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***”,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***新一期《Nature Biomedical Engineering》。
这款设备被命名为“CRISPR芯片”。它的主要***、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DN***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DN***段。
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
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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