諾貝爾化學獎的3個啟示

本文刊載於《三聯生活周刊》2020年第42期，原文標題《諾貝爾化學獎的3個啟示》，嚴禁私自轉載，侵權必究

今年的諾貝爾化學獎可謂是眾望所歸，兩位獲獎者實至名歸，沒有任何爭議。既然如此，那就讓我們好好了解一下這兩位女科學家所取得的成就，看看是否能對我們有所啟發。

主筆/袁越

美國生物學家詹妮弗·杜德納

向大自然學習

今年的諾貝爾化學獎頒給了美國生物學家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）和法國生物化學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier），以表彰兩人「研發出了一種基因組編輯方法」。業內人士普遍認為，這兩位優秀的女科學家獲獎是早晚的事，因為她倆發明的CRISPR/Cas9基因編輯技術已經成了所有生物學實驗室的標配，用處實在是太大了。

諾貝爾化學獎歷來就有給實驗工具的發明人頒獎的傳統，比如1993年諾貝爾化學獎的獲得者加裡·穆裡斯（Kary Mullis）就是個好例子。穆裡斯發明的「多聚酶鏈式反應」（PCR）雖然談不上有多麼高深，但這項技術實在是太好用了。如果沒有它的話，如今大家耳熟能詳的親子鑑定、DNA法醫、遺傳病檢測、轉基因育種、基因考古和流行病監測等等新鮮事物都不太可能出現，生物學研究至少要倒退20年。

今年獲獎的CRISPR/Cas9技術和PCR非常相似，兩者都只是對此前已有的技術做了改進而已，理論上並沒有取得什麼重大突破。但是，這兩項改進大大簡化了基因工程領域的常規操作，無論是使用成本還是技術含量都被降至谷底。如果沒有CRISPR/Cas9的話，生物學研究至少要倒退10年。

更有意思的是，這兩項技術都不是科學家們憑空想像出來的，其靈感都來自細菌。PCR技術的核心是一種能耐高溫的DNA聚合酶，曾經有科學家試圖自己研發出這樣的酶，但卻無功而返。穆裡斯靈機一動，從黃石公園的溫泉裡找到了一種細菌，從中提取出了耐熱的DNA聚合酶（Taq），一舉解決了這個難題。

CRISPR/Cas9技術的發明過程則要曲折得多，但其靈感的源頭仍然是細菌。1987年，一位名叫石野良純（Yoshizumi Ishino）的日本分子生物學家偶然發現大腸桿菌基因組中存在一個特殊結構，一段段重複序列中間連著一小段間隔DNA，後人稱之為「成簇的規律間隔短回文重複序列」（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats，簡稱CRISPR）。這個CRISPR很像是一根烤串，重複序列就是中間的那根竹籤，從頭到尾都是一樣的，而那些間隔DNA就好像是插在竹籤上的小肉塊，羊肉、牛肉、板筋等等，每一塊都各不相同。

後續研究發現，大約有40%的細菌當中含有類似的CRISPR結構，古細菌當中這個比例更是高達90%以上。科學家們一直不知道這個CRISPR到底是幹什麼用的，直到2005年才有人發現那些間隔DNA順序大都來自細菌病毒（比如噬菌體），這才意識到CRISPR很有可能是細菌們為了對付病毒感染而進化出來的防禦機制，類似於一種原始的免疫系統。

原來，細菌和其他高等生物一樣，也需要防範來自病毒的侵襲。於是，細菌進化出了一套防禦機制，每次有病毒入侵，細菌就將來犯之敵的DNA切成碎片，選取其中最典型的一個小片段作為標記物，整合到自己的基因組當中。隨著入侵病毒的種類越來越多，這些標記物越積越多，這段DNA序列也越抻越長，就好像在一根竹籤上不斷添加小肉塊一樣，最終的結果就是CRISPR序列。

這個CRISPR序列很像是一本花名冊，上面記錄著所有來犯之敵的姓名和屬性。這就好比說，假如來犯之敵是牛，就切一塊牛肉下來作為標記，如果來犯之敵是狗，就掰下一顆狗牙留作紀念，以此類推。如果這個敵人以後還敢再犯，細菌便可以迅速地從這個花名冊中找出相應的標記物，將其「翻譯」成相應的一小段RNA作為探針，和一個名叫Cas的DNA酶組成CRISPR-Cas系統，共同抵抗來犯之敵。這套CRISPR-Cas系統很像是一個「特勤二人組」，RNA探針好比是偵察兵，負責尋找目標DNA，後面跟著的Cas酶好比是戰鬥隊，專門負責殺敵，也就是把目標DNA一切為二。如果入侵的是DNA病毒的話，這就等於宣判了病毒的死刑。

這套CRISPR-Cas系統是可以遺傳給下一代的，這就意味著細菌對自己祖先遇到的所有病毒都不再害怕了，所以這套系統又被稱為「細菌的獲得性免疫系統」，它和高等動物的免疫系統在原理上是有些類似的。

這個發現雖然很有趣，但畢竟屬於微生物學領域，貌似和老百姓的日常生活沒什麼關係，直到杜德納和卡彭蒂耶意識到科學家們可以利用這套系統來對DNA進行精準剪切，我們這才有了CRISPR/Cas9這樣一把好用的基因剪刀。

從這個例子可以看出，大自然永遠是人類最好的老師。只有認真地向大自然學習，才能靈感不斷，創造力勃發。

法國生物化學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶

合作才是王道

發明CRISPR/Cas9基因剪刀的是兩位女性科學家，這一點既有巧合的成分，也是一種必然。

從科研實力上講，女性當然不輸給男性，尤其是這兩位女科學家，從小到大一直都是高材生。其中杜德納是在夏威夷長大的，小時候就對島上奇特的動植物產生了濃厚的興趣，立志成為一名生物學家。她在25歲時從哈佛大學醫學院（Harvard Medical School）拿到了博士學位，從此進入了學術圈，最終在著名的加州大學伯克利分校（University of California at Berkeley）得到了一份教職，建立了自己的實驗室。卡彭蒂耶則是在巴黎附近的一個小鎮長大的，她小時候興趣廣泛，曾經學過鋼琴和芭蕾舞。長大後她專心於生物學，27歲時在巴斯德研究所（Pasteur Institute）拿到博士學位。之後她在美國做了5年博士後研究，回到歐洲後在瑞典的于默奧大學（Ume? University）謀到一份教職，也有了屬於自己的實驗室。

雖然兩人都是學術界的後起之秀，長得也都很漂亮，但在那個以男性為主導的學術圈裡兩人同樣會受到歧視，並在不知不覺中失去機會。杜德納就曾經回憶說，在很多科學大會上，男科學家們喜歡在晚上相約小酒館，討論科學問題，很多靈感就是在這種觥籌交錯間冒出火花的。而像她這樣的女科學家往往會被有意無意地排除在聚會之外，沒法參與到這樣的活動當中。

因為遭到了男同行們的排擠，女科學家們便組織起了自己的小團體。2011年在波多黎各首都聖胡安舉辦的一次科學會議間隙，男人們都出去喝酒了，杜德納和卡彭蒂耶便決定找個地方坐下來聊聊天。也許是因為兩人經歷相似，又都是女人的緣故吧，她倆越聊越投機，互相十分欣賞，當即決定建立長期合作關係，共享資源。

還有一件更巧的事情，進一步鞏固了兩家實驗室的友誼。原來，杜德納實驗室有個來自波蘭的研究員，名叫馬丁·吉內克（Martin Jinek），卡彭蒂耶實驗室也有個來自波蘭的研究員，名叫克里斯多福·奇林斯基（Krzysztof Chylinski），這兩個波蘭人接上頭之後，意外發現兩人竟然是在相鄰的小縣城長大的，都說同一種方言。於是他倆經常藉助Skype網絡打長途電話，相互交流想法，共享數據。思想的頻繁碰撞很快擦出了耀眼的火花，一個偉大的想法終於浮出了水面。

眾所周知，作為生命藍圖的DNA是一個極為細長的分子，人體細胞內的DNA分子直徑只有0.2納米，但完全展開後長度超過兩米。如此「怪異」的大分子無論用物理方法還是化學方法都很難對其進行精確的操作，只能藉助仿生學的手段，利用生物界已有的基因編輯工具，才能完成這個重要而又艱巨的任務。

要想在一條如此之長的DNA分子上動刀子，定位是關鍵。這就好比說編輯遞給你一本像字典那麼厚的小說，希望你找到「三聯編輯部搬了新家」這幾個字，把其中那個「了」字去掉，你會怎麼做？

在電腦檢索技術發明出來之前，你只能依靠自己的眼力，一頁一頁地查找。與此類似，在基因剪刀發明出來之前，科學家們只能用DNA限制性內切酶來進行定位，但因為酶屬於蛋白質，而DNA屬於核酸，兩者性質很不相同，相互之間的作用機理非常複雜，導致定位的準確性不高，操作的便捷性也很差，於是以前的遺傳學家們工作效率普遍不高，因為大量寶貴的時間都耗費在這件小事上面了。

來自細菌的CRISPR-Cas系統就不一樣了，它是靠RNA來定位的。RNA和DNA同屬核酸，它們之間的相互作用機理簡單明了，其對應規律早就被科學家們所掌握，設計起來簡單易行。不僅如此，RNA合成也比蛋白質合成要簡單得多，而且已經做到了全自動化，一個高中畢業的實驗員一天可以合成幾百個這樣的RNA標記物，無論是定位的精確度還是操作成本都大大優於蛋白標記物。

於是，只要把這套來自細菌的CRISPR-Cas系統改造一下，就可以製造出一把既精準又方便的基因剪刀。杜德納和卡彭蒂耶找到了一個結構簡單的Cas9酶，把它和CRISPR連在一起，終於做成了一把名為CRISPR/Cas9的基因剪刀。從此科學家們只要知道了目標基因的DNA序列，就可以讓實驗員用一個很簡單的辦法製造出一把基因剪刀。之後，只要想辦法將其送入細胞中，這把剪刀就會自動找到DNA目標，在預先設計好的地方將其一刀剪斷。

如果再用上文那個文字編輯來舉例的話，CRISPR/Cas9系統就好比是計算機檢索系統，它依靠的不再是編輯的眼力，而是電腦的程序編碼，無論是檢索速度還是準確性都提高了好幾個數量級。說起來，新的檢索系統並沒有從理論上改變文字編輯的本質，但這套新的編輯系統一旦得到了廣泛應用，舊的文學形式立刻就被徹底顛覆了。

杜德納和卡彭蒂耶將這項發明寫成論文，發表在2012年8月17日出版的《科學》（Science）雜誌上。這篇論文的發表標誌著生物學研究進入了一個全新的時代，同時也向世人充分展示了團結合作的力量是多麼的強大。

2018年5月22日，德國柏林馬克斯·德爾布呂克分子醫學中心的研究人員使用立體顯微鏡觀察 CRISPR/Cas9

相信科學家群體的自淨能力

雖然杜德納和卡彭蒂耶的獲獎可以說是眾望所歸，但今年的諾貝爾化學獎還是在華人群體當中引起了一些爭議，大家爭的不是兩位獲獎者是否夠格，而是另外兩位科學家為什麼沒有獲獎。

這兩位爭議人物全都來自美國東海岸的麻薩諸塞州，其中一位名叫喬治·丘奇（George Church），是哈佛大學醫學院的一位享有盛名的遺傳學家。另一位是出生於中國石家莊的美籍華裔遺傳學家張鋒，現任麻省理工學院（MIT）教授，同時也是著名的博德研究所（Broad Institute）的資深研究員。兩人在2013年1月出版的《科學》（Science）雜誌上分別發表論文，證明CRISPR/Cas9基因編輯技術可以應用於哺乳動物，這就為該技術在人類身上的使用鋪平了道路。這項研究意義重大，因此不少人認為他倆也應該獲獎，尤其是張鋒更是可惜。作為一名遺傳學領域的後起之秀，張鋒在哺乳動物基因編輯方面做了很多開創性的工作，貢獻要比丘奇更大。

但是，反對者認為杜德納和卡彭蒂耶的發現屬於概念性創新，因為她倆最先證明來自細菌的CRISPR/Cas9系統可以用於基因編輯。張鋒和丘奇的貢獻則屬於科技應用領域，因為他倆只不過把這套系統首先用於哺乳動物而已，這一步是誰都能想到的，難度並不大。事實上，杜德納實驗室在幾周之後也發表了和張鋒、丘奇類似的結果，說明雙方其實想到一塊去了。所以，在諾獎之前頒發的大多數涉及CRISPR技術的科學大獎也都只頒給了杜德納和卡彭蒂耶，張鋒和丘奇只是作為這項技術的貢獻者而被重點提及而已。

本來這件事屬於科學範疇，外人無從評價，但接下來的一場專利之爭卻把雙方的分歧引入到了經濟領域，這就引起了更多人的關注。簡單來說，杜德納和卡彭蒂耶在發表了第一篇論文之後便立刻提出了相關專利的申請，而張鋒也緊隨其後，在自己那篇論文發表後也立刻提交專利申請，並通過付費來加快評審速度。結果張鋒和他所在的博德研究所後來者居上，獲得了CRISPR/Cas9在哺乳動物（包括人類）中的專利權。

杜德納所在的加州大學伯克利分校隨後向美國專利局提出申訴，認為博德研究所的專利內容與自己更早申請的專利內容相同，但這一申訴被駁回。此事最終鬧到了美國聯邦巡迴上訴法院，但法院還是維持了美國專利局的判決。於是雙方罷鬥，而且當事人似乎也已經私下和解了，大家都決定把精力放到擴大基因編輯技術的應用範圍上來，畢竟如果沒有能夠帶來巨大經濟效益的殺手級應用的話，專利權的歸屬問題也就不那麼重要了。

有些人曾經擔心圍繞這項技術的專利之爭會影響其在中國的科研應用，但多數業內人士均表示目前看來影響不大，起碼中國科學家在使用CRISPR/Cas9工具進行基礎性研究時未受專利影響。

更多的人擔心這項技術會被濫用，比如原南方科技大學副教授賀建奎擅自將該技術應用於人類生殖細胞，結果鬧出了一件轟動全世界的醜聞。其實像這樣的極端事件目前僅僅發生了這一起，而且賀建奎立刻遭到了整個科學共同體的一致譴責，他本人最後還因為這件事受到了法律的懲罰，所以我們無須過分擔心這項技術成為少數「科技狂人」的秘密武器，這樣的事情不太可能再發生了。

但是，CRISPR/Cas9基因編輯工具在農業育種領域的應用肯定會在不遠的將來成為輿論的焦點。眾所周知，轉基因育種技術曾經引起過很大爭議，反對者認為這項技術把外來基因引入了農作物基因組中，生產出來的糧食不安全。雖然這一指控並沒有什麼科學根據，但還是迫使包括中國在內的一大批國家的監管機構對轉基因食品設置了難以逾越的門檻，極大地影響了這項技術的普及。

基因編輯技術的出現為育種者們提供了另外一種選擇，從此他們無須引入外來基因，只需使用CRISPR/Cas9這把剪刀把農作物基因組裡的壞基因減掉，再運用一些技巧把缺口補上就行了。這種方法的威力雖然遠不如轉基因強大，但好處是可以爭取那些「反轉派」不再拼命反對，從而幫助育種者們儘快用上先進的基因技術，改良現有的種子。

當然了，CRISPR/Cas9基因編輯工具最具潛力的殺手級應用當屬基因治療，因為目前絕大部分涉及基因的人類疾病都無法通過其他方法徹底根治，只能寄希望於基因編輯技術將來能夠應用到人體細胞上來，讓醫生們能夠按照自己的意願修改病人的基因，從根本上解決問題。

結語

從長遠來看，CRISPR/Cas9基因編輯技術的最大優點就是降低了遺傳學研究的門檻，實現了基因工程技術的民主化。計算機和信息技術領域的經驗表明，一旦核心技術的門檻被降低到了某一閾值以下，必將引發該領域的一場大地震，其後果將是無法預測的。

讓我們拭目以待吧。

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