導讀2007年，酸奶公司Danisco的科學家在研究中發現，他們用於生產酸奶的嗜熱性鏈球菌的抗病毒能力和細菌CRISPR基因高度相關。直到這時，CRISPR-Cas作為細菌免疫系統的功能和它的工作機制才首次得到證實。所以也有人戲稱CRISPR-Cas是從酸奶中誕生的。與此同時，另一個重要進展是Cas的特殊成員Cas9的發現。和其他Cas蛋白相比，Cas9簡單小巧，更易於人工合成。簡單的核酸定位加上簡單的剪切蛋白，為簡單高效的基因編輯器的誕生奠定了基礎。然而CRISPR-Cas9並非完美，其可能出現的脫靶風險，使得基因編輯用於人的治療仍舊條件不足。但在醫療之外，像農業、食品，甚至能源行業都在積極擁抱這項技術，到底它們有著怎樣的應用？以下：
近幾年大熱的CRISPR-Cas9基因編輯器的發明，給基因編輯領域帶來了翻天覆地的變化。
簡單來講，不管是ZNF，還是TALEN和CRISPR，它們的基本原理都是一樣的。這三種編輯技術要完成一次編輯，都需要「定位器」、「剪刀」和「修補匠」三個功能模塊的合作，由「定位器」負責識別DNA系列的位置，「剪刀」負責把特定的DNA雙鏈結構一刀兩斷，「修補匠」負責在發現DNA結構鍛鍊後啟動修復功能。
這其中，「修補匠」是生物體自帶的，而「定位器」加「剪刀」的系統，就是科學家們苦苦尋找和嘗試改良的部分。想要高效地編輯基因，「定位器」必須足夠精準，而「剪刀」必須足夠鋒利。那麼，在這三種基因編輯技術中，如果說ZFN和TALEN像是李逵拿著斧頭，有時候會傷及無辜；CRISPR-Cas9就像是小李飛刀，做到了彈無虛發。這是基因編輯技術的一大創新。
不過，CRISPR-Cas9在一個地方還不夠完美，對人的基因治療中，它還存在一定程度的脫靶風險。（所謂脫靶，指的是基因編輯器編輯了目標基因以外的基因，進而引發意想不到的基因突變。）和用於非人體生物或者體外細胞時不同，當CRISPR-Cas9直接用於人體改造的時候，科學家們無法分離編輯成功和不成功的細胞。因此把CRISPR-Cas9以及所有基因編輯技術直接用於人體治療的時機還不夠成熟，還有許多需要突破的技術細節。
但是在非醫療領域，新的基因編輯工具簡便而強大。今天主要給大家介紹這項技術在農業和能源化工領域的精彩應用。
農業
就在去年，美國冷泉港實驗室的一項新研究表明，使用CRISPR-Cas9技術，編輯農作物「產量」基因的啟動子（一段能使基因進行轉錄的DNA）可對作物數量性狀產生微妙影響。
傳統的農業育種技術，只能被動地利用自然變異選擇想要改變的性狀，不能控制改變的程度，甚至不知道什麼樣的基因型決定什麼樣的性狀。而這項研究實現了對番茄大小、分支結構和整體植物形狀的微小且連續的調控。
以大小為例，研究人員可以根據要求生產出從小到大好多個尺碼的番茄。具體是怎麼做到的呢？
研究人員用CRISPR-Cas9在相應基因的啟動子人為製造了大量的突變，揭示了突變和番茄大小的對應關係，這樣往後想生產多大的番茄都能夠實現。
其實基因編輯在農業中的應用並不罕見，然而CRISPR有著以往技術不可比擬的優勢：比如我們對優質農產品的多重要求，要靠多基因位點的編輯實現；再比如許多植物通常有好幾套染色體，改變一個基因需要批量處理它在多個染色體上的拷貝，而這些正是這項技術獨有的能力。
和傳統的轉基因方法不同，目前大多數CRISPR在農業改良上的應用都是對基因的敲除，並沒有引入外源性的基因，這就減少了安全的擔憂。
2016年，美農業部決定不對賓夕法尼亞大學的楊亦農教授用基因編輯技術培育的一種蘑菇進行監管，首次標誌美政府對這一新技術「開了綠燈」。楊亦農使用CRISPR-Cas9技術，敲除了蘑菇基因組中的一個基因，使蘑菇具備了抵抗褐變的能力。
此前，轉基因農作物技術由於昂貴的研發成本，自上世紀90年代誕生以來一直由孟山都、先正達、陶氏杜邦等育種巨頭所主導。但是CRIPSR-Cas9的出現，基因編輯作物的研發成本更低，陸續有初創企業和其他小公司加入到其中。
位於北卡羅來納州的Benson Hill公司成立於2012年，主要負責將基因編輯作物技術授權給其它公司。但考慮到研發成本已經大幅降低，該公司已決定培育自己的高產玉米植株。
先正達公司種子培育部門主管Dan Dyer指出，在美國，基因編輯作物從研發到商業種植可能僅需5年時間，而傳統轉基因作物則需歷時12年之久。
杜邦公司在2016年初時宣布，在2020年即將誕生一款新的玉米品種。這類玉米的籽粒中支鏈澱粉的含量在97%以上，而普通的飼料玉米中支鏈澱粉含量只有75%左右。由於支鏈澱粉的吸水性更強，黏玉米的分離產物是更好的紙類黏合劑和食品增稠劑。
但值得注意的地方，目前世界各國對基因編輯作物的監管態度不一致，有的地方將基因編輯作物認為是轉基因作物。英國《自然》雜誌１月發表文章稱，對轉基因作物監管較嚴的歐洲可能不會放鬆對基因編輯作物的管制，但迄今未出臺明確規定。
能源化工
在靠近Salton Sea的加利福尼亞沙漠中，一個佔地一英畝的長方形池塘裝滿了鹹水和色彩鮮豔的藻類。該池塘是由美孚石油公司和合成生物公司（Synthetic Genomics）聯合參與的藻類生物燃料研究計劃。
目前生物燃料主要用玉米、黃豆等提煉而成，不過在生產這類作物時需要耗費大量能源，也可能造成更多二氧化碳排放，更重要的它們還是人類糧食的一種。
而海藻可以把大量的二氧化碳轉化為脂肪，也可在鹽水等惡劣環境下生存，被認為是理想的生物燃料製造者。怎樣提高海藻的脂肪含量？一直是科學家的努力方向。然而科學家一直無法維持藻類快速生長的同時，保持藻類體內的脂肪水平以提煉足夠的生物燃料。
美孚石油公司在2009年宣布與Synthetic Genomics公司合作，當時預期在2019年可生產藻類生物燃料。但研究過程不似預期順利，其工業化生產的時間可能要推遲到2038年。
轉機出現在CRISPR-Cas9上。Synthetic Genomics公司首先通過大規模的測序，找出了20個可能影響海藻脂肪含量的基因位點，接著用CRISPR-Cas9對這些位點進行編輯，篩選出其中決定脂肪含量的關鍵調控位點，最終讓海藻的脂肪轉化率從20%提升到了40%到55%，同時海藻的生長不受限制。美孚石油公司預計，到2025年，基於迄今為止的研究和新興技術能力，每天可以生產10,000桶的藻類生物燃料。
雖然CRISPR-Cas9的出現讓大家站在了同一起跑線上，但是懂得該編輯哪個或者哪些基因的人才更有可能在自己的領域異軍突起。由於不同物種的基因組不同，即使相同的基因編輯手段也需要優化各種條件，而這是一個需要積累的過程。
舉個例子，酵母有大約6000個基因，科學家希望能反覆敲除每個基因，並找出它們對目標化合物生產有何影響。但是，酵母中的許多基因是相互重合的，刪除一個基因可能也相當於刪除了其他基因部分，這使得研究人員很難真正孤立地研究單個基因。
來自伊利諾伊大學的趙惠民和他的研究團隊解決了這個問題，他們利用CRISPR-Cas9系統創建了一種精確刪除一個基因內部一個鹼基的技術，以儘可能地減少對鄰近基因功能的影響，達到一個前所未有的精確度。他們將這項技術命名為CRISPR-Cas9和同源定向修復輔助基因組級別工程。
此外，趙教授和他的研究團隊還依託CRISPR系統，將轉錄激活、轉錄幹擾和基因缺失三種常見的基因操縱手段組合起來，將傳統耗時耗力的單靶點檢測步驟，提升到可同時處理20個靶點，加快了工程菌改造優化效率。（在代謝工程中，為了改造酵母等工程菌，實現生產高附加值的產品，需要修飾其基因組中的多個基因位點，以明確誰和誰在一起能起作用。）
平臺級技術
有人將CRISPR-Cas9比作像人工智慧一樣，是能讓很多創新根植於其上的平臺級技術，因為理論上藉助它就能夠實現任何我們想要的生物改造。而這一說法的依據，來自CRISPR-Cas9技術的三個優勢。
首先，跟讀取相比，編輯是一種進階能力，它可以賦予你更多的自由度和操控權，但也更難實現。在生物科學領域今天我們已經通過各種方法積累了不少生物大數據，可是對生物體的編輯和刺激技術卻非常有限，而這恰恰是科研和醫療越來越迫切的需求。
其次，CRISPR-Cas9突破了以往的基因編輯技術的局限，同時保障了精確度和操作的簡便性。此前的ZFN和TALEN不僅操作繁瑣，且既耗時又昂貴，而CRISPR-Cas9因為只需要一段很小的RNA片段和Cas9這個簡單的剪切蛋白就可以完成任務，終於給簡化操作和降低成本帶來了質的飛躍。
此外，CRISPR-Cas9還有不少額外的福利，比如它可以同時編輯多個基因位點，沒有物種限制，可以實現基因驅動等等。
總之，這些優勢進一步擴展了CRISPR-Cas9的使用場景和現實優勢。儘管人們對CRISPR-Cas9的期待始終落在基因治療領域，但這項技術在其他領域的應用也不落精彩。
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