Keck研究所與加州大學(xué)伯克利分校的研究人員將CRISPR技術(shù)的強(qiáng)大功能與石墨烯的超靈敏度結(jié)合起來，創(chuàng)造了一種可在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)出特定基因突變的新型手持設(shè)備,。

這種裝置被命名為CRISPR-Chip,，可用于快速診斷遺傳疾病或評(píng)估基因編輯技術(shù)的準(zhǔn)確性。目前這一團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用該裝置識(shí)別了來自Duchenne肌營(yíng)養(yǎng)不良癥患者的DNA樣本中的基因突變,。

這一研究成果公布在3月25日的Nature Biomedical Engineering雜志上,。文章的作者KGI助理教授Kiana Aran表示，“我們研發(fā)了第一個(gè)利用CRISPR,，搜索基因組中存在的潛在突變的新技術(shù),。你只需將純化的DNA樣品放在芯片上，讓CRISPR進(jìn)行篩查,，就可以在幾分鐘內(nèi)得到結(jié)果,。”

現(xiàn)在,，不少醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室都會(huì)對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序,，確定潛在的風(fēng)險(xiǎn)和條件基因突變,，像23andMe和AncestryDNA這樣的公司甚至可以向好奇的消費(fèi)者提供這些測(cè)試。

但CRISPR-Chip與大多數(shù)形式的基因檢測(cè)不同（包括最近開發(fā)的基于CRISPR的診斷技術(shù)）,，它采用納米電子技術(shù)來檢測(cè)DNA樣本中的基因突變,，無需“擴(kuò)增”或復(fù)制感興趣的DNA片段，也就是PCR過程,。這意味著它可以用于野外工作環(huán)境中進(jìn)行基因檢測(cè),，不用再將樣品送到實(shí)驗(yàn)室。

加州大學(xué)伯克利分校生物工程學(xué)教授Niren Murthy表示,，“CRISPR-Chip的優(yōu)勢(shì)在，這是少數(shù)幾個(gè)在床邊就能完成的檢測(cè)之一,。最終,，你只需要取一個(gè)人的細(xì)胞，提取DNA并將其與CRISPR-Chip混合,，你就可以知道某個(gè)DNA序列是否存在,。這可能會(huì)成為真正的床邊DNA檢測(cè)技術(shù)?！?/span>

繞過瓶頸

CRISPR-Cas9系統(tǒng)以其在精確位置切斷DNA的能力而聞名,，它如一把鋒利的剪刀，為研究人員提供了前所未有的基因編輯功能,。但是為了使Cas9蛋白準(zhǔn)確地切割和粘貼基因,，首先必須找到它需要切割的DNA中的確切位點(diǎn)。

為了讓Cas9找到基因組上的特定位置,，科學(xué)家必須為它配備一段“導(dǎo)向RNA”,，這是一小段RNA，其堿基與感興趣的DNA序列互補(bǔ),。蛋白質(zhì)首先要解開雙鏈DNA并掃描找到與導(dǎo)向RNA相匹配的序列,，然后鎖定。

在最新研究中,，研究人員采用了一種失活的Cas9蛋白——一種可以在DNA上找到特定位置但不會(huì)切割它的Cas9變種,，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上找到位點(diǎn)時(shí),，它會(huì)與其結(jié)合并觸發(fā)石墨烯的電導(dǎo)率發(fā)生變化,，從而改變了晶體管的電特性。

石墨烯由單個(gè)原子碳層構(gòu)成,，具有電敏感性,，可以檢測(cè)全基因組樣品中的“命中”序列，無需PCR擴(kuò)增,。

“石墨烯的超靈敏度使我們能夠檢測(cè)到CRISPR的DNA篩選活動(dòng),，”Aran說,，“CRISPR帶來了選擇性，石墨烯晶體管帶來了靈敏度,，從而我們能夠進(jìn)行無PCR或無擴(kuò)增檢測(cè),。”

快速診斷

為了證明CRISPR-Chip的靈敏度,，研究人員使用該裝置檢測(cè)了來自Duchenne肌營(yíng)養(yǎng)不良癥（DMD）患者的血液樣本中兩種常見基因突變,。

論文的共同作者Conboy表示，CRISPR-Chip可能是一種特別適用于DMD篩查的裝置,，因?yàn)閲?yán)重的肌肉萎縮疾病是由大量肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白基因的突變引起的,，這是人類基因組中最長(zhǎng)的一種突變，使用基于PCR的基因檢測(cè),，定位突變價(jià)格昂貴且耗時(shí),。

“現(xiàn)在一般患有DMD的男孩在出現(xiàn)癥狀之前通常不會(huì)接受篩查，之后再進(jìn)行基因確認(rèn),，”Conboy說,。

“使用這種設(shè)備，可以在整個(gè)肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白基因中設(shè)計(jì)導(dǎo)向RNA,，然后在幾小時(shí)內(nèi)篩選基因的整個(gè)序列,。還可以篩查父母，甚至新生兒是否存在肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白突變,。如果發(fā)現(xiàn)突變,，就能在疾病實(shí)際發(fā)展之前盡早開始治療，“Conboy說,。

Murthy說,，快速基因檢測(cè)也可以用來幫助醫(yī)生為患者制定個(gè)性化的治療計(jì)劃。例如,，遺傳變異會(huì)導(dǎo)致一些患者對(duì)昂貴的血液稀釋劑（如Plavix）無法產(chǎn)生應(yīng)答,。

“如果你有某些突變，就能非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)你對(duì)某些藥物的反應(yīng),，”Murthy說,。

最后，因?yàn)镃RISPR-Chip可以用于監(jiān)測(cè)CRISPR是否與特定DNA序列結(jié)合,，所以它也可以用于測(cè)試基于CRISPR的基因編輯技術(shù)的有效性,。例如，它可用于驗(yàn)證導(dǎo)向RNA序列的設(shè)計(jì)是否正確,。

“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開辟了新的大門”。