“超级工具”诞生之前

2013年2月，张锋博士获得了全球极大关注。他在发表于学术期刊《科学》（Science）的论文中证明，凭借CRISPR‐Cas 9技术，即使是不熟练的科研人员，也能随心所欲地对人类或小鼠的细胞基因实施精确切断。CRISPR‐Cas 9诞生于2013年之前，但获得广泛关注却是因为这篇论文的发表。这篇论文证明了它能应用于人类和动物，因而被全球科学家视作重大突破。因此，也有不少科学家认为，CRISPR‐Cas 9是诞生于2013年2月的新技术。

那么，张锋博士是在什么样的情况下开始研究基因组编辑的呢？他从学生时代开始追本溯源，向我们介绍了他的研究经历。

“我最早对基因组编辑产生兴趣，是在读研究生的时候。当时我所开发的是对动物大脑进行研究的技术，而该研究主题的延伸范围就涵盖了基因组编辑。”

以往，为了研究动物大脑的运作，除了在动物死后对其大脑进行解剖外，还可以采用对动物活体实施电刺激等方法。然而，通过这些方法所能获知的信息十分有限。张锋博士加入了斯坦福大学卡尔·戴瑟罗特（Karl Deisseroth）博士的研究组，探索对活体动物的大脑直接进行研究的新方法。研究组发现，可以用光控制动物脑内的某种特殊细胞群，从而实现在活体状态下对其认知能力和细胞功能进行解析。依据此原理开发出来的，就是被称作“光遗传学”（optogenetics）^[3]的技术。在动物脑内的特定神经细胞群之中，研究者需要直接导入“合成会对光产生反应的蛋白质的基因”。只要能顺利导入该基因，就能通过光照激活光敏蛋白，从而检测出动物大脑是否在运作，甚至进一步控制大脑的运作，因此被认为是划时代的技术。

但是，这项研究需要面对一个无法回避的难题：如何将基因导入神经细胞之中。对此，张锋博士等人给出的答案就是利用基因组编辑技术。他们最初认为，当时已经成熟的基因组编辑第一代ZFN技术应该能够解决问题，但经过尝试之后发现ZFN使用起来非常困难，这才将目光投向了更易于使用的基因组编辑第二代TALEN技术和第三代的CRISPR‐Cas 9技术。

围绕CRISPR‐Cas 9，张锋博士决定对细菌的免疫系统展开研究。如第二章所述，在此之前，詹妮弗·杜德娜博士和埃马纽埃尔·卡彭蒂耶博士等人的研究组已经发现CRISPR‐Cas 9可以在大肠杆菌中发生作用，准确地切断目标基因。然而，人们尚无法确定对于哺乳动物的基因是否也能实现相同的效果。针对这一点，张锋博士将CRISPR‐Cas 9注入小鼠和人类的细胞之中反复进行尝试，以找到能令CRISPR‐Cas 9如预期般发挥作用的设计方案。

结果发现，往“人293FT细胞”这一细胞之中同时注入能切断基因的Cas 9内切酶，以及Cas 9工作所必需的tracrRNA、pre‐crRNA和RNase序列等物质，就能实现基因的精确切断。张锋博士因为这个划时代的研究成果而获得世界瞩目，其论文自从2013年2月在Science杂志上发表之后，一直在世界范围内被广泛引用。

如今，在张锋博士的实验室中，每周都会诞生10种左右的CRISPR‐Cas 9新版本。目前实验室正在开发一类技术：将CRISPR‐Cas 9组合到存在于细胞之中的一种DNA分子——质体^[4]之中，再送入细胞内，然后尝试通过改变质体，对起剪刀作用的Cas 9进行改良。当然，除此之外，根据接受基因组编辑的动物种类或细胞种类的不同，也必须使用不同版本的CRISPR‐Cas 9。

比如，要想把基因插入肺部或脑部，分别需要不同版本的CRISPR‐Cas 9。又或者需要根据操作类型的不同进行选择。比如，需要同时切断基因中某个DNA的两条双螺旋链的情况，与只需要切断其中一条的情况，自然有所区别。