美科学家研发基因调节系统 光可精确控制基因开关

北京时间2月11日消息，据科学日报报道，美国北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学的研究人员修改了一种通过光开关就可以激活实验室培养皿里特定位置或者样式的基因，这主要是通过将细菌的病毒防御系统与花朵对光的反应相结合来实现的。具备利用光激活任何位置基因的能力使得研究人员可以更好地调查基因的功能，创造复杂的系统来培育组织，甚至可能最终实现科幻小说里出现的治愈技术。

这项由杜克大学生物医学工程助理教授查尔斯•格斯巴赫（Charles Gersbach）带领进行的研究被发表在2月9日的期刊《自然化学生物学》上。“这项技术使得科学家可以挑选染色体上任意基因并利用光开关这一基因，这具有转换基因工程产物的潜力。”研究首席作者、杜克大学博士研究生劳伦•珀尔施泰（Lauren Polstein）这样说道。“利用光操纵的优势在于我们可以快速和轻易的控制基因开关，且基因被激活的程度取决于光的强度。我们还可以通过将光以特定样式照射来控制开启基因的区域，例如让光通过一个模板。”

最新的技术利用了名为CRISPR/Cas9(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)的基因工程系统来控制特定基因，后者是最新出现的一种由RNA指导的Cas9核酸酶对靶向基因进行编辑的技术。研究人员借鉴了细菌用于确定病毒入侵者并分割DNA的系统，从而精确的将特定遗传序列作为目标。随后杜克大学的科学家们利用进化树上的另一个分支来实现系统的光激活。

在很多植物里，光的出现会导致两个蛋白质锁定在一起，这使得植物能够感知日照时间，后者会决定很多生物功能，例如开花。通过将CRISPR/Cas9系统依附在其中一个这样的蛋白质上，研究小组能够通过朝细胞照射蓝色光来开启或关闭好几个不同的基因。

“植物里光敏感的相互作用的蛋白质是彼此独立存在的，” 格斯巴赫解释道。“我们所做的就是将两者结合。这是建立在我们以及其它科研人员开发的相似系统之上，但是因为我们现在是利用CRISPR来定位特定基因，它比其它技术更简单、更快速且更廉价。” 格斯巴赫设想了这种光激活、基因调节系统的一系列潜在的广泛应用。

研究人员可以紧密和精确的控制一个基因在染色体DNA里自然位置的活动程度，这使得他们能够获得有关这一基因作用更精确的解译。这个光诱发的系统还可以更好的控制干细胞培养是如何分化成不同类型的组织。通过创造不同样式的基因表达，格斯巴赫希望这一系统可以被用于组织工程学。

“组织工程学的局限性之一在于典型的方法会使用一大块骨头、软骨或者肌肉，但这并不是组织的自然状态，” 格斯巴赫解释道。“正常组织里会有好几种细胞类型混合在一起，界面之间有很多组织成分，还有渗透其中的血管和神经元。我们希望从空间上控制细胞群体里不同组织形成的区域，这种方法可以创造多组织构建物，潜在的更好地体现正常生理机能。”光诱发基因工程还有很多可以被应用的领域。

“其中一种可能性就是透过皮肤照亮细胞，从而控制细胞活动，例如培养血管或者组织再生，” 格斯巴赫说道。“更进一步，你甚至可以设想某些出现在电影《星际迷航》里的设备，你朝伤口上照射光，伤口就可以愈合。很明显这在目前是不可能的，但允许我们更好的控制生物系统的技术能够引导我们在这个方向向前发展。”

这项研究得到了国家卫生研究院主任创新奖、美国国家科学基金会教师早期职业生涯发展奖、国家卫生研究院基金和美国心脏协会的科学家发展基金的基金支持。