基因編輯結(jié)合石墨烯晶體管,可在幾分鐘內(nèi)檢測基因突變

據(jù)報道，加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）和克萊蒙特學(xué)院聯(lián)盟（The Claremont Colleges）凱特應(yīng)用生命科學(xué)研究生院（Keck Graduate Institue，簡稱KGI）的工程師團(tuán)隊(duì)將CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats，基因編輯技術(shù)）與石墨烯制成的電子晶體管結(jié)合，研發(fā)出一種可在幾分鐘內(nèi)檢測特定基因突變的新型手持設(shè)備。

這款設(shè)備被稱為CRISPR-Chip，可用于快速診斷遺傳疾病或評估基因編輯技術(shù)的準(zhǔn)確性。該團(tuán)隊(duì)使用此設(shè)備檢測來自杜氏肌營養(yǎng)不良癥（Duchenne Muscular Dystrophy，簡稱DMD）患者DNA（脫氧核糖核酸）樣本中的基因突變。

“我們開發(fā)了第一個利用CRISPR搜索基因組潛在突變的晶體管，”KGI的助理教授Kiana Aran說道，她是加州大學(xué)伯克利分校生物工程學(xué)教授Irina Conboy實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者，“你只需將純化的DNA樣品放在芯片上，讓CRISPR進(jìn)行‘搜索’，石墨烯晶體管可以在幾分鐘內(nèi)報告搜索結(jié)果?！?/p>

Nature Biomedical Engineering雜志3月25日在線上發(fā)表了一篇論述該設(shè)備的論文，Aran是該篇論文的主要作者。

醫(yī)生和遺傳學(xué)家現(xiàn)在可以對DNA進(jìn)行測序，以確定在潛在特征和條件下的基因突變。甚至像23andMe和AncestryDNA這類的公司都可以向好奇的消費(fèi)者提供這類檢測。

但與大多數(shù)形式的基因檢測不同，包括最近開發(fā)的基于CRISPR的診斷技術(shù)，CRISPR-Chip使用納米電子技術(shù)來檢測DNA樣本中的基因突變，無需通過被稱作聚合酶鏈反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction，簡稱PCR）的設(shè)備密集型耗時過程， 首次“擴(kuò)增”或數(shù)百萬次地復(fù)制目標(biāo)DNA片段。這意味著該設(shè)備可直接在醫(yī)生辦公室或其他工作現(xiàn)場進(jìn)行基因檢測，而無需將樣品送到實(shí)驗(yàn)室。

加州大學(xué)伯克利分校生物工程學(xué)教授、論文合著者Niren Murthy表示：“CRISPR-Chip確實(shí)值得關(guān)注，如果獲取了好的DNA樣本，通過這項(xiàng)技術(shù)可直接進(jìn)行DNA的臨床檢測。最終，只需獲取一個人的細(xì)胞，提取DNA樣本并將其與CRISPR-Chip結(jié)合，就可以知道某個DNA序列是否存在。這可能會實(shí)現(xiàn)真正的即時DNA檢測?！?/p>

繞過瓶頸

CRISPR-Cas9系統(tǒng)以其能夠像鋒利的剪刀般，在精準(zhǔn)的位置剪切DNA片段而聞名，為研究人員提供了前所未有的基因編輯技術(shù)。 但對于Cas9蛋白，為了準(zhǔn)確地切割和粘貼基因，它首先必須找到DNA中的精確切點(diǎn)。

為了讓Cas9找到基因組上的特定位置，科學(xué)家必須首先為它配備一段“指導(dǎo)RNA（核糖核酸）”，這一小段RNA，其堿基與目標(biāo)DNA序列互補(bǔ)。龐大的蛋白質(zhì)首先解開雙鏈DNA并掃描直至找到與指導(dǎo)RNA相匹配的序列，隨后將其鎖定。

為了發(fā)揮CRISPR的基因靶向性，研究人員采用失活的Cas9蛋白，這是一種可以在DNA上找到特定位置的Cas9變體，但不對其進(jìn)行切割，而是將其連接到由石墨烯制成的晶體管上。當(dāng)CRISPR復(fù)合物在其靶向的DNA上找到靶點(diǎn)時，兩者結(jié)合并觸發(fā)石墨烯的電導(dǎo)率發(fā)生變化，這相應(yīng)地改變了晶體管的電特性。而這些變化可通過團(tuán)隊(duì)的工業(yè)界合作伙伴開發(fā)的手持設(shè)備進(jìn)行檢測。

石墨烯由單層碳原子構(gòu)成，具有電敏感性，無需通過PCR擴(kuò)增即可檢測到全基因組樣品中的“目標(biāo)”序列。

“石墨烯的超靈敏度使我們能夠檢測到CRISPR的DNA搜索活動，”Aran說，“CRISPR帶來了選擇性，結(jié)合石墨烯晶體管的靈敏度，使我們能夠?qū)崿F(xiàn)無須通過PCR或無需擴(kuò)增的檢測?！?/p>

Aran希望能夠很快實(shí)現(xiàn)該裝置的“復(fù)用”技術(shù)，這樣可以讓醫(yī)生同時引入多個指導(dǎo)RNA，以便在幾分鐘內(nèi)檢測出不同的基因突變。

“想象一下有一個包含大量搜索框的頁面，在我們的設(shè)備中是晶體管，你可以在這些搜索框內(nèi)找到指導(dǎo)RNA的信息，每個晶體管以電子方式搜索并報告搜索結(jié)果，”Aran說。

快速診斷

為了證明CRISPR-Chip的靈敏度，該團(tuán)隊(duì)使用該裝置檢測來自DMD患者血液樣本中兩種常見的基因突變。

該論文的另一位合著者Conboy表示，CRISPR-Chip可能成為特別有效的DMD篩查設(shè)備，因?yàn)閲?yán)重的肌肉萎縮疾病可能是由于大規(guī)模肌營養(yǎng)不良蛋白基因突變引起的，這是人類基因組中最長的一組基因，若使用基于PCR的技術(shù)檢測其基因突變不僅昂貴且耗時。

“現(xiàn)在作為一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，患有DMD的男孩通常還不會接受篩查，直到我們發(fā)現(xiàn)問題，才會進(jìn)行基因確認(rèn)，”Conboy稱，他也在開發(fā)基于CRISPR的DMD治療方法。

“使用數(shù)字設(shè)備，可以設(shè)計整個肌營養(yǎng)不良蛋白基因的RNA，然后在幾小時內(nèi)篩查整個基因序列?？珊Y查父母，甚至新生兒是否存在肌營養(yǎng)不良蛋白基因突變。如果發(fā)現(xiàn)突變，在疾病真正發(fā)展之前，可盡早開始治療。”Conboy說道。

Murthy說，由于存在譬如基因突變會使一些患者對昂貴的血液稀釋劑（如Plavix）沒有反應(yīng)，所以快速基因檢測也可以用來幫助醫(yī)生為患者制定個性化的治療方案。

“如果你有某些突變或某種DNA序列，那將非常準(zhǔn)確地預(yù)測你對某些藥物的反應(yīng)，”Murthy說。

Aran說：“因?yàn)镃RISPR-Chip可用于檢測CRISPR是否與特定DNA序列結(jié)合，所以它也可以用于檢測基于CRISPR的基因編輯技術(shù)的有效性。例如，它可用于驗(yàn)證指導(dǎo)RNA的序列設(shè)計是否正確?！?/p>

“將現(xiàn)代納米電子學(xué)與現(xiàn)代生物學(xué)相結(jié)合，為獲取以前無法獲得的新生物信息打開了新的大門，” Aran補(bǔ)充道。