諾貝爾獎獎牌。圖片來源/諾貝爾獎官網
據全球多家媒體報導，諾貝爾獎委員會今天（10月7日）揭曉2020年度諾貝爾化學獎得主，兩位女性生物化學家因開發「基因魔剪」而獲此殊榮和獎勵。
這將也是諾貝爾獎自設立以來第112次頒發化學獎。諾貝爾化學委員會主席Claes Gustafsson宣布，法國生化學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）教授和美國加州大學伯克利分校的生化學家詹妮弗·杜德納（Jennifer Anne Doudna）教授獲得了這一獎項，獲獎原因是開發了一種名為對CRISPR-Cas9的基因組編輯方法——此技術被俗稱為基因剪刀。
Claes Gustafsson說，「這項基因工具蘊含著強大的力量，影響著我們所有人。它不僅徹底改變了基礎科學，而且推動了創新作物的誕生，未來還將會為突破性的新醫學療法指明方向，」
利用這項技術，研究人員可以極其精確地改變動物、植物和微生物的DNA。這項技術對生命科學產生了革命性的影響，正在為新的癌症療法做出貢獻，並可能使治癒遺傳性疾病的夢想成真。
國內多家科學自媒體披露，華裔科學家張鋒在此領域自第一個編輯了哺乳動物細胞以來對CRISPR-Cas9的發展和應用貢獻也很突出，此次惜未能與兩位剪出第一刀的巾幗英才一同獲獎。
圖片來源/諾貝爾獎官網
Emmanuelle Charpentier
埃曼紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier），法國微生物學、遺傳學和生物化學教授和研究員，目前在德國柏林馬克斯·普朗克病原學研究所工作。
她的大部分研究都有一個共同對象：致病細菌。它們為什麼這麼好鬥？它們如何發展對抗生素的抵抗力？是否有可能找到可以阻止其進展的新療法？
2002年，卡彭蒂耶在維也納大學成立了自己的研究小組，專注於對人類造成最大傷害的細菌之一：化膿鏈球菌。每年，它感染數以百萬計的人，經常引起扁桃體炎和膿皰瘡等可治癒的疾病。但是，它也可能導致危及生命的敗血症並破壞體內的軟組織，被冠有「食肉者」的可怕稱號。
為了更好地了解化膿性鏈球菌，夏彭蒂爾首先徹底研究了這種細菌的基因是如何調控的。這項決定是發現基因剪刀的第一步。
卡彭蒂耶以破譯細菌CRISPR / Cas9免疫系統的分子機制並將其重新定位為基因組編輯工具而聞名。她發現了一種非編碼RNA成熟的新機制，該機制在CRISPR / Cas9的功能中至關重要，還證明了一種被稱為tracrRNA的小RNA對於crRNA的成熟至關重要。
Jennifer a . Doudna
詹妮弗·杜德納（Jennifer a . Doudna），美國生物化學家，現任美國加州大學伯克利分校教授，霍華德·休斯醫學研究所研究員。
在2012年，杜德納和她的同事們在鏈球菌細菌「 CRISPR 」免疫系統中發現的一種名為Cas9的蛋白質，該蛋白質與引導RNA協同工作，像剪刀一樣起作用。這種蛋白質會攻擊目標病毒的DNA並將其切成薄片，從而阻止其感染細菌。該發現減少了編輯基因組DNA所需的時間和工作。
杜德納在生物化學和遺傳學方面也做出了重要貢獻，例如她通過對核酶的X射線晶體學研究確定了其結構。
視頻：上帝的剪刀。來源/中國科普博覽
CRISPR/Cas9是繼「鋅指核酸內切酶（ZFN）」、「類轉錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）」之後出現的第三代「基因組定點編輯技術」。所謂「基因編輯技術」，就是能夠讓人類對目標基因進行「編輯」，實現對特定DNA片段的敲除、加入的一項技術。
與前兩代技術相比，CRISPR/Cas9具有成本低、製作簡便、快捷高效的優點，於是它迅速風靡於世界各地的實驗室，成為科研、醫療等領域的有效工具。
CRISPR/Cas9被稱作「基因魔剪」。圖片來源/諾貝爾官網
這麼厲害的基因編輯技術，是如何操作的呢？
科學家告訴我們，在細菌的基因組上，存在著串聯間隔排列的「重複序列」，這些重複序列相對保守，我們稱之為CRISPR序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的規律間隔的短回文重複序列）。
1、「記錄」入侵者檔案
其中的「間隔序列」來源於病毒或ZhZhong'zhong'wgui外來入侵者的「記錄」。
CRISPR序列示意圖（菱形框表示高度可變的間隔序列，正方形表示相對保守的重複序列）
病毒或外源質粒上，存在「原間隔序列」，「間隔序列」正是與它們互相對應。「原間隔序列」的選取並不是隨機的，這些原間隔序列的兩端向外延伸的幾個鹼基往往都很保守，我們稱為PAM（Protospacer adjacent motifs-原間隔序列臨近基序）。
當病毒或外源質粒DNA首次入侵到細菌體內時，細菌會對外源DNA潛在的PAM序列進行掃描識別，將臨近PAM的序列作為候選的「原間隔序列」，將其整合到細菌基因組上CRISPR序列中的兩個「重複序列」之間。這就是「間隔序列」產生的過程。
2、打擊二次入侵者
當外源質粒或病毒再次入侵宿主菌時，會誘導CRISPR序列的表達。同時，在CRISPR序列附近還有一組保守的蛋白編碼基因，稱為Cas基因。CRISPR序列的轉錄產物CRISPR RNA和Cas基因的表達產物等一起合作，通過對PAM序列的識別，以及「間隔序列」與外源DNA的鹼基互補配對，來找到外源DNA上的靶序列，並對其切割，降解外源DNA。這也就實現了對病毒或外源質粒再次入侵的免疫應答。
正是基於細菌的這種後天免疫防禦機制，CRISPR/Cas9技術應運而生，從而使科學家們利用RNA引導Cas9核酸酶實現對多種細胞基因組的特定位點進行修飾。
如下圖所示，在待敲除基因的上下遊各設計一條嚮導RNA(嚮導RNA1，嚮導RNA2)，將其與含有Cas9蛋白編碼基因的質粒一同轉入細胞中，嚮導RNA通過鹼基互補配對可以靶向PAM附近的目標序列，Cas9蛋白會使該基因上下遊的DNA雙鏈斷裂。
對於DNA雙鏈的斷裂這一生物事件，生物體自身存在著DNA損傷修復的應答機制，會將斷裂上下遊兩端的序列連接起來，從而實現了細胞中目標基因的敲除。
CRISPR/Cas9技術敲除掉部分基因原理。繪圖/肖媛
而DNA片斷的插入或定點突變的實現，只需在此基礎上為細胞提供一個修復的模板質粒，這樣細胞就會按照提供的模板在修復過程中引入片段插入或定點突變，對受精卵細胞進行基因編輯，並將其導入代孕母體中，可以實現基因編輯動物模型的構建。
CRISPR/Cas9技術插入新基因原理圖。繪圖/肖媛
利用基因編輯技術CRISPR/Cas9，科學家們做出了許多成果。比如，北京希諾谷生物科技有限公司用此技術培育出比格犬「龍龍」，它成為我國首例完全自主培育的體細胞克隆犬，也是世界首例基因編輯克隆犬。
世界首例基因編輯克隆犬「龍龍」。圖片來源/科技日報
除此以外，來自美國、中國、丹麥研究機構的科學家憑藉此技術成功克隆出世界上第一批不攜帶活性內源性逆轉錄病毒（PERVs）的豬，克隆豬將來可以滿足人類器官移植的需要。
隨著對CRISPR系統認識的加深，實驗設計的優化改造，我們相信CRISPR/Cas9以及其衍生技術終究會帶來一場科學史上的巨大變革。期待在不久的將來，CRISPR/Cas9所帶來的巨大轉變必將能夠惠澤萬家。
諾貝爾化學獎首次頒發於1901年，截至2019年，共頒獎111次，有183人獲獎。其中，最年輕的化學獎得主是法國物理學家弗雷德裡克·約裡奧-居裡，他在35時與其妻子因對人工放射性的研究，共同獲得諾貝爾化學獎。最年長的化學獎得主是美國科學家約翰·古迪納夫，他因對鋰電池研發領域做出的貢獻，在97歲時與另外兩位科學家共同獲得了2019年諾貝爾化學獎，古迪納夫也是目前所有諾獎獲得者中，年齡最大的一位。
近10年以來諾貝爾化學獎得主名單及其主要成就如下。
2019年：
約翰·古迪納夫(美)、斯坦利·惠廷厄姆(美)和吉野彰(日)，因在鋰電池研發領域做出的貢獻分享諾獎。
2018年：
諾貝爾化學獎授予弗朗西斯·阿諾德(美)、喬治·史密斯(美)和格雷戈裡·溫特利(英)，以表彰他們在酶的定向演化，以及用於多肽和抗體的噬菌體展示技術方面取得的成果。
2017年：
約阿希姆·弗蘭克(德/美)，理察·亨德森(英)，雅克·杜博歇(瑞士)發展了冷凍電子顯微鏡技術，以很高的解析度確定了溶液裡的生物分子結構。
2016年：
讓-皮埃爾·索維奇(法)、弗雷澤·斯託達特(英)和伯納德·費林加(荷)三位科學家因「設計和合成分子機器」獲獎。
2015年：
託馬斯·林達爾(瑞典)、保羅·莫德裡奇(美)、阿齊茲·桑賈爾(土耳其/美)，因在基因修復機理研究方面所做出的貢獻獲獎。
2014年：
埃裡克·貝齊格(美)、威廉·莫納(美)、斯特凡·黑爾(德)，因「研製出超解析度螢光顯微鏡」獲獎。
2013年：
馬丁·卡普拉斯(美/奧地利)、麥可·萊維特(英/美)、阿里耶·瓦謝勒(美/以色列)分享諾獎，三人在開發多尺度複雜化學系統模型方面做出貢獻。
2012年：
羅伯特·萊夫科維茨(美)、布萊恩·克比爾卡(美)，因「G蛋白偶聯受體研究」獲獎。
2011年：
達尼埃爾·謝赫特曼(以色列)因發現準晶體獲獎。
2010年：
理察·赫克(美)、根岸英一(日)、鈴木章(日)，因「有機合成中鈀催化交叉偶聯」研究，分享諾貝爾化學獎。