基因工程时代始于 20 世纪 70 年代，当时保罗·伯格将细菌病毒的 DNA 剪接到猴病毒中，赫伯特·W·博耶和斯坦利·N·科恩创造了转基因生物，其中引入的基因在后代中保持活性。到 20 世纪 70 年代后期，博耶的公司 Genentech 正在大量生产糖尿病患者使用的胰岛素，使用经过改造的大肠杆菌来包含合成人类基因。在全国各地的实验室中，研究人员正在使用转基因小鼠来研究疾病。
这些成就改变了医学的进程。但早期的方法有两个很大的局限性：它们不够精确且难以规模化。研究人员在 20 世纪 90 年代克服了第一个限制，他们设计出可以剪断 DNA 特定位置的蛋白质，这比随机将 DNA 插入细胞并寄希望于有用的突变有了很大的改进。然而，他们仍然必须为他们想要靶向的每个 DNA 序列设计一种新的定制蛋白质——这是一项缓慢而艰苦的工作。
然后，在两年前，瑞典于默奥大学 Emmanuelle Charpentier 实验室和加州大学伯克利分校 Jennifer Doudna 实验室的一个小型研究团队报告说，他们在细胞中发现了一种遗传机制，使科学家能够以前所未有的速度和简易度编辑基因组。此后不久，哈佛大学和麻省理工学院的一个科学家团队表明，该技术可以用于一次性、非常精确地对细胞基因组进行多次更改。
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这项进步已经以几乎肯定会对遗传学和医学领域产生深远而有益的影响的方式加速了基因改造产业。科学家现在可以在几周内设计定制的转基因实验动物——节省大约一年的工作量。研究人员正在使用该技术探索治疗多种疾病的方法，如艾滋病毒、阿尔茨海默病和精神分裂症。然而，该技术使基因改造变得如此容易和廉价，以至于一些伦理学家正在预测可能的负面后果。
该技术被称为 CRISPR，以clustered（成簇）、regularly interspaced（有规律间隔的）、short（短）、palindromic（回文）repeats（重复序列）的首字母缩写命名——细菌用来记住攻击过它们的病毒的遗传“档案照片”。自 20 世纪 80 年代后期日本研究人员发现这些奇特的遗传序列以来，科学家们一直在研究它们。但直到 Doudna 和 Charpentier 的团队弄清楚如何使用一种名为 Cas9 的蛋白质后，CRISPR 作为基因编辑工具的前景才变得清晰起来。
RNA 的力量
Doudna 和 Charpentier 于 2011 年在波多黎各圣胡安的一个科学会议上相遇。他们有很多共同点。两人都管理着研究细菌如何防御病毒的研究小组。两人都做了工作，证实细菌通过使用过去入侵者 DNA 的“记忆”来识别攻击病毒，以便在敌人再次出现时识别它们。
会议结束后不久，Charpentier 和 Doudna 决定联手。Charpentier 在于默奥的实验室正在收集线索，表明链球菌属细菌使用一种单一蛋白质 Cas9 作为一种剑，来切碎突破其细胞壁的病毒。Doudna 让她在伯克利的实验室负责弄清楚 Cas9 的工作原理。
由于许多科学发现都离不开的命运的巧合，结果发现 Charpentier 团队的研究员 Krzysztof Chylinski 和当时在 Doudna 团队的 Martin Jinek 在邻近城镇长大，并且说同一种波兰方言。“他们开始通过 Skype 交谈，一拍即合，并开始分享数据和讨论实验的想法，”Doudna 说。“这个项目真的从那里起飞了。”
两个实验室的科学家都意识到 Cas9 可能对基因组编辑有用，基因组编辑是一种使用酶作为分子修剪剪刀的基因工程类型。这些酶被称为核酸酶，在双链 DNA 螺旋的特定位点产生断裂；然后细胞修复断裂，有时会掺入科学家放入细胞核的新遗传物质。当 Doudna 和 Charpentier 开始合作时，可用于禁用或改变基因的最先进方法是定制一种酶，它可以找到并切割所需的 DNA 靶标。换句话说，对于每次基因改造，科学家都必须定制一种针对正确 DNA 序列的新蛋白质。
但 Doudna 和 Charpentier 意识到，链球菌属细菌在其免疫防御中使用的酶 Cas9 使用 RNA 来引导它到达 DNA 靶标。在寻找靶标时，Cas9-RNA 复合物会看似随机地从 DNA 上弹开，直到找到有希望的位点。事实证明，这种弹跳是 Cas9 酶在每次搜索相同的短“信号”DNA 序列；Cas9 会附着到该序列上，撬开相邻 DNA 的双螺旋结构，并查看它是否与 RNA 指南匹配。只有当 RNA 与 DNA 分子匹配时，Cas9 才会进行切割。如果可以利用这种天然的 RNA 引导系统，研究人员就不必构建一种新的酶来触及基因组上的每个靶标。编辑可能会变得更简单、更便宜、更高效。
在共同研究 Cas9 几个月后，这个跨大西洋团队取得了突破。Doudna 生动地回忆起那一刻：当时还是博士后研究员的 Jinek 一直在实验室对 Cas9 进行测试，该实验室位于伯克利校园边缘绿树成荫的山坡上的希腊剧院对面。有一天，他出现在 Doudna 的办公室讨论结果，他们思考着他一直在与 Chylinski 讨论的事情：在自然界中——在链球菌属细菌中——Cas9 使用的不是一个而是两个 RNA 指南来靶向入侵者 DNA 双螺旋结构中的正确位置。如果他们可以将这两个指南简化为单个人工生产的 RNA 链，而又不损害其作为指南的有效性，会怎么样？只需修改一个 RNA 序列，工程设计可能会大大加快。与旧的定制酶的结合剂及其复杂的编码方案相比，RNA 指南将更容易构建。
“那是你看到数据，然后灵光一现的时刻之一，”Doudna 说。“我们意识到我们可以将这些 RNA 分子设计成一个单一的指南。一种单一的蛋白质和一个单一的指南将是一个强大的工具。我感到脊背发凉，意识到，‘哦，我的天哪，跑起来，别走，去实验室。如果这行得通……’”
它确实奏效了，其影响是 Doudna 即使在她所有的兴奋中也无法想象的。当 Doudna 和 Charpentier 于 2012 年 8 月 17 日发表了他们的 CRISPR-Cas9 研究结果时，该领域的科学家立即认识到其变革潜力——一场全球性的竞赛开始了，以测试其应用。
商业化热潮
到去年，研究人员已经让 CRISPR-Cas9 在植物和动物的细胞中工作，这些植物和动物比细菌复杂得多，他们还在推测一些奇特的用途，例如复活尼安德特人和猛犸象。在哈佛大学，由遗传学家乔治·丘奇领导的团队使用 CRISPR 改变了人类细胞中的基因，开辟了一个全新的治疗可能性世界。
毫不奇怪，资金很快开始涌入 CRISPR-Cas9 工作。一年多前，Doudna 与丘奇、麻省理工学院的张锋和其他研究人员合作成立了 Editas Medicine，拥有 4300 万美元的风险投资，目标是开发一种基于 CRISPR 的新型药物。（该公司尚未透露将首先针对哪些疾病。）4 月，CRISPR Therapeutics 在巴塞尔和伦敦成立，投资 2500 万美元，目标相似。CRISPR Therapeutics 和 Editas Medicine 等公司的疗法仍需数年才能问世。但实验室供应公司已经在向世界各地的客户运送即用型 CRISPR 和定制的 CRISPR 改造小鼠、大鼠和兔子。
去年夏天的一个闷热的日子里，我参观了圣路易斯的 SAGE Labs，这是第一家获得 Doudna CRISPR 技术许可用于改造啮齿动物的公司，以便亲眼看看 CRISPR 的工作原理。SAGE 向约 20 家顶级制药公司以及许多大学、生物技术研究所和基金会发货。（总部位于英国剑桥的生物技术公司 Horizon Discovery Group 已经大举进军 CRISPR 生产，于 9 月以 4800 万美元收购了 SAGE。）在 SAGE，一组位于工业园区尽头死胡同的低矮办公楼里，科学家们收到来自加利福尼亚州萨克拉门托市的一个实验室的在线订单，订购 20 只用于研究帕金森病的Pink1敲除大鼠。在一栋价值 200 万美元的新翼楼里，经过这种改造以及其他 CRISPR 改造的啮齿动物生活在超净、气候受控的笼子里，这些笼子整齐地从地板堆叠到天花板。填写订单就像选择 20 只合适的大鼠，轻轻地将它们装入盒子，然后空运到加利福尼亚一样容易。为研究从精神分裂症到疼痛控制等疾病而准备好的动物也是如此。
但是，如果客户需要没有库存的大鼠或小鼠，则过程会有所不同。想要研究帕金森病与新发现的可疑基因（甚至是基因内的特定突变）之间联系的 SAGE 客户有几种选择。SAGE 科学家可以使用 CRISPR 关闭目标基因、引入突变，或者关闭基因并在其位置插入人类基因。从帕金森病到囊性纤维化再到艾滋病，许多疾病都受到多种遗传变异的影响，过去需要长达一年的时间才能在动物身上产生研究此类疾病所需的复杂、连续的突变。与以前的基因组编辑技术不同，CRISPR 允许研究人员快速且同时对细胞进行多重基因改变，从而将生产改造动物所需的时间缩短至几周。
SAGE 员工首先使用化学试剂盒制作定制 DNA——以及与 DNA 匹配的 RNA。在培养皿中，他们将 RNA 和 Cas9 混合，它们结合成一种具有基因编辑能力的化学物质：CRISPR 工具。然后，他们花费大约一周的时间在动物细胞上测试该工具，使用看起来像台式扫描仪的东西来运行电流，将 CRISPR 电击到细胞中。CRISPR 开始工作，切割 DNA 并引起小的插入或缺失。由于 CRISPR 不是 100% 有效，它会在某些细胞中切割并产生突变，但在其他细胞中则不会。为了了解 CRISPR 的性能如何，科学家们收集细胞中的 DNA，将其汇集在一起，并复制假定突变位点周围区域的副本。在处理和分析汇集的 DNA 后，他们在计算机显示器上查看结果。切割的、突变的 DNA 显示为暗淡的条带——CRISPR 切割的 DNA 越多，该暗淡的条带就越亮。
接下来，该过程转移到动物翼，在那里科学家们使用 CRISPR 大量生产转基因胚胎并创造突变啮齿动物。在其中一个实验室里，我观看了生物学家安德鲁·布朗施展 CRISPR 的魔力。他穿着手术手套和蓝色纸质服装——长袍、鞋套和蓬松的帽子——弯腰站在解剖显微镜前，吸吮着玻璃移液器的末端以取出大鼠胚胎。然后，他将胚胎运到房间另一边的一个更大的显微镜下，显微镜两侧是机械臂，将其释放到载玻片上的液滴中，然后坐到凳子上。他用右手控制着操纵杆，将空心玻璃针头移动到胚胎壁上的位置。
通过显微镜的目镜，胚胎的两个原核，分别来自大鼠父母，看起来像月球表面的小陨石坑；布朗轻推细胞，直到一个原核旋转靠近针尖。他点击鼠标按钮，针头喷射出含有 CRISPR 的微小液滴，穿过细胞的质膜。原核像快速绽放的花朵一样膨胀。如果运气好的话，布朗创造了一个突变细胞。SAGE 的三名技术人员每周四天，每天重复这项任务多达 300 次。
当布朗完成注射他的大鼠胚胎后，他将其吸入移液器，将其放入培养皿中，并将其储存在加热到体温的橱柜中。他最终会将改造后的胚胎——以及大约 30 到 40 个其他胚胎——注射到代孕大鼠母亲体内。20 天后，大鼠将产下 5 到 20 只幼崽，当幼崽 10 天大时，SAGE 科学家将采集组织样本，以查看哪些幼崽具有改造后的基因。
“那是激动人心的部分，”布朗说。“可能有 20 个幼崽中只有 1 个具有改造。这就是我们所说的创始人动物。当我们达到那个地步时，每个人都会庆祝。”观看 SAGE 科学家制作 RNA 或注射胚胎，这一切看起来都很容易——同样的流程正在许多实验室中生产转基因动物。正如 SAGE 首席执行官戴维·斯莫勒所说，这是“大众的”基因编辑。
希望和或许一点危险
随着 CRISPR 大举进军商业用途，研究人员和企业家不断想象该技术的新应用，其中一些应用可能显得过于狂妄自大。例如，可能有可能在怀孕早期调整与唐氏综合征相关的染色体异常，或者重新引入抗性杂草对除草剂的敏感性，或者复活已经灭绝的动物物种。毫不奇怪，有些人觉得这很可怕。惊慌失措的评论员警告说，在我们匆忙摆脱世界上的疟疾蚊子、治愈亨廷顿舞蹈病或设计更好的婴儿的过程中，我们可能会创造出一个充满有害新基因的侏罗纪公园。
考虑一下使用 CRISPR 消除疟疾蚊子的想法。伍德罗·威尔逊国际学者中心位于华盛顿特区的生物安全分析师托德·库肯说，消灭疟原虫是一回事，但消灭其载体又是另一回事。库肯说，如果目标是根除疟疾——每年感染 2 亿人并导致 60 万人死亡——我们必须小心不要引起其他 10 个问题。“我们必须有机会问，‘我们真的想这样做吗？’如果答案是‘是’，我们有什么样的系统到位，我们有什么样的保障措施？”
值得称赞的是，科学家们正在迅速行动，以设想 CRISPR 技术最现实的危险并制定应对措施。7 月，当哈佛大学的一个团队发表了一篇关于 CRISPR 驱动的蚊子消除的论文时，科学家们呼吁进行公开讨论，并开始为失控的改变基因提出技术和监管方面的解决方案。“CRISPR 正在以惊人的速度发展，”该团队的生物伦理学家 Jeantine Lunshof 观察到。“很多人还没有听说过它，但人们正在使用它。这是一种新的动态。”在伯克利创新基因组学倡议中，Doudna 一直在组建一个专门讨论 CRISPR 应用的伦理影响的小组。
很难想象伦理问题会扼杀对 CRISPR 的兴奋。例如，6 月，麻省理工学院的研究人员报告说，他们通过直接通过尾巴注射 CRISPR，治愈了患有酪氨酸血症（一种由酶突变引起的罕见肝脏疾病）的成年小鼠。他们递送了三个 RNA 指南链，以及 Cas9 和突变基因的正确 DNA 序列，他们设法在小鼠肝脏中每 250 个细胞中插入了约一个正确的基因。在接下来的一个月里，健康的肝细胞茁壮成长，最终取代了三分之一的坏细胞，足以消除小鼠的疾病。8 月，天普大学病毒学家卡迈勒·哈利利和他的同事报告说，他们使用 CRISPR 从几个人类细胞系中切除了导致艾滋病的 HIV 病毒。
对于自 20 世纪 80 年代黑暗时期以来一直在艾滋病毒/艾滋病战壕中辛勤工作的哈利利来说，CRISPR 无疑是一场革命。尽管艾滋病治疗取得了巨大进步，但今天的药物只能控制病毒——它们不能根除病毒。但是通过使用 CRISPR，哈利利的团队完全切除了 HIV 的整合拷贝，将受感染的细胞转化为未感染的细胞。哈利利说，除了从受感染的细胞中消除病毒外，CRISPR 还可以保护未感染的细胞，通过掺入来自攻击病毒的序列来免疫它，正如 Doudna 和她的团队观察到原始细菌所做的那样。你可以称之为基因疫苗。“如果你在两年前问我，‘你能否精确地从人类细胞中切除 HIV？’我会说这是一个艰巨的任务。现在我们做到了，”哈利利说。“那是最终的治愈方法。”