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科学家做了一个逆天加法:CRISPR+石墨烯=?

首页 » 《转》译 2019-04-01 转化医学网 赞(3)
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导读
如果说CRISPR-Cas是基因工程领域的“革命性”技术,那么石墨烯就是跨越物理、化学、航天等诸多领域的“十项全能”型材料。一个是生物医学领域的当红明星,一个是材料界众望所归的“王者”。两者的结合,使得基因测序的实施从繁琐的实验室技术转向灵活高效的可移动设备。

如果说CRISPR-Cas是基因工程领域的“革命性”技术,那么石墨烯就是跨越物理、化学、航天等诸多领域的“十项全能”型材料。一个是生物医学领域的当红明星,一个是材料界众望所归的“王者”。两者的结合,使得基因测序的实施从繁琐的实验室技术转向灵活高效的可移动设备。

CRISPR-Cas是自然界中众多的精妙系统之一。它是一种原核生物为抵抗外来遗传物质如噬菌体病毒等的入侵,而进化出的免疫防御系统。它还为细菌提供了获得性免疫,当细菌遭受病毒入侵时,会产生相应的“记忆”。当病毒二次入侵时,CRISPR-Cas系统可以识别出外源DNA,并将它们切断,沉默外源基因的表达,抵抗病毒的干扰。正是CRISPR-Cas这种精确的靶向功能,使得科学家们对其表现出极大的兴趣,并将其开发为一种高效基因编辑工具,近年来在生物医学领域可谓是独树一帜。

最近,来自加州大学伯克利分校和克莱蒙特学院凯克研究所的合作团队共同开发了一种新技术,进一步证明了CRISPR-Cas技术在诊断领域的实用性。研究结果以”Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor”为题发表在《自然-生物医学工程》上。他们将CRISPR-Cas技术与石墨烯相结合,利用石墨烯的场效应以及CRISPR-Cas技术的高度精确性,创造出可以在在短时间内检测出特定基因突变的便捷生物传感器,并称其为“CRISPR-Chip” 。

如果说CRISPR-Cas是基因工程领域的“革命性”技术,那么石墨烯就是跨越物理、化学、航天等诸多领域的“十项全能”型材料。

石墨烯是一种二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性。像CRISPR-Cas系统一样,石墨烯原本就存在于自然界,只不过一般情况下,石墨烯是以多层堆积成为石墨的形式存在,而且难以剥离出其单层结构。厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)从高定向热解石墨中剥离出石墨烯。由于其各项性能良好,石墨烯被各行业争相开发利用。


石墨烯在单个原子的尺度上依然能够稳定地工作。利用其高度稳定性,安德烈和康斯坦丁还研制出了最小的晶体管,尺寸仅1个原子厚10个原子宽。另外,石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。


一个是生物医学领域的当红明星,一个是材料界众望所归的“王者”。两者的结合,使得基因测序的实施从繁琐的实验室技术转向灵活高效的可移动设备。

与大多数基因检测相比,用“CRISPR-Chip”进行基因突变检测更简便快捷,甚至可以在医生办公室或野外工作环境中进行,无需将样品送到实验室。使用时,只需将提取的DNA样品放在芯片上,通过CRISPR技术搜索,石墨烯晶体管就可以在几分钟内报告搜索结果。



在Nanosens公司发布的一段视频中,CRISPR-Chip原型在石墨烯晶体管上覆盖了数千个CRISPR-Cas分子。由于石墨烯晶体管对DNA等带电材料敏感,如果CRISPR-Cas分子未能检测到样品中的靶基因,则石墨烯晶体管不会结合DNA而将其释放。然而当CRISPR-Cas检测到可匹配的DNA序列时,目标序列的结合将在石墨烯表面上产生额外电荷,其由CRISPR-Chip感知检测,并作为电信号被读出。

文章作者之一Kiana Aran博士表示:“只需将纯化的DNA样品放在芯片上,让CRISPR进行搜索,石墨烯晶体管将会在15分钟内得出搜索结果。”



我们知道,bfp基因编码蓝色荧光蛋白,是一种用于CRISPR-CAS基因编辑验证的基因。 Aran的团队从表达bfp基因的HEK293T细胞系中提取出DNA,并使用CRISPR-Chip对其进行了检测。除此之外,他们还使用了由肌营养不良基因突变引起的假肥大型肌营养不良症(DMD)患者的临床样本。虽然肌营养不良基因突变可以在基因的所有79个外显子中发生,但最常见的缺失发生在外显子2-10和外显子45-55。该团队用两个CRISPR-Chip对已知患有DMD的男性组织基因组进行了测试,鉴定了这些常见外显子缺失中的两个(外显子3或外显子51)突变。这些测试验证了CRISPR-Chip能够在没有任何预扩增的情况下特异性地检测缺失。


Aran还表示,这项技术令人振奋。因为使用CRISPR-Chip,检测人员可以免去对DNA的大部分实验室处理。而且所需的硬件大小与大型手机相差无几。也可以在笔记本电脑上运行,将来作为移动设备上的应用程序。“当然,个体诊断测试的敏感性和特异性需要在临床试验中进行测量,我们还没有这样做。”

一项新技术的开发固然能振奋人心,但是人们更为关心的是,它到底何时能够实际为我们所用?我们静候佳音。


参考资料:

[1]Fishing for Mutations Using CRISPR-Chip

[2]http://graphene.cnpowder.com.cn/graphene(转化医学网360zhyx.com)


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