中国科学家设计出一种用光控制基因编辑工具CRISPR-Cas9

工程师们正在生物技术最热门的商品上留下自己的印记。中国科学家发表在4月3日出版的Science Advances期刊上的文章称，他们可以用光控制基因编辑工具CRISPR-Cas9。

研究人员表示，该方法取代了传统上用于递送CRISPR基因编辑体系的病毒的使用，并使科学家可以对基因编辑工具进行时间上的控制。他们在Science Advances上发表了标题为“Near-infrared upconversion–activated CRISPR-Cas9 system: A remote-controlled gene editing platform”的文章，介绍他们的发下。

该论文的作者、南京大学现代工程与应用科学学院的宋玉君教授说，该技术具有精准靶向和杀死癌细胞的潜力。

CRISPR是成簇的规律间隔性短回文重复序列（Clustered, Regularly Interspaced, Short Palindromic Repeats）的缩写，是科学家们在微生物中发现的一种遗传现象，科学家已将其变成了DNA切割机。当与某些蛋白质（常见的是一种称为Cas9的蛋白质）结合时，这种生物复合物可以切割和粘贴DNA，改变生命的遗传密码。

将CRISPR-Cas9物理递送到细胞中通常需要将复合物连接到病毒上。病毒侵入靶细胞的细胞核，递送CRISPR剪切和粘贴机制。这种策略是有效的，但使用病毒作为递送方法可能会导致问题，比如引发癌症或免疫反应。

研究人员提出了几种替代的递送材料，包括金纳米颗粒、黑磷、金属有机骨架、氧化石墨烯和各种纳米材料。这些方法避免了病毒的一些陷阱，但仍然不能让科学家控制基因编辑的时间。

这正是他们将光引入进来的初衷。前述这篇新论文的作者使用一种光敏化合物将CRISPR-Cas9锁定在光转换纳米粒子上。然后，通过将这些纳米粒子暴露在近红外光下，科学家们触发了CRISPR-Cas9体系从纳米粒子中释放出来，并将它们按需递送给细胞。

该系统之所以智能，不仅因为CRISPR-Cas9的释放时间可以控制，还因为可以将其递送到人体内相当深层的组织中，并且可以对其进行远程控制。

该系统实现远程控制的关键是使用称为上转换纳米粒子的光转换纳米粒子作为递送材料。这些纳米粒子吸收低能近红外（NIR）辐射并将其转化为可见的紫外（UV）光。上转换纳米粒子最近已在其他生物医学应用中使用。

完成工作需要近红外光和紫外光这两种类型的光。近红外光穿透人体组织到达人体深处的纳米粒子（这是紫外光做不到的）。而紫外光能够切断光敏分子，释放CRISPR-Cas9。

论文作者在患有肿瘤的小鼠身上测试了他们的系统。他们在CRISPR-Cas9复合物中载入了一个可以阻止与癌细胞相关的蛋白质产生的遗传密码。然后他们将CRISPR-Cas9复合物锁定在上转换纳米例子上，并将其注射到小鼠肿瘤部位。

接下来，他们从小鼠体外向体内目标处照射近红外光，触发纳米粒子将其转化并发射出紫外光。紫外光分解这种光敏化合物，并释放出CRISPR-Cas9。作者在文章中说，小鼠体内的肿瘤生长减慢。

宋教授说，研究人员希望将这种工具不仅应用于癌症，还应用于帕金森病和糖尿病。“我们的团队专注于纳米医学，我们将开发用于人体疾病治疗的工具。”他说。该论文的其他主要合著者包括厦门大学生物仿生及软物质研究院的林友辉，以及南京工业大学先进材料研究院和柔性电子重点实验室的王玉珍。