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生物化学:CRISPR技术的新突破
2020-04-09

在经典电视喜剧《我爱露西》(I Love Lucy)的经典情节中,我们看到露西尔·鲍尔(Lucille Ball)进入糖果厂的流水线工作。当传送带的速度超出了她包裹糖果的能力时,狂热就发挥出了她的最大能力。她把糖果塞进口袋,帽子,嘴里,这是工作的失败。

这是特拉华大学的两位研究人员在为期两年的合作中所做的,目的是改进一种与众不同的流水线工艺,这可能有助于生产药品和生物燃料。

戈尔化学工程学教授威尔弗雷德·陈(Wilfred Chen)和化学与生物化学系的博士生艾米莉·伯克曼(Emily Berckman)已在皇家化学会的期刊《化学通讯》中发表了他们的新方法。

这项合作由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)赞助的化学生物学接口计划(Chemistry Biology Interface Program)加速进行,旨在帮助博士生从化学和生物科学中寻找概念和方法。资金也来自美国国家科学基金会。

他们工作的目的是设计一种在细胞中产生某些生化反应的更有效方法,特别是酶协同作用以促进细胞中这些变化的方式。

要理解这一点,可以想象一个接力队在田径比赛中,一个接一个的队员接连前进,将接力棒传递到下一个终点线。酶在细胞内以这种方式进行某些工作,充当催化剂来加速反应并将新产物传递给下一个酶。在这种情况下,“指挥棒”是这些反应的产物,在每次切换之间都会变化。因此,1号酶修饰了指挥棒,并将其交给了2号酶,后者修饰了警棍并将其交给了3号酶,依此类推,直到获得所需的产物。

“想象一下您想将产品传递给下一个人,” Chen说。“但是你们相距太远,很难传递下去。如果缩短不同合作伙伴之间的距离,则可以提高效率和准确性,并减少竞争。”

在自然界中,酶通常成群聚集在一起,以更紧密的方式完成这项协同工作,使用基于蛋白质的支架作为它们的聚集场所,并以此方式产生“级联”的生化反应。

Chen和Berckman发现了一种改进的方法,该方法使用革命性的新遗传技术CRISPR / Cas9来控制这些支架的构建和放置以及它们产生的反应级联。

CRISPR是首字母缩写词(聚类的,规则间隔的回文重复),描述了某些细菌细胞的免疫系统中使用的DNA序列。当细菌细胞受到病毒的攻击时,它会切除一部分病毒的DNA并将其存储起来,并利用该信息在下次攻击时识别并摧毁攻击者。

该过程包括一种称为Cas9的蛋白质,该蛋白质将自身结合至目标DNA片段,并在该位置切割该蛋白质。遗传学家现在可以使用该过程来编辑遗传密码,以消除引起疾病或其他功能障碍的突变。

Chen和Berckman并未使用CRISPR编辑遗传密码。他们使用的是Cas9的改进形式,称为dCas9,它不具有类似剪刀的能力,但可以充当“超级粘合剂”。它对任何靶向的DNA序列都具有快速吸附能力,并可以精确放置这些酶支架及其反应级联。

以RNA为指导的这项技术可以增加融合点的数量,并提供一种称为“ toehold gRNA”的必要解锁机制,从而提高了准确性,效率和可预测性。

伯克曼说:“我们已经建立了一条更准确的装配线。” “我们可以将其打开,现在我们必须能够将其关闭。然后,最终,您可以将其应用于尽可能多的途径,包括药物,生物燃料,癌症治疗。”