基因編輯近年來廣受歡迎，使得科學家們可對基因進行簡單「操控」。但多年來，這一技術一直缺少一個能隨時開啟或關閉的按鈕。現在，我國科學家終於為「基因剪刀」創建了可行的光控開關——
通過感光元器件實現對事物的控制，「光控」在現實生活中已慢慢普及，例如手機人臉識別解鎖、汽車霧燈自動開啟……這次被光操控的是基因編輯。我國科學家的這一研究成果近日發表在《科學·進展》雜誌上。
「LED發出的730nm（納米）的遠紅光可激活系統進行基因編輯工作。」論文通訊作者、華東師範大學生命科學學院、醫學合成生物學研究中心研究員葉海峰對科技日報記者表示，只有在光照到的地方，基因的「編輯」「剪切」才會發生，從而真正做到指哪剪哪。
創建關鍵元件 為基因編輯裝上自動開關
CRISPR-Cas9基因編輯技術近年來應用廣泛，被形象地稱為「基因剪刀」，使得人類掌握了簡便可行的基因「操控術」。
然而，要更便捷地操控基因編輯，需要一個「便捷按鈕」，讓人們按一下就能啟動，再按一下就能關閉，推動其走進「自動化時代」。尤其當基因編輯要走進臨床應用，必須要具有靈活、高精度的操控方法，才能使其更具安全性。
「實現光控」需要在基因編輯前裝一個「光感裝置」用於「引爆」，這個裝置長什麼樣子？有哪些零件？
在紅細菌中有一種蛋白BphS，它在接收到遠紅光的信號後會被激活，釋放一個信號。而在放線菌裡的蛋白BldD，接收到這個信號後能與DNA序列結合。
「我看到這個信息的時候，覺得非常興奮。前一種蛋白讓光和生物體『接上頭』，後一種蛋白又『連結』上了DNA。」葉海峰說，這種「跨界打通」意味著有很多工作可做，因為只要信號能傳導到DNA，就能推進生物學的操控。
葉海峰團隊以放線菌中的BldD蛋白為基礎，將其親和DNA序列與哺乳動物的轉錄激活子融合，創製了一個雜交型的轉錄激活子，這一開關成為按下基因編輯「啟動鍵」的關鍵元件。
這一元件的前方設置了光敏蛋白，接收光信號；後方連接上「基因剪刀」Cas9核酸酶。這個巧妙的設計使得整個系統只有感光後，才能夠啟動基因編輯。光控基因編輯的「圖紙」就此設計完成。
驗證上百種序列 拼出遠紅光操控的編輯系統
理論「圖紙」和關鍵元器件都已準備就緒，葉海峰團隊開始用合成生物學的方法對這些關鍵元器件進行組裝。
令人意想不到的是，在細胞水平的驗證中，基因編輯並沒有因為光的有無而產生明顯的變化，遠紅光照射沒能刺激Cas9核酸酶的高量表達，熄滅光源也沒有阻止基因編輯工作。
問題出在了哪裡？按照「圖紙」設計，整個流程應該是無懈可擊的。
葉海峰百思不得其解。「這一研究工作我們持續推進了5年，有的關鍵性問題如果不能解決將會耽誤整個研究的進展。」葉海峰說，合成生物學要在活體內運轉，會有很多無法排查的意外。它不像編程，跑一遍會有糾錯，或者至少會提示哪個部分出現「BUG」。
這次的「BUG」出現在哪裡？啟動基因的工作被相繼驗證。2017年、2018年，葉海峰課題組在《科學·轉化醫學》《美國科學院院刊》相繼發表論文，證明了遠紅光調控轉基因表達控制系統的可行性以及基因編輯CRISPR-dCas9酶的轉錄激活都是可行的。
「我們試驗了各種方案，但整個系統的運行卻都失敗了。」葉海峰說，這個結果意味著需要對策略進行根本性的調整。
直到有一天，葉海峰在《自然·生物技術》上看到一篇張鋒（基因編輯技術發明人之一）的文章，上面說基因編輯的Cas9核酸酶可以一拆為二，拆開來之後的兩半再合起來也是有功能的。
「受到這樣的啟發，我們就想可不可以把它拆成兩半，一半是連續的強表達（自始至終一直表達），另一半用光碟機動調控來表達。」葉海峰說，就像「鑰匙」的兩半拼在一起才能開鎖一樣。
「拼」這個動作又要怎麼自動實現呢？葉海峰想到了熱纖維梭菌中的一對能夠自發相互結合的蛋白Coh2和DocS。讓它們加入進來，分別與Cas9的兩部分融合，Coh2和DocS就會像「磁石」一樣，將Cas9的兩部分拼裝成完整、有功能的Cas9核酸酶。
「究竟是哪一半用光來調控誘導表達，都是有說法的。」葉海峰迴憶，課題組對多種情況進行了試驗，至少進行了上百種不同序列的驗證，以尋找最佳光控基因編輯效果。
「我們還對整個系統進行了優化，例如質粒的濃度配比，核輸入信號和核輸出信號的選擇及組合等，並在細胞水平進行了測試。」葉海峰說，經過嚴謹的優化，實驗結果最終令人滿意，並將其命名為「FAST系統」。
研究結果顯示，FAST系統在LED發射的低強度遠紅光照射下可以誘導細胞內的基因編輯，而在黑暗情況下保持「靜默」的效果也很好。
進一步研究表明，FAST系統在多種細胞中均顯示出可調控的基因編輯效果，並具有很好的光照強度和時間依賴性，以及高度的時空特異性，為研究FAST系統在動物體內的可調控基因編輯能力奠定了基礎。
「我們至今也不太清楚為什麼直接調控表達完整Cas9核酸酶的系統不成功。」葉海峰說，不按程序走，這就是生命科學的神奇之處，而合成生物學正是在破解這些意外中積累起來，最終解決更大的科學命題。
光照時間太長 活體高效遞送還需「打怪升級」
生命體是複雜的，在細胞水平運轉良好的系統在活體中能不能工作，仍面臨著重重挑戰。為此，在進行了細胞驗證後，研究團隊還進行了轉基因報告模型小鼠和腫瘤模型小鼠的驗證工作。
「讓整個系統在活體中工作，會遇到新的問題，比如遞送的問題。」葉海峰解釋，FAST系統由好幾個質粒組成，它們進入細胞比較簡單，但能不能突破重重阻礙進入到組織細胞裡面呢？比如高效遞送到肝臟和腫瘤組織裡面，就需要藉助於遞送系統，而且遞送的效率直接決定整個系統的工作效率。
「研究推進時，遞送技術是又一個難題，我們最初直接通過靜脈注射，效果卻不是那麼好。」葉海峰說，「細胞中工作的質粒在進入活體的時候受到了阻礙，因為整個系統承載的元件太多，所有元件同時遞送的效率不能保證，且質粒會被機體認為是外來物而被清除掉。」
想進入活體，整個系統還需要再調整。「這就好比原來坐的卡車太大了、目標明顯，需要換乘一個『特洛伊木馬』潛進去。」葉海峰說。
研究團隊後來在合作團隊的幫助下，使用另一種更小的、能夠整合進細胞裡的質粒進行遞送工作。實驗結果中，轉基因小鼠在肝臟部位顯示出了基因編輯的報告情況，表明小鼠肝臟細胞中DNA可通過光控編輯。
實體瘤是比組織器官更緻密的組織，進入其中則需要進一步升級遞送系統。
「為了把FAST系統高效遞送到腫瘤組織細胞裡面，我們與浙江大學專門製作DNA分子遞送的團隊合作，用納米技術合成的材料實現了向腫瘤組織的高效遞送。」葉海峰說。
在腫瘤小鼠模型中的驗證結果顯示，將FAST系統遞送至小鼠體內的腫瘤後，通過遠紅光LED的照射，FAST系統能切割腫瘤致癌基因，從而顯著抑制腫瘤的生長。
再好的技術只有走進應用才能實現價值。「之所以希望實現光控，初心就是希望推進廣泛的應用。」葉海峰說，實驗也證明了遠紅光可以透過小鼠的皮膚進入到小鼠的肝臟內部，甚至進入到實體瘤內部。這意味著FAST系統有疾病治療的應用潛力。
葉海峰表示，團隊仍在進一步優化光控基因表達系統，例如現在的光控系統需要光照2小時才能工作，而未來希望得到改進後，照射幾秒就能產生效果。（張佳星）