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“基因驱动”会改变什么
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目前已有的创业者在“设计生命”上触动我的故事很多。尤其是大热的CRISPR技术提供了从根本上修改基因的方式,它的可能性已经吸引了无数的创业者。不过,我们可以从基因上改变蚊子,让它们不再传播疟疾,或者基因改造蜱虫,让它们不再传播莱姆病等,但我们没有办法将这种基因改变蔓延到全世界每一只蚊子或蜱虫上去。根据孟德尔的经典遗传定律,想要实现这一目标也是不可能的。然而,“基因驱动”(gene drive)技术改变了遗传规则,这一技术可能比“基因改造”技术更重要。按照传统方式,一种植物或动物基因的改变往往需要很多年甚至几千年才能大范围普及,而“基因驱动”能让基因改变在种群中以快得多的速度蔓延。
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第一个成功创造“基因驱动”的试验是在南加州进行的。2014年,加州大学圣地亚哥分校的伊桑·比尔(Ethan Bier)和瓦伦蒂诺·甘茨(Valentino Gantz)用CRISPR技术触发了果蝇的基因驱动器。虽然这仅是一个概念性的试验,但几个月后,加州大学欧文分校的安东尼·詹姆斯(Anthony James)在之前试验的基础上对蚊子加入了一种“阻断疟疾”的基因,使拥有这种基因的蚊子能够将这种基因改变迅速传播到几乎所有的后代,这位科学家为了研究出来不再传播疾病的蚊子已经在实验室里花费了20多年的时间。
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当然,这听起来似乎很恐怖,大多数人只会因此更害怕基因改造。但别忘了,这个世界上还有很多生活在疟疾频发地区的人们,当很多母亲眼睁睁地看着自己的孩子死于疟疾时,这可比实验室里基因改造的画面更恐怖。
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2016年,美国Intrexon的英国子公司Oxitec通过基因改造,培育出具有“自我毁灭基因”的蚊子来防控在美洲肆虐的寨卡病毒(由蚊子叮咬传播)。Intrexon正在巴西建造一座工厂,计划每周培育六千万只雄蚊,而这些雄蚊子唯一的任务就是去交配,把一段会杀死自己后代的基因传递出去。同样,虽然实验处于诸多争议中,但当数百万人的生命受病毒威胁时,到底如何选择并不容易。
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下一步,“修改”人类基因
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CRISPR技术可以快速对DNA进行改造,而且几乎不受物种的限制,当然也能够对人类的DNA进行遗传学改造。CRISPR技术的首次成功应用应该是在2014年,哈佛大学干细胞研究所的查得·考恩(Chad Cowan)和德里克·罗西(Derrick Rossi)用CRISPR编辑了一些人类的细胞(部分造血干细胞以及免疫细胞),然后将编辑后的细胞植入到艾滋病人体内,将“基因编程”后的细胞变成了对抗艾滋病的武器。
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某种程度上,人类若想对抗艾滋病,可以采用跟小麦抗白粉病一样的逻辑。人类细胞里含有“一些东西”,使得人类能够感染艾滋病病毒,如果用基因编辑工具删除这些东西,你就能得到一个抗艾滋病的免疫系统。
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大约同一时间,麻省理工学院丹尼尔·安德森(Daniel Anderson)的团队在小鼠动物实验中成功纠正了一种可导致遗传性高酪胺酸血症“tyrosinaemia”的基因突变,也是世界上首次使用CRISPR技术在成年动物实验中纠正了致病的基因突变。2015年,索尔克研究所(Salk Institute)研究人员胡安·卡洛斯·伊斯皮苏亚·贝尔蒙特(Juan Carlos Izpisua Belmonte)的团队用CRISPR技术将艾滋病病毒从已感染的动物细胞内移除了出去,当然是赶在这些细胞复制和蔓延之前。这些都是运用CRISPR技术进行基因治疗的初步尝试。但是,这些技术要在人体上运用还需要很多年的测试和验证,因为目前还没有人能预测会有哪些副作用。
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除此之外,还有一些很难想象到的应用,在没有人尝试之前,很难说到底有无实际意义。比如,医学上一个经典的问题是如何在大脑内做手术。我们的大脑先天被设计为将内部感染和外部攻击损伤的风险降至最低,尤其是颅骨以内,因此,大脑与身体的血液循环是隔离的,就是为了防御来自血液中的“攻击者”。但这也同时带来了一个问题,即医生不能通过血液循环将治疗脑部疾病的药物送到脑部。如果一个人患了严重的脑部疾病,医生能唯一做的就是脑部手术。为了改变这种情况,科学家们想到的办法是:
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如果医生们有办法“深入”大脑,将特定的一些基因送到大脑细胞的细胞核中从而将它们重新编程,这将是很大的进步。比如,医生们可以将一些能够对特定疾病产生抗体的基因送到大脑内部。2015年,加州理工学院本·德尔曼(Ben Deverman)的研究团队用一个名为AAV9的无害的病毒,创造出了数以百万级的它的遗传变异体。所用的方法是凯利·穆利斯(Kary Mullis)1983年发明至今还广泛应用于实验室的“聚合酶链式反应”,并创造了一种新的技术来测试这些百万级的病毒变种。这实际上是在以闪电一样的速度进行自然选择:他们将迅速选择出到底哪种变体能将基因送入人类的大脑。想象一下如果我们能够对所有的手术都应用这种基因疗法操作会带来多大的改变。
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颠覆化工行业
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此外,使用基因工程来创造新材料是非常有趣,也是非常有潜力的应用。即便不使用最新的技术,这个领域的一些创业者已经创造出来了前所未有的新材料。比如,Bolt Threads是位于加州埃默里维尔的初创公司,2009年由加州大学旧金山分校的三位科学家丹·维德迈尔(Dan Widmaier)、大卫·布雷斯劳尔(David Breslauer)和伊桑·米尔斯基(Ethan Mirsky)创立,他们尝试利用细菌来制造基因工程面料,已经开发出了一种人工合成丝质,宣称这种材质比一般的钢铁还都要牢固,但延展性和柔韧性比橡胶还好,既牢固又轻便舒适。
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再比如,2013年由杰德·迪恩(Jed Dean)和扎克·塞伯尔(Zach Serber)成立于加州埃默里维尔的Zymergen主要开发用于工业发酵的基因工程细菌,他们已经发现了一种将DNA植入到细菌中的方法,由此生成能创造新材料的微生物。
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不过,让生物学家们大声叫好的创业企业是Ginkgo Bioworks,这家公司2008年由麻省理工学院合成生物学的先驱(也是iGem的联合创始人)汤姆·奈特(Tom Knight)和其他几个麻省理工学院的校友(Jason Kelly、Reshma Shetty、Barry Canton和Austin Che)一起创立,它自称是“世界上第一个生物工程的代工厂”。代工厂这样“高大上”的事情之前一般都是英特尔、苹果这样大的芯片制造商才拥有的,英特尔等大公司给代工厂一个设计稿,代工厂负责将它生产出来。同样,Bioworks开出了生物工程的“代工厂”:客户只负责下单,它负责制作出来。到目前为止,Ginkgo Bioworks已经生产出了合成香料、化妆品以及食品等。
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如今,我们使用的大量日常材料都是通过系列化学反应得来的。基本上,化工行业就是通过对天然材料(如石油)的“重新编程”得到一些人工材料(如塑料)。遗憾的是,目前这个“重新编程”不仅过程不环保(化工厂通常会产生大量污染),结果也不“绿色”(比如难以分解的塑料)。而类似Ginkgo公司这样的研发制造模式却能用一种绿色的方式制造一种绿色的材料。
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现在,Zymergen和Ginkgo两家公司都想在它们的实验室里生产出各种各样的消费品,而这肯定将彻底颠覆整个化工行业。
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人类2.0:在硅谷探索科技未来 我们能用“基因密码”做什么
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科学家们对人类的“基因密码”始终充满了好奇和热情,在个人基因组测序变得越来越便捷的今天,我们到底能用这些基因数据做什么——精准预测和治疗疾病?杀死癌症?长生不老乃至返老还童?这些都是人类内心最深处的渴望,这些尝试也都已经开始。
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基因测序的“革命”
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生物科技领域的创业公司五花八门,各种各样的都有。不过,自人类基因组计划后,个人基因图谱(即通过测定基因序列的方法将个人的基因详尽测定出来,从而获得独立的遗传基因信息)确实吸引了很多资金和人才,2007年5月30日,美国人詹姆斯·沃森成为世界上第一个拥有个人“生命之书”的人。
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如今,提供个人基因组测序服务的有四家大的公司,分别是23andMe(最出名的基因组创业公司,也是首个将个人基因组测序商业化并提供给普通客户的公司),Generations Network的Ancestry DNA(2007年10月发布),国家地理(National Geographic)的基因地理工程(Genographic Project,2005年推出)以及Family Tree DNA(家谱DNA,2007年从德国公司DNA-Fingerprint中收购的技术)。
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这四家公司目前已有了数百万人的基因标签。23andMe给他们的第一个客户贴上基因标签是在2007年11月,至2015年6月它完成了为第100万个客户贴基因标签的工作。能在短短8年内做到百万级数量,主要是因为基因测序的成本在大幅下降。人类基因组计划(人类基因组的首次分析)用时超过十年,耗费了约30亿美元。如今,23andMe的个人基因组测序服务只需约200美元。
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