基因剪刀遇上材料快速檢測基因突變

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來源：學術經(jīng)緯

2019-04-12

???加州大學伯克利分校和克萊蒙特大學凱克研究所（KGI）的工程學家就帶來了一項“跨界”，利用CRISPR-Cas9的基因定位能力和石墨烯晶體管的靈敏導電性能，創(chuàng)造出一款手持式設備

基因編輯工具CRISPR-Cas9的問世，讓生物科學家擁有了定位編輯DNA序列的基因“剪刀”。單層碳原子組成的石墨烯被稱為“材料之王”，研究石墨烯性能的科學家因此榮獲2010年諾貝爾物理獎。當CRISPR技術和石墨烯結(jié)合，會碰撞出什么有趣的結(jié)果？

加州大學伯克利分校和克萊蒙特大學凱克研究所（KGI）的工程學家就帶來了一項“跨界”，利用CRISPR-Cas9的基因定位能力和石墨烯晶體管的靈敏導電性能，創(chuàng)造出一款手持式設備，15分鐘內(nèi)就能在基因組中檢測出特定基因突變，快速診斷遺傳疾病。有關這項成果的論文發(fā)表在最新一期《Nature Biomedical Engineering》。

這款設備被命名為“CRISPR芯片”。它的主要開發(fā)者、論文通訊作者Kiana Aran教授介紹，“只要把純化后的DNA樣品滴到芯片上，讓CRISPR來做搜索工作，再由石墨烯晶體管來報告搜索結(jié)果，幾分鐘就可以出結(jié)果。”

相比之下，目前常用的基因突變檢測方法都要耗費更長的時間。這是因為，現(xiàn)有的基因測序通常要求樣本中有足夠多的DNA片段，因此需要通過一個所謂“聚合酶鏈式反應（PCR）”的過程來復制特定的DNA片段。

而Aran教授等人開發(fā)的這種CRISPR芯片，卻繞過了PCR擴增這個瓶頸。之所以能做到這點，首先利用了CRISPR系統(tǒng)快速的基因定位能力。為了讓Cas9蛋白在基因組中找到特定位置，研究者給Cas9蛋白配上一段指導RNA，其堿基序列與待檢測的DNA序列互補。采用不同的指導RNA，就可以讓Cas9定位到不同的DNA序列。當在基因組中掃描到可配對的DNA序列，也就是存在特定突變時，Cas9便將其鎖定。

一旦CRISPR復合物與目標DNA相結(jié)合，石墨烯生物傳感器的優(yōu)勢開始發(fā)揮作用，將晶體管導電性的變化反映在設備上。

正如Aran教授總結(jié)：“CRISPR的選擇特異性，石墨烯晶體管的靈敏度，加在一起，讓我們得以實現(xiàn)無需PCR、無需擴增DNA的檢測。”

借助這種快速基因檢測能力，這套設備可以幫助醫(yī)生診斷一些特定基因突變造成的遺傳疾病，從而讓患者盡早開始治療。例如，杜氏肌營養(yǎng)不良癥（DMD），是一種影響全世界很多兒童的嚴重遺傳疾病，病因在于編碼“抗肌萎縮蛋白”（dystrophin）的基因存在缺陷。在這項工作中，研究者使用該CRISPR芯片在DMD患者的血液樣本中鑒定出了兩種常見的致病突變，驗證了該設備的有效性。

未來，Aran教授還希望通過在設備中插入多個指導RNA，讓醫(yī)生有可能在幾分鐘內(nèi)同時檢測出多個基因突變。“就好像一個頁面上有多個搜索框，我們的晶體管就是搜索框，搜索的內(nèi)容是指導RNA攜帶的信息，每一個晶體管都可以搜索并通過電學變化給出結(jié)果。”

此外，醫(yī)生或許也可以借助這類便捷的檢測設備為患者制定個體化治療方案，例如準確地預測患者對一些靶向藥物的特定反應。

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