当基因剪刀遇上材料之王，这款“芯片”分分钟测出基因突变

当基因剪刀遇上材料之王，这款“芯片”分分钟测出基因突变
2019/3/27 6:57:32学术经纬学术经纬

     ▎学术经纬/报道





     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。

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