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厉害了！基因编辑实现光控

科技日报采访人员 张佳星
“光控”在现实生活中慢慢普及 ， 例如手机人脸识别解锁、汽车雾灯自动开启……
通过感光元器件实现对事物的控制 ， 这次被光操控的是基因编辑 。 我国科学家的这一研究成果于7月11日发表在《科学》子刊《科学·进展》（Science Advances）上 。
“LED发出的730nm的远红光可激活系统进行基因的编辑工作 。 ”论文通讯作者、华东师范大学生命科学学院、医学合成生物学研究中心研究员叶海峰对科技日报表示 ， 有光的地方基因的“编辑”、“剪切”才会发生 ， 可以理解为“指哪打哪” 。
厉害了！基因编辑实现光控
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叶海峰研究员（左）为该研究论文的通讯作者 ， 博士研究生于袁欢（右）为该研究论文的第一作者 。
FAST系统“光启”基因编辑
CRISPR-Cas9基因编辑技术近年来应用广泛 ， 被形象地称为“基因剪刀” ， 使得人类终于掌握了简便可行的基因“操控术” 。
然而 ， 基因编辑仍处于“冷兵器时代” ， 人们想要更便捷地操控它 ， 是否存在新的方式 ， 让人们按下“按钮”就能启动 ， 再按一下就能关闭呢？尤其当基因编辑要走进临床应用 ， 必须要具有灵活、高精度的操控方法才能更具安全性 。
合成生物学家开始试着给细胞里的生化工厂“装配元件”、“编写程序” ， 推动基因编辑技术走进“自动化时代” 。
“实现光控”需要在基因编辑前装一个“光感装置”用于“引爆” ， 这个装置长什么样子？有哪些零件？
在红细菌中有一种蛋白BphS ， 在接收到远红光的信号后就会被激活 ， 释放一个信号 。 而在放线菌里有一种蛋白BldD ， 接收到这个信号就能去结合DNA序列 。
“我看到这个信息的时候 ， 觉得非常兴奋 。 前一种蛋白让光和生物体‘接上头’ ， 后一种蛋白又‘链接’上了DNA 。 ”叶海峰说 ， 这种“跨界打通”意味着有很多工作可做 ， 因为只要信号能传导到DNA ， 就能推进生物学的操控 。
叶海峰团队以放线菌中的BldD蛋白为基础 ， 将其亲和DNA序列与哺乳动物的转录激活子融合 ， 创制了一个杂交型的转录激活子 ， 这一开关成为按下“启动键”的关键元件 。
这一元件的前方前置了光敏蛋白 ， 接收光信号；后方连接上“基因剪刀”Cas9核酸酶 。 这个巧妙的设计使得整个系统只有感光后 ， 才能够启动基因编辑 。 光控基因编辑的图纸就此设计完成 。
厉害了！基因编辑实现光控
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一波三折
科研探索“峰回路转”
【厉害了！基因编辑实现光控】理论“图纸”和关键元器件都已准备就绪 ， 叶海峰团队开始用合成生物学的方法按照图纸对这些关键元器件进行组装 。
令人意想不到的是 ， 在细胞水平的验证中 ， 基因编辑并没有因为光的有无而产生明显的变化 ， 远红光照射没能刺激Cas9核酸酶的高量表达 ， 熄灭光源也没阻止基因编辑工作 。
问题出在了哪里？按照图纸设计 ， 整个流程应该是无懈可击的 。
叶海峰百思不得其解 。 “这一研究工作我们持续推进了5年 ， 有的关键性问题如果不能解决将耽误整个研究的进展 。 ”叶海峰说 ， 合成生物学要在活体内运转 ， 会有很多无法排查的意外 。 它不像编程 ， 跑一遍会有纠错 ， 或者至少会提示哪个部分出现“BUG” 。
这次的“BUG”出现在哪里？启动基因的工作被相继验证 ， 2017年、2018 ， 叶海峰课题组在《科学·转化医学》《美国科学院院刊》相继发表论文 ， 证明了远红光调控转基因表达控制系统的可行性以及基因编辑CRISPR-dCas9酶的转录激活都是可行的 。


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