發(fā)布日期：2019-05-28
說到科學(xué)界的“跨界”奇才，大家會(huì)想到精通物理學(xué)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)的牛頓，寫出相對(duì)論的專利局職員愛因斯坦。不過，如果領(lǐng)域內(nèi)幾個(gè)學(xué)術(shù)大佬跨界合作，會(huì)搞出什么事情？
近期，在著名的學(xué)術(shù)期刊PNAS《美國(guó)科學(xué)院院刊》上發(fā)表了來自加州大學(xué)伯克利分校科學(xué)家們的一項(xiàng)成果，他們開發(fā)了一種能夠高效地向哺乳細(xì)胞內(nèi)傳遞生物大分子的電轉(zhuǎn)（電穿孔）平臺(tái)。
文章發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊PNAS （圖片來源：PNAS）這項(xiàng)成果除過在技術(shù)上取得的進(jìn)步值得關(guān)注之外，進(jìn)展背后的故事更為精彩！
啥是電轉(zhuǎn)？和我們有啥關(guān)系？
電轉(zhuǎn)，是一種應(yīng)用于多種類型細(xì)胞，通過對(duì)細(xì)胞表面施加瞬時(shí)高強(qiáng)度電壓，使細(xì)胞膜表面形成納米孔，通透性提高，從而可以使生物大分子進(jìn)入細(xì)胞的技術(shù)。電轉(zhuǎn)的具體過程、所需要的裝置及耗材如下。
（圖片來源：維基百科）但是，對(duì)于一個(gè)時(shí)刻正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生命機(jī)體，科學(xué)家們?yōu)槭裁匆黄浦刂丶夹g(shù)難關(guān)，外加電壓干預(yù)其細(xì)胞膜的通透性？他們想嘗試傳遞的生物大分子有什么作用呢？
事實(shí)上，科學(xué)家一方面是希望理解生命系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律，另一方面希望能夠利用規(guī)律去針對(duì)性地改造生命體。而對(duì)生命體的改造直接依賴于像DNA和蛋白質(zhì)這一類生物大分子，電轉(zhuǎn)作為一種能夠高效地向細(xì)胞內(nèi)傳遞這些生物大分子的技術(shù)，它對(duì)我們理解生命活動(dòng)規(guī)律地重要性不言而喻。
研究中的生物大分子包括了核酸，功能性的蛋白，Cas9和單鏈引導(dǎo)RNA所組成的核糖核蛋白。這些大分子都是目前炙手可熱的基于CRISPR系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)所需要的組分，只有將這些生物大分子所能實(shí)現(xiàn)的功能和這個(gè)高效的傳遞裝置聯(lián)系起來，才能對(duì)它所帶來的便捷性有更清晰地了解。
當(dāng)材料學(xué)撞上生物學(xué)
常規(guī)的電轉(zhuǎn)方法雖然可以作為一種普適的方法將生物大分子比如蛋白質(zhì)、DNA傳遞到不同種類的細(xì)胞內(nèi)，但是存在一些缺陷。比如在向電轉(zhuǎn)杯兩側(cè)的金屬電極通電形成瞬時(shí)高電壓時(shí)，電轉(zhuǎn)杯內(nèi)細(xì)胞細(xì)胞膜所有的部分均要承受所形成的高強(qiáng)度電場(chǎng)，因此很多細(xì)胞會(huì)因?yàn)榧?xì)胞膜表面形成的孔洞太大而死亡，直接導(dǎo)致了回收的細(xì)胞數(shù)目相對(duì)較少。
細(xì)胞的回收率低是生物學(xué)家遇到的問題，從裝置開發(fā)的角度上解決這個(gè)問題的方向是兩個(gè)，分別是在保證轉(zhuǎn)化效率的前體條件下降低外加電壓的強(qiáng)度以及縮小細(xì)胞膜上承受電場(chǎng)的面積，但從這個(gè)角度去解決問題可不是生物學(xué)家的特長(zhǎng)。
當(dāng)一個(gè)生物學(xué)家遇到自己不擅長(zhǎng)的問題時(shí)，一個(gè)明智的做法是將其分享給能解決這個(gè)問題的人，然后合作。
（圖片來源：PNAS）文章所開發(fā)的納米孔電穿孔裝置，主要由兩個(gè)扁平的電極，一個(gè)帶有過濾功能并且散布有直徑大約為100nm納米孔的碳酸脂膜（PC膜）以及一個(gè)用來支撐兩個(gè)電極的支撐部分組成，需要注意的是膜上有能夠促進(jìn)細(xì)胞和膜接觸的涂層。
在使用新裝置進(jìn)行生物大分子的轉(zhuǎn)化時(shí)，首先將需要傳遞的試劑加到底部的鈦電極上，之后立即將帶有膜的支撐部分放置到底部電極之上，接著第二片鈦電極被放到整個(gè)裝置的頂部，最后給兩個(gè)電極之間施加電脈沖，使細(xì)胞膜上形成納米孔，生物大分子得以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。
那么這個(gè)新裝置是如何突破傳統(tǒng)電穿孔儀的缺陷呢？
首先是細(xì)胞承受電場(chǎng)面積過大的問題。新裝置里帶有納米孔的PC膜，多孔PC膜可以使得電場(chǎng)和細(xì)胞的接觸面限于納米孔，這樣大大的保證了接受電脈沖后細(xì)胞的完整性，因而可以使得在實(shí)驗(yàn)條件下用新裝置做完轉(zhuǎn)化后95%的細(xì)胞是可以繼續(xù)生長(zhǎng)的。
其次是傳統(tǒng)的電穿孔儀在施加電脈沖時(shí)所用的電壓往往為數(shù)千伏特，會(huì)使得細(xì)胞膜表面形成的孔洞過大。新的裝置繞過這一問題得益于孔狀的膜結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了納米孔內(nèi)和周圍的局域電場(chǎng)，使得在外加電壓不超過100V的條件下就可以高效的將DNA或者mRNA轉(zhuǎn)化進(jìn)細(xì)胞內(nèi)。在這項(xiàng)研究中，這種高效對(duì)應(yīng)的數(shù)字是80%。
當(dāng)材料學(xué)與生物學(xué)相遇，碰撞出的火花讓電轉(zhuǎn)的研究向前邁進(jìn)一大步。
“神仙打架，凡人勿近”
這篇文章作者排名最后兩位分別是Jennifer A。 Doudna和Peidong Yang（楊培東），分別是這參與這項(xiàng)研究的兩個(gè)主要團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，筆者看到這篇文章的時(shí)候一是對(duì)兩位前輩良好的合作意識(shí)表示欽佩，驚嘆于新平臺(tái)設(shè)計(jì)精巧之余，對(duì)二者的合作也是有些感慨。
（圖片來源：UC Berkeley）這兩位在各自的研究領(lǐng)域都是非常出色的科學(xué)家，同樣都屬于加州大學(xué)伯克利分校，楊培東教授曾在2011年湯森路透遴選的最優(yōu)秀的化學(xué)家榜單中排第10位，同時(shí)入選了10年中最優(yōu)秀的100名材料學(xué)家中的第一位，他主要的研究方向之一是人工光合系統(tǒng)。Jennifer教授則在2012年和Emmanuelle Charpentier教授共同提出了將CRISPR系統(tǒng)應(yīng)用于基因編輯的想法并驗(yàn)證了其可行性，而基于CRISPR的基因編輯技術(shù)目前已經(jīng)在基因編輯領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)革命。
楊培東教授曾在2016年發(fā)表了一篇“為細(xì)菌裝半導(dǎo)體”的文章，創(chuàng)造性的將一種半導(dǎo)體材料和一種非光合固碳微生物結(jié)合在一起，構(gòu)建成了一個(gè)能夠利用光能進(jìn)行CO2固定的人工光合系統(tǒng)，算是這個(gè)領(lǐng)域的開山之作。文章最后展望了借助合成生物學(xué)工具對(duì)他們所構(gòu)建的人工光合系統(tǒng)性能進(jìn)行提升的未來前景，鑒于伯克利分校的合成生物學(xué)研究所有很多卓越的合成生物學(xué)家，他當(dāng)時(shí)的展望可以被視為今日合作的一個(gè)伏筆。
機(jī)遇從“天”而降
Jennifer進(jìn)入CRISPR的研究領(lǐng)域之前就已經(jīng)是一位卓越的生物化學(xué)家，早在2002年她就已經(jīng)當(dāng)選了美國(guó)科學(xué)院的院士。作為生化學(xué)家的Jennifer是如何接觸到CRISPER的研究并取得巨大成就的呢？
時(shí)間回溯到2006年，彼時(shí)的Jennifer還沒涉足CRISPR研究。她接到一個(gè)同樣來自伯克利分校的地球微生物學(xué)家Jillian的電話，這個(gè)電話對(duì)于Jennifer的CRISPR生涯是一個(gè)很重要的節(jié)點(diǎn)。
原來，Jillian實(shí)驗(yàn)室的主要研究微生物和環(huán)境的關(guān)系，她想在伯克利分校找一個(gè)研究RNA干擾的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作。在經(jīng)過Google簡(jiǎn)單的搜索之后找到了Jennifer，但兩人并不熟，Jennifer也只是對(duì)Jillian的名聲有所耳聞，因?yàn)镴illian在當(dāng)年剛當(dāng)選美國(guó)科學(xué)院院士。
（圖片來源：UC Berkeley）Jillian的研究本身交叉性就比較強(qiáng)，這一點(diǎn)從她在多個(gè)學(xué)院擔(dān)任教授職位就能可見一斑，所以當(dāng)這位地球微生物學(xué)家激情洋溢地介紹自己的工作，說她們發(fā)現(xiàn)了一些CRISPR系統(tǒng)，并希望能夠借助遺傳學(xué)和生化的手段去了解這些系統(tǒng)，盡管對(duì)CRISPR不了解，Jennifer還是受其感染，好奇心也被激發(fā)起來，答應(yīng)了之后的面談。
2006年，Jennifer剛從耶魯?shù)讲死痪?，也希望能夠進(jìn)一步拓寬自己的研究領(lǐng)域，并且希望能夠和伯克利的同事有一些合作。在這樣的背景下，兩人所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域不同，優(yōu)勢(shì)能夠互補(bǔ)，而且都有合作的意愿，這樣見面后的合作基本是水到渠成的。
最終，兩人合作從未培養(yǎng)的細(xì)菌里發(fā)現(xiàn)了兩種之前未被報(bào)道的CRISPR系統(tǒng)—CRISPR/CasX和CRISPR/CasY，這兩個(gè)系統(tǒng)是截至當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的最小的CRISPR系統(tǒng)，后續(xù)CRISPR/CasX系統(tǒng)也被證明可以改造成一種新的基因編輯工具，而這兩項(xiàng)工作最終均在2016年和2019年發(fā)表在Nature上。
Jennifer事業(yè)的第二春
Jennifer教授接觸到令她功成名就的II型CRISPR系統(tǒng)CRISPR/Cas 9得益于在一次2011年美國(guó)微生物年會(huì)上與Emmanuelle的相遇以及交流。彼時(shí)Emmanuelle所領(lǐng)導(dǎo)的研究組剛剛在Nature上報(bào)道了新的、也就是我們現(xiàn)在所熟悉的II型CRISPR/Cas9系統(tǒng)。
（圖片來源：UC Berkeley）兩人會(huì)前并不認(rèn)識(shí)，但是對(duì)彼此的工作有一些了解。經(jīng)兩位共同的朋友引薦，兩人在會(huì)議間隙的一個(gè)咖啡館碰面，在簡(jiǎn)短的交流中對(duì)彼此都留下了很不錯(cuò)的印象。Emmanuelle希望能夠借助Jennifer實(shí)驗(yàn)室在生化和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向的優(yōu)勢(shì)來合作一起揭示新系統(tǒng)的工作機(jī)制，Jennifer當(dāng)然沒有錯(cuò)過這個(gè)難能可貴的機(jī)會(huì)。隔年，她們合作的文章《A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity》發(fā)表在了Science上，再之后，基于CRISPR的基因編輯工具在基因編輯領(lǐng)域便掀起了一場(chǎng)革命。
跨界之前的準(zhǔn)備：打鐵還需自身“硬”
最后，想要分享的是這幾位科學(xué)家之間合作帶給筆者的啟示。從一個(gè)科研人員的角度講，在自己所從事的領(lǐng)域工作得做的足夠出色、有顯示度，這些是和非本專業(yè)研究人員建立合作的基礎(chǔ)，否則你不會(huì)知道你錯(cuò)過的究竟是未來可能的諾貝爾獎(jiǎng)還是巨額的收益，這個(gè)道理最起碼從Jennifer的身上來講是這樣。
另外，廣泛涉獵不同領(lǐng)域的知識(shí)對(duì)于擴(kuò)寬自己研究的廣度和深度也是一個(gè)很重要的因素。文中提到的四位科學(xué)家涉獵的廣泛，從其中的三位至少在兩個(gè)不同的學(xué)院擔(dān)任教授職務(wù)便可見一般。
最后，當(dāng)“天降大任于斯人”的合作機(jī)會(huì)擺在眼前時(shí)，記得好好把握，說不定就順順溜溜地走上人生的巔峰！
來源：科學(xué)大院
