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                              1. 当基因剪刀遇上材料之王,这款“芯片”分分钟测出基因突变
                                学术经纬 · 2019/03/27
                                当CRISPR技术和石墨烯结合,会碰撞出什么有趣的结果?

                                本文转载自“学术经纬”。

                                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“材料之王”,?#33455;?#30707;墨烯性能的科学家因此荣获2010年?#24403;?#23572;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?#33455;克↘GI)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最新一期《Nature Biomedical Engineering》。


                                这款设备被命名为“CRISPR芯片”。它的主要开发者、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?#23478;?#32791;费更长的时间。这是因为,?#38047;?#30340;基因测序通常要求样本中有足够多的DNA片段,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DNA片段。


                                ▲“CRISPR芯片”的主要开发者、该?#33455;?#36890;讯作者Kiana Aran教授(图片来源:UC Berkeley官网,摄影师Stephen McNally)

                                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?#33258;?#22522;因组中找到特定位置,?#33455;?#32773;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(图片作者:Kiana Aran教授)

                                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?#38047;?#21709;全世界很多儿童的?#29616;?#36951;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?#26657;芯?#32773;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?#33945;?#22791;的有效性。


                                ▲利用Cas9和不同的指导RNA,芯片可以检测不同的DNA序列(图片来源:KGI)

                                未来,Aran教授还希望通过在设备中插入多个指导RNA,让医生有可能在几分钟内同时检测出多个基因突变。“就好像一个页面上有多个搜索框,我们的晶体管就是搜索框,搜索的内容是指导RNA携带的信息,每一个晶体管都可以搜索并通过电学变化给出结果。”

                                此外,医生或许也可以借助这类便捷的检测设备为患者制定个体化治?#21697;?#26696;,例如准确地预测患者对一些靶向药物的特定反应。

                                参考资料

                                [1] Reza Hajian et al., (2019) Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor. Nature Biomedical Engineering. DOI: 10.1038/s41551-019-0371-x

                                [2] New CRISPR-powered device detects genetic mutations in minutes. Retrieved Mar. 26, 2019


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