諾貝爾化學(xué)獎不愧有理科綜合獎的“美譽”，今年又獎給了生物相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家。
法國女科學(xué)家?，敿~埃勒·卡彭蒂耶和美國女科學(xué)家珍妮弗·安妮·道德納因“基因魔剪”勇奪桂冠。
來源：諾貝獎官網(wǎng)
國人在為同樣從事這一領(lǐng)域研究的華裔學(xué)者張鋒沒能獲獎感到惋惜的同時，日媒也在為另外一位科學(xué)家感到遺憾。這位科學(xué)家早在1987年就窺探到了魔剪奧秘的一角，且在1996年又曾經(jīng)獲得過一次重新審視目標(biāo)的良機。然而他最終還是把好奇埋在了心里，沒有讓這顆種子萌發(fā)成長。
回顧日本微生物學(xué)家石野良純的研究生涯，那些與基因魔剪擦身而過的瞬間，只能說冥冥之中自有天意。
到底是什么原因讓比世人早大約十年闖進這個領(lǐng)域的他最終沒能成為掌控魔剪奧義的第一人？他怎么看待這項技術(shù)的發(fā)展歷程？他到底有沒有遺憾和后悔？通過他在多次采訪中向記者吐露的心聲，我們能有機會一探究竟。
兩次相遇，又兩次匆匆別離
1987年，當(dāng)時在大阪大學(xué)微生物學(xué)研究所擔(dān)任研究員的石野良純正在如癡如醉地研究大腸桿菌中某些酶的功能，這些酶作為蛋白質(zhì)，是由細(xì)菌的DNA編碼合成的。因此為了研究酶，石野還需要對編碼這些酶的基因序列進行解析。那個時代不像現(xiàn)在一樣擁有可以迅速解析特定基因序列的技術(shù)，石野的工作十分艱苦，好在最終解析獲得了成功。
然而，在得到結(jié)果的同時，石野發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌基因組的某個片段中，有一些來回重復(fù)的堿基序列，它們的排列似乎毫無意義，但又極具規(guī)律。
石野后來回憶稱：“當(dāng)時面對的形勢是，本來想要進行的課題已經(jīng)取得了成功，論文也完成了。我雖然搞不懂這些奇怪序列到底有什么意義，但它們完全不影響論文的主干。如果妄自在論文中加上一些自己解釋不了的怪現(xiàn)象，萬一被審稿人問起來恐怕不好應(yīng)付?！?/p>
石野在心里暗自思忖后，還是決定報道這一現(xiàn)象，并在論文的最后五行寫下了這樣的評論：“雖然其生物學(xué)意義尚不清楚，但這種奇特的序列值得深入探討?！彪S后，石野前往美國進行細(xì)菌和古細(xì)菌的相關(guān)研究，神秘序列也被他完全擱置。
石野和基因魔剪的第一次邂逅就這樣戛然而止，連擦出火花都算不上。這些神秘的基因序列就像古墓大門上的符文，等待著人類的解讀。
石野在美國的研究進行得順風(fēng)順?biāo)?996年，他所在的研究團隊發(fā)表了全球第一個古細(xì)菌基因組圖譜。然而，神秘的序列又一次不期而至。石野發(fā)現(xiàn)這種產(chǎn)甲烷菌雖然并非是和大腸桿菌一樣的真細(xì)菌，但基因組中同樣出現(xiàn)了意義不明的反復(fù)序列。
“現(xiàn)在回想起來，當(dāng)時是個很好的契機，要是能馬上把研究重心放在這上面就好了……”，石野面對著前來采訪的記者說著半開玩笑半認(rèn)真的話?！爱?dāng)時手上正好還有很多特別有意思的古細(xì)菌課題，我也是沉醉其中不能自拔，根本騰不出手想別的事情?！?/p>
就這樣，雖然神秘符文在十年后又一次訪問了石野，而且是在和真細(xì)菌有所不同的古細(xì)菌中現(xiàn)身，石野還是沒有分心于它們的誘惑。
來源：Freepik.com
封印數(shù)十億年的奧秘
在石野第二次得到符文的暗示之前，其實已經(jīng)有其他細(xì)菌學(xué)者注意到了它的普遍存在。
1993年，西班牙和荷蘭研究團隊相繼發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌和古細(xì)菌的基因編碼中存在奇特的重復(fù)序列。然而，這些密碼的意義仍然沒有人能夠讀出?？吹竭@里，相信大家都會為石野感到惋惜，哪怕按照1993年計算，他最初的發(fā)現(xiàn)也足足領(lǐng)先這個世界67年。
進入21世紀(jì)后，世界各地的科學(xué)家們不斷在細(xì)菌和古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)新的神秘序列，很多人開始意識到這將是重大發(fā)現(xiàn)的契機，越來越多的團隊加入到了序列解讀的任務(wù)中。
**技術(shù)的進步和關(guān)注度的增加讓序列的最終破譯很快就得以實現(xiàn)。**2005年，有研究指出神秘的序列或許是一種細(xì)菌體內(nèi)的防御機制。2007年，科學(xué)家們最終證明了神秘序列居然是細(xì)菌封印在體內(nèi)的“符咒”，它們是細(xì)菌驅(qū)除“魔鬼”的“利器”。這充滿了中二氣息的比喻到底是怎么回事呢？
這要從細(xì)菌與其天敵間的斗爭說起。細(xì)菌或者古細(xì)菌在自然界中最大的敵人之一就是噬菌體，它本質(zhì)上是一種專門入侵細(xì)菌的病毒。為了抵御噬菌體的入侵，細(xì)菌們進化出了一種類似于人類免疫系統(tǒng)的機制，他們先捕捉到入侵病毒，再將這些病毒的DNA進行分解，使之變成一系列片段。
然后，厲害的一招來了，細(xì)菌會把其中一些來自病毒DNA的片段整合進自己的DNA中。在這些片段間，細(xì)菌會加入一些重復(fù)的堿基編碼，例如…CGGTTT…CGGTTT…CGGTT…，其中省略號的部分代表來自病毒的DNA片段，而CGGTT就是細(xì)菌或者古細(xì)菌基因組中反復(fù)出現(xiàn)的神秘序列。
噬菌體和噬菌體侵染細(xì)菌示意圖（左），吸附于大腸桿菌表面的噬菌體（右），來源：維基百科“噬菌體”條目
再有同種病毒入侵細(xì)菌時，細(xì)菌就會將這些病毒的DNA和自己DNA中存儲的敵人信息進行對比。一旦比對成功，意識到敵人卷土重來的細(xì)菌就會立刻派出一種叫做Cas的蛋白質(zhì)。Cas蛋白類似于人類免疫系統(tǒng)中的各種“打手”細(xì)胞，它像一把剪刀一樣，可以將入侵的病毒DNA大卸八塊。如此一來，細(xì)菌就能在病毒的威脅下安穩(wěn)生存了。
這就好比古代的人類戰(zhàn)士殺死一個敵人就拔下一顆敵人的牙齒做成項鏈一樣，細(xì)菌這么做就是提醒自己，千萬不要忘記這些曾經(jīng)入侵自己家園的敵人。在細(xì)菌和古細(xì)菌數(shù)十億年的進化史中，最初來自于入侵者的基因序列，像封印進身體的符咒，護佑主人的生生世世。
細(xì)菌體內(nèi)的CRISPR/Cas9系統(tǒng)示意圖，來源：諾貝爾獎官網(wǎng)（翻譯Ryan）
神秘的符咒和上帝的剪刀
符咒謎底的揭開，并不意味著基因魔剪技術(shù)的立馬實現(xiàn)，人類還差一個天才般的發(fā)想。
這次獲得諾獎的兩位科學(xué)家（包括同時開展研究的張鋒等人），敏銳地意識到細(xì)菌身上的這種特質(zhì)可以為人類精確進行DNA編輯提供可能。她們將細(xì)菌中的這套系統(tǒng)進行改良，使之不光可以識別入侵的病毒，還能識別任意的DNA片段，而且在識別后還能對其進行修改**，**這就是獲得今年諾獎的CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)。其中的CRISPR代表發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌中的神奇序列，Cas9代表扮演剪刀角色的修剪蛋白。
以前人們想要對特定物種的基因進行編輯，只能將希望引入的DNA搭載于病毒一類載體上，再將其注射入細(xì)胞。雖然這種辦法確實也能實現(xiàn)基因編輯，但**最大的問題是載體并不知道到底該把這段DNA運到什么地方****，**結(jié)果就是出現(xiàn)一系列被隨機編輯的DNA。想要找出其中的有用變異，還得再進行篩選，效率非常低下。
如今，科學(xué)家們只需要制成與希望編輯的DNA片段相互配對的RNA片段（稱為小向?qū)NA），再讓它作為向?qū)?，指引Cas蛋白剪切目標(biāo)位置的基因。小向?qū)NA可以識別出需要到達(dá)的DNA位置，并在此處引導(dǎo)Cas對DNA進行切斷。切斷后的DNA可以進行突變甚至片段替換，無論哪種形式都可以實現(xiàn)DNA的按需編輯。
基因魔剪的出現(xiàn)，**讓定向修改基因組中特定基因的難度急劇下降，人類終于擁有了實用化的基因編輯工具。**這也是為什么這項技術(shù)也被稱作是“上帝的剪刀”。
基因魔剪示意圖，來源：諾貝爾獎官網(wǎng)（翻譯：栗子）
榮耀屬于群體
擁有兩次先機的石野終究還是沒有去嘗試識破咒語，而成功解謎敲開大門的學(xué)者們也沒能拿走最大的那顆鉆石。在基因魔剪的開發(fā)過程中，最后拿到王冠的兩位科學(xué)家似乎不是到得最早的，也不是堅持時間最久的，甚至不是出力最多的，但無疑是最有想象力的。
對此，石野本人也有過非常誠懇的評論：“卡彭蒂耶和道德納成功將CRISPR/Cas9開發(fā)為了一個直接編輯基因的工具，具有巨大的應(yīng)用價值，獲得諾貝爾獎并不奇怪。然而，一路走來的任何一個環(huán)節(jié)中，每一位科學(xué)家的貢獻都很難忽略。意識到CRISPR與細(xì)菌的免疫系統(tǒng)有關(guān)，對其作出預(yù)言乃至對其進行實驗驗證的科學(xué)家以及揭開Cas蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和運作機理的科學(xué)家們，誰最終得到諾獎都不能說奇怪?！?/p>
“曾經(jīng)也有很多人認(rèn)為，諾貝爾獎對于原創(chuàng)性有著格外的重視，我的發(fā)現(xiàn)也有希望占據(jù)一席之地。但確實我在當(dāng)初完全沒有意識到自己發(fā)現(xiàn)的生物學(xué)意義，僅僅指出這可能是一個有意思的發(fā)現(xiàn)而已。雖然那并非是我的主要研究目的，但是我僅僅是提出這個發(fā)現(xiàn)（就為自己帶來了很多的關(guān)注）。因此我一方面覺得幸運，另一方面也覺得如果當(dāng)時能夠稍微進行一些深入研究，再有一些像樣的預(yù)言或者是結(jié)論，我現(xiàn)在應(yīng)該能夠更加理直氣壯（地說自己在這一系列發(fā)現(xiàn)中有過很大的貢獻）?！?/p>
“不過我還是有句話得講，在我從事這項研究的那個時代，解析DNA序列的技術(shù)非常原始……（此處省略若干技術(shù)細(xì)節(jié)）……我全靠著手工作業(yè)，每天工作15個小時，持續(xù)了半年之久才完成了當(dāng)時的研究。按照如今的技術(shù)來說，想要解讀我30年前那段大腸桿菌的基因序列，只要2天時間?！?/p>
“當(dāng)時真的很辛苦，我主要的研究對象就是解讀那段編碼特定酶的DNA，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)自己進入了CRISPR的區(qū)域，完全可以在當(dāng)時就停下來。可是我覺得既然走了這么遠(yuǎn)的路，我還是想親手把它解讀出來，看看到底是怎么回事?，F(xiàn)在想來，正是這種堅持才讓我的名字能夠出現(xiàn)在CRISPR開發(fā)的歷史上，讓我能被大家稱作是CRISPR的發(fā)現(xiàn)人。”石野不無感慨地說。
來源：Freepik.com
在得知基因魔剪獲得諾獎后，記者也第一時間對石野進行了采訪。他表示自己非常高興，甚至是興奮，并對兩位女科學(xué)家表達(dá)了真誠懇切的祝賀。
“坦率地說，我并沒有能夠真正地參與到這項成就中，但我并不后悔，古細(xì)菌的其他研究同樣讓我感到快樂，并一直支持著我走到今天。雖然我今年已經(jīng)64歲了，但有幸在退休之前一年拿到了CREST項目（日本最高級別的科研項目之一，經(jīng)費在數(shù)千萬人民幣左右），這讓我又能再進行五年的研究工作?！?/p>
在世人眼里，徘徊在神秘符咒的大門外最終沒能破門而入的石野良純確實有點“倒霉”。但他同樣找到了自己的寶藏，并為之快樂而滿足地傾注了整個科研生涯。從這個角度來說，我們相信即便有過遺憾，但他的確不曾后悔。
實驗中的石野教授，攝于2016年12月，來源：東京新聞
參考文獻：
1．「ゲノム編集」技術(shù)、基礎(chǔ)に日本の研究 九州大?石野良純教授、特殊なＤＮＡ配列を発見
https://www.sankei.com/region/news/170601/rgn1706010004-n1.html
2．「ミスター?クリスパー」光栄 化學(xué)賞ゲノム基礎(chǔ)発見 石野九州大教授
https://www.nishinippon.co.jp/item/n/652154/
3．遺伝子操作「ゲノム編集」のルーツ、クリスパー
https://sangakukan.jst.go.jp/journal/journal_contents/2019/04/articles/1904-02/1904-02_article.html
4．「あのとき調(diào)べれば…」ノーベル化學(xué)賞のゲノム編集「第一発見者」の日本人研究者が漏らした言葉
https://www.tokyo-np.co.jp/article/60367
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