三项革命性技术:被水母照亮的微观世界

2021-09-07   来源:新浪科技综合 原文链接:点击获取

来源:原理

DNA双螺旋结构的揭晓、量子力学的出现、广义相对论的提出……这些都曾是科学家取得过的一些伟大的理论突破。不过,重大的、颠覆性的想法并不常有。现在,现代的科学研究和科学发现更多地受到新的、不断改进的技术驱动。那些更好的科学技术照亮了前人所不知道的科学领域,让现代科学家能够比过去更快、更高效地进行实验。

今天,我们要探讨的是那些受到大自然的启发而发展起来的先进技术。这是一些已经被水母、细菌、藻类使用了数百万年的生物分子工具,现在它们被用在了医学和生物学研究上,以直接或间接的方式,改变了人们的生活。

被水母照亮的微观世界

维多利亚多管发光水母。| 图片来源:Wikipedia

维多利亚多管发光水母。| 图片来源:Wikipedia

这种透明水母的学名是维多利亚多管发光水母Aequorea victoria,它们没有大脑,没有肛门,也没有毒刺,在北太平洋漫无目的地漂着。然而,这样一种看似简单的生物,引发了一场生物技术革命——它们的伞的外围有着大约300个发光器官,它们发出的微弱绿光改变了科学研究的方式。

维多利亚多管发光水母体内的这种生物荧光来自一种名为水母蛋白的发光蛋白和一种名为绿色荧光蛋白(GFP)的荧光分子。在现代生物技术中,绿色荧光蛋白就像一个分子级的灯泡,它能够与其他蛋白质融合在一起,方便研究人员追踪蛋白质的行踪,以及观察生物细胞中的蛋白质是在何时、何处产生的。

每一天,有成千上万个实验室在使用荧光蛋白技术,这项技术已经迎来了两项诺贝尔奖,分别颁发于2008年和2014年。现在,科学家已经在更多的物种中发现了荧光蛋白的存在。

2020年,当科学家在制造能够表达GFP的转基因COVID-19病毒时,这种技术再次证明了它的实用性。研究人员通过荧光,在病毒进入呼吸系统以及与具有毛发结构的表面细胞结合时,追踪病毒的路径。

 细菌防御系统?是基因编辑器

细菌和病毒之间总是在上演着一场场“生化战争”,为了争夺稀少的资源,它们会自己斗争,也会相互斗争。

CRISPR-Cas系统就是细菌阵营的一种强大武器,它就像是一个“遗传文库”,由长时间地从“敌方”病毒那里收集短的、重复的DNA,以及一种名为Cas的蛋白质组成,这种Cas蛋白质可以像剪刀一样,切割病毒的DNA。

在自然世界中,当细菌受到种病毒的攻击时,而这种病毒的DNA又已经被储存在了CRISPR档案中的话,CRISPR-Cas系统会搜寻、切割、这种病毒DNA。这种功能被学家们所利用,他们按照自己的需求,为这些武器重新发展出新的用途,产生了突破性的效果。

CRISPR-Cas可以编辑几乎所有生物的基因组。2020年,生物化学家詹妮弗·杜德娜(Jennifer Doudna)和微生物学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)就因其在CRISPR-Cas基因编辑技术方面作出的贡献而获得诺贝尔化学奖。| 图片来源:nobelprize.org

现在,人类基因组计划已经为人类提供了一个几乎完整的基因序列,它也为科学家对所有其他生物体进行测序提供了一个优秀的模板。其实,在CRISPR-Cas之前,研究人员并没有有效的工具来轻易地触及和编辑内的基因;而现如今,CRISPR-Cas的存在让过去需要用数月乃至数年、斥资数十万美元才能完成的实验室工作,只需花费数百美元的预算就能在不到一周的时间内完成。

CRISPR对疾病的治疗有着无可限量的潜力。在众多遗传疾病中,有超过10000种遗传疾病是由单个基因突变引起的,这类疾病被称为单基因疾病,数百万人因这类疾病而备受折磨。镰状细胞性贫血、囊性纤维化、亨廷顿病……都是这种疾病中的典型例子。它们都是CRISPR治疗的目标,因为只修复或替换一个有缺陷的基因,比纠正多个基因上的错误要简单得多。

例如,在近期发表于《新英格兰医学杂志》的一项临床前研究中,研究人员就将一种封装的CRISPR系统注射到患有疾病“甲状腺素运载蛋白淀粉样变性”的患者体内。这是一种罕见的遗传疾病,它能导致致命的神经和心脏疾病。初步研究结果表明,CRISPR-Cas是能够以这种方式直接被注射到患者体内的,并且它可以发现并编辑与疾病相关的缺陷基因。在这项具有里程碑意义的研究中,有6名患者在注射了这些“迷你导弹”后,其与疾病相关的错误的蛋白折叠呈现出了显著下降。

藻类和大脑神经元

藻类的生长需要依靠阳光的照射。当把它们放置在一个黑暗房间中的大型水箱里时,它们会漫无目的地游来游去。这时如果开启一盏灯,藻类就会向着光的地方游去。这种现象与单细胞鞭毛虫有关,这种生物因其用来四处移动的鞭状附肢而得名,它们没有眼睛,但有一种被称为眼点的结构。眼点上布满了被称为光敏感通道蛋白的光敏蛋白质,可以区分光明和黑暗。

《自然界的艺术形态》中描绘的鞭毛虫。| 图片来源:Wikipedia

《自然界的艺术形态》中描绘的鞭毛虫。| 图片来源:Wikipedia

在21世纪初,有科学家发现当他们从基因的角度上将这些光敏感通道蛋白插入任何生物体的神经细胞中,再用蓝光照射这些光敏感通道蛋白时,就会引起神经元放电。

这项技术被称为光控遗传修饰技术(光遗传学),它涉及到藻类基因的插入,这些藻类基因能够使光敏感通道蛋白进入神经元。当一束蓝光照射到这些神经元上时,光敏感通道蛋白就会打开,钙离子会涌入神经元,从而激活神经元。使用这一工具,科学家可以有选择地重复刺激神经元组,从而更好地获悉,哪些神经元可以被用作疗特定疾病的目标

光控遗传修饰技术或许是治疗阿尔茨海默症和帕金森症等大脑疾病的关键。近期,有研究表明这种技术不仅有助于理解大脑,而且还能够被用来部分逆转失明。在临床试验中,它已经在患有视网膜色素变性(破坏视网膜细胞的遗传疾病)的患者身上表现出了令人满意的效果。在小鼠研究中,这项技术已经被用于控制小鼠的心跳,以及调节便秘小鼠的肠道蠕动。

大自然的工具箱中还有什么?

那么,大自然中还藏着哪些未被发现的技术呢?

2018年的一项研究表明,以质量计算,人类只占所有生物的0.01%,但在短暂的时间里,人类已经造成了83%的野生哺乳动物和一半的植物的损失。自然的消亡可能会让人类在来不及想象的情况下,就丧失了新的、强大的、能够改变生活的技术。毕竟,就像文中所列举的这三个开创性技术一样,没有人能预见到这三种从自然中衍生出来的过程,能够彻底地改变科学研究的方式。

#创作团队:

撰文:Marc Zimmer(康涅狄格学院化学教授)

译文:小雨

#参考来源:

原文标题为“From CRISPR to glowing proteins to optogenetics – scientists’ most powerful technologies have been borrowed from nature”,于2021年8月5日首发于The Conversation,原文链接:https://theconversation.com/from-crispr-to-glowing-proteins-to-optogenetics-scientists-most-powerful-technologies-have-been-borrowed-from-nature-164459,文章基于CC协议翻译,中文内容仅供参考,一切内容以原文为准。

#图片来源:

封面图:PublicDomainPictures / Pixabay