發(fā)布日期：2019-05-28
說到科學(xué)界的“跨界”奇才，大家會想到精通物理學(xué)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)的牛頓，寫出相對論的專利局職員愛因斯坦。不過，如果領(lǐng)域內(nèi)幾個學(xué)術(shù)大佬跨界合作，會搞出什么事情？
近期，在著名的學(xué)術(shù)期刊PNAS《美國科學(xué)院院刊》上發(fā)表了來自加州大學(xué)伯克利分?？茖W(xué)家們的一項成果，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。
文章發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊PNAS （圖片來源：PNAS）這項成果除過在技術(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，通過對細(xì)胞表面施加瞬時高強度電壓，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，對于一個時刻正常運轉(zhuǎn)的生命機體，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？
事實上，科學(xué)家一方面是希望理解生命系統(tǒng)運行的規(guī)律，另一方面希望能夠利用規(guī)律去針對性地改造生命體。而對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)，它對我們理解生命活動規(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現(xiàn)的功能和這個高效的傳遞裝置聯(lián)系起來，才能對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高電壓時，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度電場，因此很多細(xì)胞會因為細(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)的角度上解決這個問題的方向是兩個，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度以及縮小細(xì)胞膜上承受電場的面積，但從這個角度去解決問題可不是生物學(xué)家的特長。
當(dāng)一個生物學(xué)家遇到自己不擅長的問題時，一個明智的做法是將其分享給能解決這個問題的人，然后合作。
（圖片來源：PNAS）文章所開發(fā)的納米孔電穿孔裝置，主要由兩個扁平的電極，一個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）以及一個用來支撐兩個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，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裝置的頂部，最后給兩個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，因而可以使得在實驗條件下用新裝置做完轉(zhuǎn)化后95%的細(xì)胞是可以繼續(xù)生長的。
其次是傳統(tǒng)的電穿孔儀在施加電脈沖時所用的電壓往往為數(shù)千伏特，會使得細(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)增強了納米孔內(nèi)和周圍的局域電場，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)。在這項研究中，這種高效對應(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），分別是這參與這項研究的兩個主要團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人，筆者看到這篇文章的時候一是對兩位前輩良好的合作意識表示欽佩，驚嘆于新平臺設(shè)計精巧之余，對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)建成了一個能夠利用光能進(jìn)行CO2固定的人工光合系統(tǒng)，算是這個領(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)時的展望可以被視為今日合作的一個伏筆。
機遇從“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？
時間回溯到2006年，彼時的Jennifer還沒涉足CRISPR研究。她接到一個同樣來自伯克利分校的地球微生物學(xué)家Jillian的電話，這個電話對于Jennifer的CRISPR生涯是一個很重要的節(jié)點。
原來，Jillian實驗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研究RNA干擾的實驗室進(jìn)行合作。在經(jīng)過Google簡單的搜索之后找到了Jennifer，但兩人并不熟，Jennifer也只是對Jillian的名聲有所耳聞，因為Jillian在當(dāng)年剛當(dāng)選美國科學(xué)院院士。
（圖片來源：UC Berkeley）Jillian的研究本身交叉性就比較強，這一點從她在多個學(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，兩人所擅長的領(lǐng)域不同，優(yōu)勢能夠互補，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)了兩種之前未被報道的CRISPR系統(tǒng)—CRISPR/CasX和CRISPR/CasY，這兩個系統(tǒng)是截至當(dāng)時所發(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年美國微生物年會上與Emmanuelle的相遇以及交流。彼時Emmanuelle所領(lǐng)導(dǎo)的研究組剛剛在Nature上報道了新的、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）兩人會前并不認(rèn)識，但是對彼此的工作有一些了解。經(jīng)兩位共同的朋友引薦，兩人在會議間隙的一個咖啡館碰面，在簡短的交流中對彼此都留下了很不錯的印象。Emmanuelle希望能夠借助Jennifer實驗室在生化和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向的優(yōu)勢來合作一起揭示新系統(tǒng)的工作機制，Jennifer當(dāng)然沒有錯過這個難能可貴的機會。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)，否則你不會知道你錯過的究竟是未來可能的諾貝爾獎還是巨額的收益，這個道理最起碼從Jennifer的身上來講是這樣。
另外，廣泛涉獵不同領(lǐng)域的知識對于擴寬自己研究的廣度和深度也是一個很重要的因素。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”的合作機會擺在眼前時，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
