当基因剪刀遇上材料之王，这款“芯片”分分钟测出基因突变

基因编辑工具CRISPR-Cas9的问世，让生物科学家拥有了定位编辑DNA序列的基因“剪刀”。单层碳原子组成的石墨烯被称为“材料之王”，研究石墨烯性能的科学家因此荣获2010年诺贝尔物理奖。当CRISPR技术和石墨烯结合，会碰撞出什么有趣的结果？

加州大学伯克利分校和克莱蒙特大学凯克研究所（KGI）的工程学家就带来了一项“跨界”，利用CRISPR-Cas9的基因定位能力和石墨烯晶体管的灵敏导电性能，创造出一款手持式设备，15分钟内就能在基因组中检测出特定基因突变，快速诊断遗传疾病。有关这项成果的论文发表在最新一期《Nature Biomedical Engineering》。

这款设备被命名为“CRISPR芯片”。它的主要开发者、论文通讯作者Kiana Aran教授介绍，“只要把纯化后的DNA样品滴到芯片上，让CRISPR来做搜索工作，再由石墨烯晶体管来报告搜索结果，几分钟就可以出结果。”

相比之下，目前常用的基因突变检测方法都要耗费更长的时间。这是因为，现有的基因测序通常要求样本中有足够多的DNA片段，因此需要通过一个所谓“聚合酶链式反应（PCR）”的过程来复制特定的DNA片段。

▲“CRISPR芯片”的主要开发者、该研究通讯作者Kiana Aran教授（图片来源：UC Berkeley官网，摄影师Stephen McNally）

而Aran教授等人开发的这种CRISPR芯片，却绕过了PCR扩增这个瓶颈。之所以能做到这点，首先利用了CRISPR系统快速的基因定位能力。为了让Cas9蛋白在基因组中找到特定位置，研究者给Cas9蛋白配上一段指导RNA，其碱基序列与待检测的DNA序列互补。采用不同的指导RNA，就可以让Cas9定位到不同的DNA序列。当在基因组中扫描到可配对的DNA序列，也就是存在特定突变时，Cas9便将其锁定。

一旦CRISPR复合物与目标DNA相结合，石墨烯生物传感器的优势开始发挥作用，将晶体管导电性的变化反映在设备上。

▲CRISPR-Cas9复合物结合特定DNA序列后引起石墨烯晶体管的导电性变化（图片作者：Kiana Aran教授）

正如Aran教授总结：“CRISPR的选择特异性，石墨烯晶体管的灵敏度，加在一起，让我们得以实现无需PCR、无需扩增DNA的检测。”

借助这种快速基因检测能力，这套设备可以帮助医生诊断一些特定基因突变造成的遗传疾病，从而让患者尽早开始治疗。例如，杜氏肌营养不良症（DMD），是一种影响全世界很多儿童的严重遗传疾病，病因在于编码“抗肌萎缩蛋白”（dystrophin）的基因存在缺陷。在这项工作中，研究者使用该CRISPR芯片在DMD患者的血液样本中鉴定出了两种常见的致病突变，验证了该设备的有效性。

▲利用Cas9和不同的指导RNA，芯片可以检测不同的DNA序列（图片来源：KGI）

未来，Aran教授还希望通过在设备中插入多个指导RNA，让医生有可能在几分钟内同时检测出多个基因突变。“就好像一个页面上有多个搜索框，我们的晶体管就是搜索框，搜索的内容是指导RNA携带的信息，每一个晶体管都可以搜索并通过电学变化给出结果。”

此外，医生或许也可以借助这类便捷的检测设备为患者制定个体化治疗方案，例如准确地预测患者对一些靶向药物的特定反应。

参考资料

[1] Reza Hajian et al., (2019) Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor. Nature Biomedical Engineering. DOI: 10.1038/s41551-019-0371-x

[2] New CRISPR-powered device detects genetic mutations in minutes. Retrieved Mar. 26, 2019, from https://news.berkeley.edu/2019/03/25/new-crispr-powered-device-detects-genetic-mutations-in-minutes/