒有人能預見到這三種從自然中衍生出來的過程,能夠徹底地改變科學研究的方式。

  #創作團隊:

  撰文:Marc Zimmer(康涅狄格學院化學教授)

  譯文:小雨

  #參考來源:

  原文標題為“From CRISPR to glowing proteins to optogenetics – scientists’ most powerful technologies have been borrowed from nature”,于2021年8月5日首發于The Conversation,原文鏈接:https://theconversation.com/from-crispr-to-glowing-proteins-to-optogenetics-scientists-most-powerful-technologies-have-been-borrowed-from-nature-164459,文章基于CC協議翻譯,中文內容僅供參考,一切內容以原文為準。

  #圖片來源:

  封面圖:PublicDomainPictures / Pixabay

文章來源: http://www.cqxym.com/keji/1538807.html

標簽:水母生物基因

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