基因工程時代始於 20 世紀 70 年代，當時保羅·伯格將細菌病毒的 DNA 剪接到猴病毒中，赫伯特·W·博耶和斯坦利·N·科恩創造了轉基因生物，其中引入的基因在後代中保持活性。到 20 世紀 70 年代後期，博耶的公司 Genentech 正在大量生產糖尿病患者使用的胰島素，使用經過改造的大腸桿菌來包含合成人類基因。在全國各地的實驗室中，研究人員正在使用轉基因小鼠來研究疾病。
這些成就改變了醫學的程序。但早期的方法有兩個很大的侷限性：它們不夠精確且難以規模化。研究人員在 20 世紀 90 年代克服了第一個限制，他們設計出可以剪斷 DNA 特定位置的蛋白質，這比隨機將 DNA 插入細胞並寄希望於有用的突變有了很大的改進。然而，他們仍然必須為他們想要靶向的每個 DNA 序列設計一種新的定製蛋白質——這是一項緩慢而艱苦的工作。
然後，在兩年前，瑞典于默奧大學 Emmanuelle Charpentier 實驗室和加州大學伯克利分校 Jennifer Doudna 實驗室的一個小型研究團隊報告說，他們在細胞中發現了一種遺傳機制，使科學家能夠以前所未有的速度和簡易度編輯基因組。此後不久，哈佛大學和麻省理工學院的一個科學家團隊表明，該技術可以用於一次性、非常精確地對細胞基因組進行多次更改。
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這項進步已經以幾乎肯定會對遺傳學和醫學領域產生深遠而有益的影響的方式加速了基因改造產業。科學家現在可以在幾周內設計定製的轉基因實驗動物——節省大約一年的工作量。研究人員正在使用該技術探索治療多種疾病的方法，如艾滋病毒、阿爾茨海默病和精神分裂症。然而，該技術使基因改造變得如此容易和廉價，以至於一些倫理學家正在預測可能的負面後果。
該技術被稱為 CRISPR，以clustered（成簇）、regularly interspaced（有規律間隔的）、short（短）、palindromic（迴文）repeats（重複序列）的首字母縮寫命名——細菌用來記住攻擊過它們的病毒的遺傳“檔案照片”。自 20 世紀 80 年代後期日本研究人員發現這些奇特的遺傳序列以來，科學家們一直在研究它們。但直到 Doudna 和 Charpentier 的團隊弄清楚如何使用一種名為 Cas9 的蛋白質後，CRISPR 作為基因編輯工具的前景才變得清晰起來。
RNA 的力量
Doudna 和 Charpentier 於 2011 年在波多黎各聖胡安的一個科學會議上相遇。他們有很多共同點。兩人都管理著研究細菌如何防禦病毒的研究小組。兩人都做了工作，證實細菌透過使用過去入侵者 DNA 的“記憶”來識別攻擊病毒，以便在敵人再次出現時識別它們。
會議結束後不久，Charpentier 和 Doudna 決定聯手。Charpentier 在於默奧的實驗室正在收集線索，表明鏈球菌屬細菌使用一種單一蛋白質 Cas9 作為一種劍，來切碎突破其細胞壁的病毒。Doudna 讓她在伯克利的實驗室負責弄清楚 Cas9 的工作原理。
由於許多科學發現都離不開的命運的巧合，結果發現 Charpentier 團隊的研究員 Krzysztof Chylinski 和當時在 Doudna 團隊的 Martin Jinek 在鄰近城鎮長大，並且說同一種波蘭方言。“他們開始透過 Skype 交談，一拍即合，並開始分享資料和討論實驗的想法，”Doudna 說。“這個專案真的從那裡起飛了。”
兩個實驗室的科學家都意識到 Cas9 可能對基因組編輯有用，基因組編輯是一種使用酶作為分子修剪剪刀的基因工程型別。這些酶被稱為核酸酶，在雙鏈 DNA 螺旋的特定位點產生斷裂；然後細胞修復斷裂，有時會摻入科學家放入細胞核的新遺傳物質。當 Doudna 和 Charpentier 開始合作時，可用於停用或改變基因的最先進方法是定製一種酶，它可以找到並切割所需的 DNA 靶標。換句話說，對於每次基因改造，科學家都必須定製一種針對正確 DNA 序列的新蛋白質。
但 Doudna 和 Charpentier 意識到，鏈球菌屬細菌在其免疫防禦中使用的酶 Cas9 使用 RNA 來引導它到達 DNA 靶標。在尋找靶標時，Cas9-RNA 複合物會看似隨機地從 DNA 上彈開，直到找到有希望的位點。事實證明，這種彈跳是 Cas9 酶在每次搜尋相同的短“訊號”DNA 序列；Cas9 會附著到該序列上，撬開相鄰 DNA 的雙螺旋結構，並檢視它是否與 RNA 指南匹配。只有當 RNA 與 DNA 分子匹配時，Cas9 才會進行切割。如果可以利用這種天然的 RNA 引導系統，研究人員就不必構建一種新的酶來觸及基因組上的每個靶標。編輯可能會變得更簡單、更便宜、更高效。
在共同研究 Cas9 幾個月後，這個跨大西洋團隊取得了突破。Doudna 生動地回憶起那一刻：當時還是博士後研究員的 Jinek 一直在實驗室對 Cas9 進行測試，該實驗室位於伯克利校園邊緣綠樹成蔭的山坡上的希臘劇院對面。有一天，他出現在 Doudna 的辦公室討論結果，他們思考著他一直在與 Chylinski 討論的事情：在自然界中——在鏈球菌屬細菌中——Cas9 使用的不是一個而是兩個 RNA 指南來靶向入侵者 DNA 雙螺旋結構中的正確位置。如果他們可以將這兩個指南簡化為單個人工生產的 RNA 鏈，而又不損害其作為指南的有效性，會怎麼樣？只需修改一個 RNA 序列，工程設計可能會大大加快。與舊的定製酶的結合劑及其複雜的編碼方案相比，RNA 指南將更容易構建。
“那是你看到資料，然後靈光一現的時刻之一，”Doudna 說。“我們意識到我們可以將這些 RNA 分子設計成一個單一的指南。一種單一的蛋白質和一個單一的指南將是一個強大的工具。我感到脊背發涼，意識到，‘哦，我的天哪，跑起來，別走，去實驗室。如果這行得通……’”
它確實奏效了，其影響是 Doudna 即使在她所有的興奮中也無法想象的。當 Doudna 和 Charpentier 於 2012 年 8 月 17 日發表了他們的 CRISPR-Cas9 研究結果時，該領域的科學家立即認識到其變革潛力——一場全球性的競賽開始了，以測試其應用。
商業化熱潮
到去年，研究人員已經讓 CRISPR-Cas9 在植物和動物的細胞中工作，這些植物和動物比細菌複雜得多，他們還在推測一些奇特的用途，例如復活尼安德特人和猛獁象。在哈佛大學，由遺傳學家喬治·丘奇領導的團隊使用 CRISPR 改變了人類細胞中的基因，開闢了一個全新的治療可能性世界。
毫不奇怪，資金很快開始湧入 CRISPR-Cas9 工作。一年多前，Doudna 與丘奇、麻省理工學院的張鋒和其他研究人員合作成立了 Editas Medicine，擁有 4300 萬美元的風險投資，目標是開發一種基於 CRISPR 的新型藥物。（該公司尚未透露將首先針對哪些疾病。）4 月，CRISPR Therapeutics 在巴塞爾和倫敦成立，投資 2500 萬美元，目標相似。CRISPR Therapeutics 和 Editas Medicine 等公司的療法仍需數年才能問世。但實驗室供應公司已經在向世界各地的客戶運送即用型 CRISPR 和定製的 CRISPR 改造小鼠、大鼠和兔子。
去年夏天的一個悶熱的日子裡，我參觀了聖路易斯的 SAGE Labs，這是第一家獲得 Doudna CRISPR 技術許可用於改造齧齒動物的公司，以便親眼看看 CRISPR 的工作原理。SAGE 向約 20 家頂級製藥公司以及許多大學、生物技術研究所和基金會發貨。（總部位於英國劍橋的生物技術公司 Horizon Discovery Group 已經大舉進軍 CRISPR 生產，於 9 月以 4800 萬美元收購了 SAGE。）在 SAGE，一組位於工業園區盡頭死衚衕的低矮辦公樓裡，科學家們收到來自加利福尼亞州薩克拉門託市的一個實驗室的線上訂單，訂購 20 只用於研究帕金森病的Pink1敲除大鼠。在一棟價值 200 萬美元的新翼樓裡，經過這種改造以及其他 CRISPR 改造的齧齒動物生活在超淨、氣候受控的籠子裡，這些籠子整齊地從地板堆疊到天花板。填寫訂單就像選擇 20 只合適的大鼠，輕輕地將它們裝入盒子，然後空運到加利福尼亞一樣容易。為研究從精神分裂症到疼痛控制等疾病而準備好的動物也是如此。
但是，如果客戶需要沒有庫存的大鼠或小鼠，則過程會有所不同。想要研究帕金森病與新發現的可疑基因（甚至是基因內的特定突變）之間聯絡的 SAGE 客戶有幾種選擇。SAGE 科學家可以使用 CRISPR 關閉目標基因、引入突變，或者關閉基因並在其位置插入人類基因。從帕金森病到囊性纖維化再到艾滋病，許多疾病都受到多種遺傳變異的影響，過去需要長達一年的時間才能在動物身上產生研究此類疾病所需的複雜、連續的突變。與以前的基因組編輯技術不同，CRISPR 允許研究人員快速且同時對細胞進行多重基因改變，從而將生產改造動物所需的時間縮短至幾周。
SAGE 員工首先使用化學試劑盒製作定製 DNA——以及與 DNA 匹配的 RNA。在培養皿中，他們將 RNA 和 Cas9 混合，它們結合成一種具有基因編輯能力的化學物質：CRISPR 工具。然後，他們花費大約一週的時間在動物細胞上測試該工具，使用看起來像臺式掃描器的東西來執行電流，將 CRISPR 電擊到細胞中。CRISPR 開始工作，切割 DNA 並引起小的插入或缺失。由於 CRISPR 不是 100% 有效，它會在某些細胞中切割併產生突變，但在其他細胞中則不會。為了瞭解 CRISPR 的效能如何，科學家們收集細胞中的 DNA，將其彙集在一起，並複製假定突變位點周圍區域的副本。在處理和分析彙集的 DNA 後，他們在計算機顯示器上檢視結果。切割的、突變的 DNA 顯示為暗淡的條帶——CRISPR 切割的 DNA 越多，該暗淡的條帶就越亮。
接下來，該過程轉移到動物翼，在那裡科學家們使用 CRISPR 大量生產轉基因胚胎並創造突變齧齒動物。在其中一個實驗室裡，我觀看了生物學家安德魯·布朗施展 CRISPR 的魔力。他穿著手術手套和藍色紙質服裝——長袍、鞋套和蓬鬆的帽子——彎腰站在解剖顯微鏡前，吸吮著玻璃移液器的末端以取出大鼠胚胎。然後，他將胚胎運到房間另一邊的一個更大的顯微鏡下，顯微鏡兩側是機械臂，將其釋放到載玻片上的液滴中，然後坐到凳子上。他用右手控制著操縱桿，將空心玻璃針頭移動到胚胎壁上的位置。
透過顯微鏡的目鏡，胚胎的兩個原核，分別來自大鼠父母，看起來像月球表面的小隕石坑；布朗輕推細胞，直到一個原核旋轉靠近針尖。他點選滑鼠按鈕，針頭噴射出含有 CRISPR 的微小液滴，穿過細胞的質膜。原核像快速綻放的花朵一樣膨脹。如果運氣好的話，布朗創造了一個突變細胞。SAGE 的三名技術人員每週四天，每天重複這項任務多達 300 次。
當布朗完成注射他的大鼠胚胎後，他將其吸入移液器，將其放入培養皿中，並將其儲存在加熱到體溫的櫥櫃中。他最終會將改造後的胚胎——以及大約 30 到 40 個其他胚胎——注射到代孕大鼠母親體內。20 天后，大鼠將產下 5 到 20 只幼崽，當幼崽 10 天大時，SAGE 科學家將採集組織樣本，以檢視哪些幼崽具有改造後的基因。
“那是激動人心的部分，”布朗說。“可能有 20 個幼崽中只有 1 個具有改造。這就是我們所說的創始人動物。當我們達到那個地步時，每個人都會慶祝。”觀看 SAGE 科學家制作 RNA 或注射胚胎，這一切看起來都很容易——同樣的流程正在許多實驗室中生產轉基因動物。正如 SAGE 執行長戴維·斯莫勒所說，這是“大眾的”基因編輯。
希望和或許一點危險
隨著 CRISPR 大舉進軍商業用途，研究人員和企業家不斷想象該技術的新應用，其中一些應用可能顯得過於狂妄自大。例如，可能有可能在懷孕早期調整與唐氏綜合徵相關的染色體異常，或者重新引入抗性雜草對除草劑的敏感性，或者復活已經滅絕的動物物種。毫不奇怪，有些人覺得這很可怕。驚慌失措的評論員警告說，在我們匆忙擺脫世界上的瘧疾蚊子、治癒亨廷頓舞蹈病或設計更好的嬰兒的過程中，我們可能會創造出一個充滿有害新基因的侏羅紀公園。
考慮一下使用 CRISPR 消除瘧疾蚊子的想法。伍德羅·威爾遜國際學者中心位於華盛頓特區的生物安全分析師託德·庫肯說，消滅瘧原蟲是一回事，但消滅其載體又是另一回事。庫肯說，如果目標是根除瘧疾——每年感染 2 億人並導致 60 萬人死亡——我們必須小心不要引起其他 10 個問題。“我們必須有機會問，‘我們真的想這樣做嗎？’如果答案是‘是’，我們有什麼樣的系統到位，我們有什麼樣的保障措施？”
值得稱讚的是，科學家們正在迅速行動，以設想 CRISPR 技術最現實的危險並制定應對措施。7 月，當哈佛大學的一個團隊發表了一篇關於 CRISPR 驅動的蚊子消除的論文時，科學家們呼籲進行公開討論，並開始為失控的改變基因提出技術和監管方面的解決方案。“CRISPR 正在以驚人的速度發展，”該團隊的生物倫理學家 Jeantine Lunshof 觀察到。“很多人還沒有聽說過它，但人們正在使用它。這是一種新的動態。”在伯克利創新基因組學倡議中，Doudna 一直在組建一個專門討論 CRISPR 應用的倫理影響的小組。
很難想象倫理問題會扼殺對 CRISPR 的興奮。例如，6 月，麻省理工學院的研究人員報告說，他們透過直接透過尾巴注射 CRISPR，治癒了患有酪氨酸血癥（一種由酶突變引起的罕見肝臟疾病）的成年小鼠。他們遞送了三個 RNA 指南鏈，以及 Cas9 和突變基因的正確 DNA 序列，他們設法在小鼠肝臟中每 250 個細胞中插入了約一個正確的基因。在接下來的一個月裡，健康的肝細胞茁壯成長，最終取代了三分之一的壞細胞，足以消除小鼠的疾病。8 月，天普大學病毒學家卡邁勒·哈利利和他的同事報告說，他們使用 CRISPR 從幾個人類細胞系中切除了導致艾滋病的 HIV 病毒。
對於自 20 世紀 80 年代黑暗時期以來一直在艾滋病毒/艾滋病戰壕中辛勤工作的哈利利來說，CRISPR 無疑是一場革命。儘管艾滋病治療取得了巨大進步，但今天的藥物只能控制病毒——它們不能根除病毒。但是透過使用 CRISPR，哈利利的團隊完全切除了 HIV 的整合複製，將受感染的細胞轉化為未感染的細胞。哈利利說，除了從受感染的細胞中消除病毒外，CRISPR 還可以保護未感染的細胞，透過摻入來自攻擊病毒的序列來免疫它，正如 Doudna 和她的團隊觀察到原始細菌所做的那樣。你可以稱之為基因疫苗。“如果你在兩年前問我，‘你能否精確地從人類細胞中切除 HIV？’我會說這是一個艱鉅的任務。現在我們做到了，”哈利利說。“那是最終的治癒方法。”