源自大自然的高端生物技術改變了科學進行方式

生物學的三種高端技術——基因編輯、熒光蛋白和光遺傳學，都受到大自然的啟發。那些數百萬年來一直在為細菌、水母和藻類“服務”的生物分子工具，現在正被廣泛用于醫學和生物研究。可以說，它們直接或間接地改變著人們的日常生活，甚至生命。

細菌和它的“防御系統”

細菌和病毒相互爭斗。它們處于不斷的生化戰爭中，爭奪稀缺資源。

細菌武器庫中的一個重要裝備，就是CRISPR-Cas系統，其由從敵對病毒中隨時間收集的短重復DNA 組成，與稱為Cas 的蛋白質配對，該蛋白質可以像使用剪刀一樣切割病毒DNA。在自然界中，當細菌受到DNA 存儲在CRISPR“檔案”中的病毒攻擊時，CRISPR-Cas 系統會追捕、切割、破壞病毒。

科學家們拾起這一“武器”并用于科學用途，取得了開創性的效果。美國加州大學伯克利分校的生物化學家珍妮弗·道德納和法國微生物學家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷，因開發CRISPR-Cas 作為基因編輯技術，而共同獲得了2020 年諾貝爾化學獎。

我們知道，人類基因組計劃給出了一個幾乎完整的基因序列，并為科學家提供了一個模板來對所有其他生物進行測序。然而在CRISPR-Cas 出現之前，研究人員沒有工具去輕松訪問和編輯生物體中的基因。現在，CRISPR-Cas 讓過去需要耗時數月甚至數年并花費數十萬美元的實驗室工作，在不到一周的時間內完成，且只需幾百美元。

有超過1 萬種遺傳疾病是由僅發生在一個基因上的突變引起的，即所謂的單基因疾病。它們影響了數百萬人，鐮狀細胞性貧血、囊性纖維化和亨廷頓氏病是這些疾病中最著名的。而它們都是CRISPR 治療手段的主要目標——修復或替換一個有缺陷的基因要簡單得多，人們從此不需要糾正多個基因上的錯誤。

水母“點亮”微觀世界

維多利亞水母在北太平洋漫無目的地漂流，這種生物沒有大腦，沒有肛門，也沒有毒刺，按說它不太可能引發什么生物技術革命。

但事實恰恰相反，在它的傘的外圍，有大約300個光器官，它們發出綠色的光點，這些光點像是黑暗里閃爍出來的信號一樣，改變了科學的進行方式。

這種生物發光，源于一種稱為水母發光蛋白的物質和一種稱為綠色熒光蛋白或GFP 的熒光分子。在現代生物技術中，GFP 就像一個“分子燈泡”，可以與其他蛋白質融合，使研究人員能夠追蹤它們并查看生物體細胞中蛋白質何時何地生成。

現在，熒光蛋白技術每天在數以千計的實驗室中使用，并因此在2008 年和2014 年獲得了兩項諾貝爾獎。科學家們也已經在更多的物種中發現了熒光蛋白。

而當研究人員創造出表達GFP 的轉基因COVID-19病毒時，這項技術再次證明了其實用性。當病毒進入呼吸系統并與具有毛發狀結構的表面細胞結合時，由此產生的熒光，可以追蹤病毒的路徑。

藻類“眼中”的光明與黑暗

當依賴陽光生長的藻類被放置于黑暗房間里的大型水族箱中時，它們會失去目標地游來游去。但是如果打開一盞燈，藻類就會向光游去。這就是單細胞鞭毛蟲，它們其實沒有眼睛，但有一個稱為眼點的結構，可以區分光明和黑暗。眼點布滿了稱為通道視紫紅質的光敏蛋白。

在差不多二十年前，研究人員發現，當他們通過基因將這些視紫紅質通道蛋白插入任何生物體的神經細胞時，用藍光照射視紫紅質通道蛋白，會導致神經元激活。這是一種被稱為光遺傳學的技術。當一束精確的藍光照射在這些神經元上時，視紫紅質通道就會打開，鈣離子涌入神經元，神經元則被激發。

使用該工具，科學家可以選擇性地重復刺激神經元組，從而更準確地了解要針對哪些神經元來治療特定的障礙和疾病。現在，光遺傳學被認為可能是治療人類致命腦部疾病（如阿爾茨海默病和帕金森氏癥）的關鍵。

而且，光遺傳學不僅對理解大腦有用。研究人員還在使用該技術來部分逆轉失明，并在使用其治療視網膜色素變性疾病的臨床試驗中，看到了希望。

科學家們相信，除以上三種重要技術手段外，大自然的“工具箱”里應還保管著大量未被發現的技術。