杜克大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出了一種方法，通過結(jié)合一種細(xì)菌的病毒防御系統(tǒng)及花對(duì)于陽光的反應(yīng)，只需撥動(dòng)光開關(guān)就可以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中以任何模式在任何的特異位點(diǎn)激活基因。

能夠利用光在特異的位點(diǎn)激活基因，研究人員可以更好地研究基因的功能，構(gòu)建出復(fù)雜的生長(zhǎng)組織系統(tǒng)，并有可能最終實(shí)現(xiàn)科幻小說般的治療技術(shù)。

這項(xiàng)由杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)助理教授Charles Gersbach領(lǐng)導(dǎo)的研究，發(fā)布在2月9日的《自然化學(xué)生物學(xué)》（Nature Chemical Biology）雜志上。

研究的主要作者、杜克大學(xué)博士生Lauren Polstein說：“這一技術(shù)使得科學(xué)家可以挑選出所有染色體上的任何基因，利用光線來開啟或關(guān)閉它，其有潛力改變遺傳工程能夠做到的事情。利用光線來做這件事情的優(yōu)點(diǎn)在于，通過改變光強(qiáng)度我們可以快速、輕易地控制開啟或關(guān)閉基因的時(shí)間以及基因激活的水平。我們還可以通過以特異的方式進(jìn)行光照來靶向基因開啟的位點(diǎn)，例如讓光線通過模板。”

這一新技術(shù)利用了一種叫做CRISPR/Cas9的新興遺傳工程系統(tǒng)來靶向特異基因。CRISPR/Cas9被發(fā)現(xiàn)是細(xì)菌用來鑒別病毒入侵物以及切割病毒DNA的一種系統(tǒng)，研究人員借用了它來精確地靶向特異的遺傳序列。

杜克大學(xué)的科學(xué)家隨后轉(zhuǎn)向了這一進(jìn)化樹的另一分支：使得這一系統(tǒng)能夠被光線激活。

在許多植物中，有兩種蛋白會(huì)在存在光線的情況下鎖定在一起，使得植物能夠感知日照時(shí)間決定諸如開花等生物學(xué)功能。通過讓CRISPR/Cas9系統(tǒng)連接其中的一種蛋白，并將基因激活蛋白與另一個(gè)蛋白連接，只需向細(xì)胞照射藍(lán)光，研究小組就可以開啟或關(guān)閉幾個(gè)不同的基因。

Gersbach說：“這些光敏互作蛋白獨(dú)立存在于植物中。我們要做的就是讓CRISPR和激活子與它們其中的一個(gè)相連接。這建立在我們和其他人開發(fā)的相似系統(tǒng)之上，現(xiàn)在我們利用了CRISPR來靶向特異的基因。相比于其他的技術(shù)它更容易、快速且廉價(jià)。”

Gersbach預(yù)計(jì)這一新型的光激活基因調(diào)控系統(tǒng)將具有廣泛的潛在應(yīng)用。

研究人員可以從染色體DNA中基因的自然位置嚴(yán)格、精確地控制它的活性水平，這將使得研究人員能夠更準(zhǔn)確地解讀基因的作用。這一光誘導(dǎo)系統(tǒng)還能夠更好地控制干細(xì)胞培養(yǎng)物如何分化為各種類型的組織。并且通過構(gòu)建不同的基因表達(dá)模式，Gersbach希望這一系統(tǒng)能夠被用于組織工程中。

Gersbach說：“當(dāng)前組織工程的一個(gè)局限之處在于：標(biāo)準(zhǔn)的方法可以生成一塊骨、軟骨或是肌肉，但卻并不是組織自然看起來的樣子。在組織中幾種細(xì)胞類型混合在一起，界面之間存在組織梯度，有血管和神經(jīng)穿過它們。我們想在空間上控制細(xì)胞群中不同組織生成的位置，這種方法構(gòu)建出的多組織結(jié)構(gòu)有可能可以更好地代表正常的生理狀況。”

那時(shí)對(duì)于如何應(yīng)用光誘導(dǎo)遺傳工程會(huì)有更多前瞻性的想法。

Gersbach 說：“有可能可以通過皮膚來照亮細(xì)胞，控制它們的功能，例如生長(zhǎng)出血管或是再生出組織來。沿著這條路遠(yuǎn)遠(yuǎn)地走下去，你可以想象在電影《星際迷航》（Star Trek）中看到的裝置，你用閃光燈照照傷口，它就會(huì)愈合。顯然當(dāng)前還不可能做到這一點(diǎn)，但這一能夠更好地控制生物系統(tǒng)的技術(shù)有可能推動(dòng)我們朝著這一方向前進(jìn)。”