基因编辑结合石墨烯晶体管,可在几分钟内检测基因突变

据报道，加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）和克莱蒙特学院联盟（The Claremont Colleges）凯特应用生命科学研究生院（Keck Graduate Institue，简称KGI）的工程师团队将CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats，基因编辑技术）与石墨烯制成的电子晶体管结合，研发出一种可在几分钟内检测特定基因突变的新型手持设备。

这款设备被称为CRISPR-Chip，可用于快速诊断遗传疾病或评估基因编辑技术的准确性。该团队使用此设备检测来自杜氏肌营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy，简称DMD）患者DNA（脱氧核糖核酸）样本中的基因突变。

“我们开发了第一个利用CRISPR搜索基因组潜在突变的晶体管，”KGI的助理教授Kiana Aran说道，她是加州大学伯克利分校生物工程学教授Irina Conboy实验室的博士后学者，“你只需将纯化的DNA样品放在芯片上，让CRISPR进行‘搜索’，石墨烯晶体管可以在几分钟内报告搜索结果。”

Nature Biomedical Engineering杂志3月25日在线上发表了一篇论述该设备的论文，Aran是该篇论文的主要作者。

医生和遗传学家现在可以对DNA进行测序，以确定在潜在特征和条件下的基因突变。甚至像23andMe和AncestryDNA这类的公司都可以向好奇的消费者提供这类检测。

但与大多数形式的基因检测不同，包括最近开发的基于CRISPR的诊断技术，CRISPR-Chip使用纳米电子技术来检测DNA样本中的基因突变，无需通过被称作聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，简称PCR）的设备密集型耗时过程， 首次“扩增”或数百万次地复制目标DNA片段。这意味着该设备可直接在医生办公室或其他工作现场进行基因检测，而无需将样品送到实验室。

加州大学伯克利分校生物工程学教授、论文合著者Niren Murthy表示：“CRISPR-Chip确实值得关注，如果获取了好的DNA样本，通过这项技术可直接进行DNA的临床检测。最终，只需获取一个人的细胞，提取DNA样本并将其与CRISPR-Chip结合，就可以知道某个DNA序列是否存在。这可能会实现真正的即时DNA检测。”

绕过瓶颈

CRISPR-Cas9系统以其能够像锋利的剪刀般，在精准的位置剪切DNA片段而闻名，为研究人员提供了前所未有的基因编辑技术。 但对于Cas9蛋白，为了准确地切割和粘贴基因，它首先必须找到DNA中的精确切点。

为了让Cas9找到基因组上的特定位置，科学家必须首先为它配备一段“指导RNA（核糖核酸）”，这一小段RNA，其碱基与目标DNA序列互补。庞大的蛋白质首先解开双链DNA并扫描直至找到与指导RNA相匹配的序列，随后将其锁定。

为了发挥CRISPR的基因靶向性，研究人员采用失活的Cas9蛋白，这是一种可以在DNA上找到特定位置的Cas9变体，但不对其进行切割，而是将其连接到由石墨烯制成的晶体管上。当CRISPR复合物在其靶向的DNA上找到靶点时，两者结合并触发石墨烯的电导率发生变化，这相应地改变了晶体管的电特性。而这些变化可通过团队的工业界合作伙伴开发的手持设备进行检测。

石墨烯由单层碳原子构成，具有电敏感性，无需通过PCR扩增即可检测到全基因组样品中的“目标”序列。

“石墨烯的超灵敏度使我们能够检测到CRISPR的DNA搜索活动，”Aran说，“CRISPR带来了选择性，结合石墨烯晶体管的灵敏度，使我们能够实现无须通过PCR或无需扩增的检测。”

Aran希望能够很快实现该装置的“复用”技术，这样可以让医生同时引入多个指导RNA，以便在几分钟内检测出不同的基因突变。

“想象一下有一个包含大量搜索框的页面，在我们的设备中是晶体管，你可以在这些搜索框内找到指导RNA的信息，每个晶体管以电子方式搜索并报告搜索结果，”Aran说。

快速诊断

为了证明CRISPR-Chip的灵敏度，该团队使用该装置检测来自DMD患者血液样本中两种常见的基因突变。

该论文的另一位合著者Conboy表示，CRISPR-Chip可能成为特别有效的DMD筛查设备，因为严重的肌肉萎缩疾病可能是由于大规模肌营养不良蛋白基因突变引起的，这是人类基因组中最长的一组基因，若使用基于PCR的技术检测其基因突变不仅昂贵且耗时。

“现在作为一项实验，患有DMD的男孩通常还不会接受筛查，直到我们发现问题，才会进行基因确认，”Conboy称，他也在开发基于CRISPR的DMD治疗方法。

“使用数字设备，可以设计整个肌营养不良蛋白基因的RNA，然后在几小时内筛查整个基因序列。可筛查父母，甚至新生儿是否存在肌营养不良蛋白基因突变。如果发现突变，在疾病真正发展之前，可尽早开始治疗。”Conboy说道。

Murthy说，由于存在譬如基因突变会使一些患者对昂贵的血液稀释剂（如Plavix）没有反应，所以快速基因检测也可以用来帮助医生为患者制定个性化的治疗方案。

“如果你有某些突变或某种DNA序列，那将非常准确地预测你对某些药物的反应，”Murthy说。

Aran说：“因为CRISPR-Chip可用于检测CRISPR是否与特定DNA序列结合，所以它也可以用于检测基于CRISPR的基因编辑技术的有效性。例如，它可用于验证指导RNA的序列设计是否正确。”

“将现代纳米电子学与现代生物学相结合，为获取以前无法获得的新生物信息打开了新的大门，” Aran补充道。