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诺奖得主讲述基因编辑的狂喜与忧虑

来源:中国科学报2021-02-18 09:20

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  2012年6月8日,一个明媚的周五下午,珍妮佛·杜德娜正式向《科学》杂志提交了论文。20天后,它在线发表了。世界从此不同。

  论文表明他们找到了基因编辑中最新、也可能是最有效的工具CRISPR-Cas9(简称为CRISPR)。利用CRISPR可以插入、编辑或删除基因,人类有了控制遗传突变的能力。几乎一夜之间,一个新时代开始了:在基因工程的领域,只有想不到,没有做不到。

  杜德娜平静的实验室研究生活被打破,这位美国加州大学伯克利分校分子与细胞生物学系、化学系教授不再是一名普通的科学家,将要面对袭来的“巨浪”,是她没有意料到的。

  杜德娜面对的是什么样“巨浪”?这一切又是如何发生的?这可以从她和她的学生塞缪尔·斯滕伯格合作的一本针对普通公众的书中得到答案。

  2015年,这本书先在网上竞卖版权,当时的书名是REWRITING THE CODE OF LIFE,国内有几家出版机构竞价该书简体字版权,最终花落湖南科学技术出版社。参与购买版权的该社编辑吴炜的想法很明确,作者之一杜德娜是基因编辑领域领军人物,她现身述说这一热门话题,不容错过,何况这是第一本专门以CRISPR为主题的科普书。

  2017年,书在美国正式出版,改名为A Crack in Creation。当年,就被评为亚马逊网站科学类年度最佳书籍、《科学新闻》年度爱书、《洛杉矶时报》年度好书奖决选书单入围。

  这本书简体字版书名为《破天机:基因编辑的惊人力量》,分为两部分,上篇是《工具》,下篇是《任务》,上篇讲述的是CRISPR技术背后的故事,下篇探索了CRISPR现在和未来在动物、植物、人类中的各种运用,讨论了随之而来的机遇和挑战。

  一块重要的拼图

  虽然写这本书时,距离杜德娜获得2020年诺贝尔化学奖还有几年时间,但杜德娜的工作已得到极大的认可,2013年那年,她已成为《自然》《科学》杂志头条的“常客”。

  本书的写作方式较为特别,采用的是第一人称,以杜德娜的视角来叙述,虽非杜德娜的自传,但读者可以分享她独特的经历,包括她学习时的背景、所处的时代、研究经历;基因编辑领域的快速发展后,带给她的惊喜、焦虑、思考、责任及观点的变化,这些内容和上、下篇所讲述的有机地结合起来。

  杜德娜所处的一个什么时代呢?在她进入研究领域之前,几十年来,生命科学领域的研究在不断的突破中。

  沃森和克里克发现了双螺旋结构,科学家完成了人类基因组的草图,基因治疗竞赛开始,基因打靶得到广运用,基因编辑实验取得突破,第一代基因编辑技术在2009年出现,等等。

  杜德娜被这些科学进展深深吸引。20世纪90年代初,她做博士后研究时,也是研究生涯的开始之初,就和实验室伙伴讨论编辑有缺陷RNA的源头的可能性。

  “本书的目的并不是为基因编辑早期发展提供一份翔实的历史记录。”在这本书里可以看到与杜德娜工作最相关的研究进展,了解到他们的工作是如何与其他人的研究衔接起来的。

  2006年,杜德娜的实验室开始CRISPR的研究工作,这个课题就像侦探,只不过目标相反,关注的不是病毒如何入侵宿主,而是细菌如何抵御病毒。他们尤其感兴趣的是那些与CRISPR相关的基因,或者说,是他们认为参与了抵御病毒的细菌基因。

  CRISPR研究引起更多人的注意,2008年,第一次CRISPR会议在美国加州伯克利分校举行。而且几年功夫“这个领域就从松散、有趣,但缺乏确凿证据的初始阶段,发展出了一套关于细菌适应性免疫系统工作机制理论。”

  杜德娜他们也受到相关公司以及大学各路同人的激励,不断地、一点点地突破。在一次次构思、实验中,他们终于找到并验证了这种“了不起的分子机器”,即Cas9,它能以极高的精确度切开病毒的DNA,以及其他细胞里的DNA,包括人类细胞。这就意味着他们找到了改写生命密码的方法。

  “随着时间流逝,我逐渐意识到,自己是一个更大的科学共同体的一部分,我们每一个人,都在自己的道路上探索着大自然的真相。每前进一小步,感觉好像又找到了一小块拼图,而这些都是一个更大的拼图游戏的一部分。我们每一个人的工作都依赖于前人的工作,它们相互关联,拼出更大的图章。”

  无疑,杜德娜他们找到的是一块重要的拼图。

  CRISPR找到了她,她就找到了它

  “我永远不会忘记第一次听说CRISPR这个术语的时刻。”2006年的一天,杜德娜接到吉莉安·班菲尔德教授的电话。

  吉莉安也是一位卓有成就的女科学家,在伯克利分校另一个系任教,她向杜德娜详细介绍了CRISPR的研究,杜德娜才明白“规律间隔成簇短回文重复序列”的意思,这些信息让她“有微微触电的感觉”。两个实验室的合作表明,要阐明CRISPR工作机制,该生物化学家出场了。

  与CRISPR相关的另一个故事是一次“偶遇”。

  2011年,杜德娜在波多黎各参加美国微生物学会年会时,认识了法国女科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶——她们共同获得2020年诺贝尔化学奖。两位女科学家在圣胡安老城闲逛,交流心得、评论报告,自然也谈起了各自的科学研究。在一条巷子的尽头,埃马纽埃尔提出合作,共同来阐明神秘的Csn1——后来改名为Cas9蛋白质的功能。

  这是一次要被记录史册的合作。

  正好CRISPR找到她,她就做到了。本书译者傅贺这句看似玩笑的话,却是一语中的。

  有人认为,天赋、后天环境、个人努力是成功的三要素。而杜德娜的经历似乎与此一一对应。

  杜德娜1966年出生,父亲是大学教授,有较好的家庭环境,受到了良好的教育。大约在12岁时,她读了吉姆·沃森的《双螺旋》,“我第一次感到命运会把我送到相似的路上。”

  1982年,她刚上大学,参与了平生第一次的实验——到生物系一位教授的实验室里,和其他学生一块探索一株真菌如何感染了木瓜。他们居然还揭示出了真菌的一个重要特征,“我第一次感受到科学发现的狂喜”,亲身经历后,她的求知欲更强烈了。

  尽管杜德娜和天赋和努力都足够,但从杜德娜的成长经历来看,和这个年代的其他科研人员一样,按部就班地从大学本科到博士,在实验室里做研究,关心领域的发展,思考自己有兴趣的项目,然后踏实地工作,取得或多或少的成果。

  不过,现在美国佐治亚大学做研究的傅贺提醒道,杜德娜能有这样的成就,和她一直在科研的最前沿有关。她的求学经历堪称显赫,比如她在哈佛读了博士,导师是诺奖获得者杰克·绍斯塔克教授;在科罗拉多大学的博士后导师汤姆·切克也是诺奖得主。成立自己的实验室之后,她逐渐成为世界知名的RNA结构专家。由此可见,她的起点不低,从开始就有得天独厚的科研环境和实力。

  科学家与公众的共同责任

  本书简体字主书名为“破天机”,这个有点文艺、像是武侠小说的名字,比起中国台湾繁体字版的主书名“基因编辑大革命”更能表现出这项工作的影响力。事实上,英文书名A Crack in Creation中creation一词有“创世”的意思,如果直译的话,大概可以说是“创世中的一道裂缝”。傅贺作为译者,他想到,虽然中文没有相对应“创世”的概念,但中国人敬畏“天”,生命世界里的演化规律可以说就是“天机”。现在,人类误打误撞发现了基因编辑的利器,也就表示有能力直接干预基因的演化了,于是,就仿佛“勘破了天机”,书名顺势而出。

  在这篇打破“天机”的论文发表后的一年,科学界刮起了CRISPR旋风,世界各地的研究人员将此派上用场。杜德娜感觉自己“仿佛在伯克利一觉睡去,醒来发现身处火星。”而CRISPR一词从学术会议的学者都听得一头雾水的状况,变成家喻户晓的“热词”。

  虽然身处热潮中,但杜德娜保持着冷静,思考并质疑着。

  2014年的一天,本书的另一位作者塞缪尔收到一封陌生邮件,是一位创业者,约他见面谈商业计划,还希望他加盟他们公司做科学顾问。原来这家公司是为人提供健康的“CRISPR定制婴儿”。

  这“大胆”的设想让塞缪尔不寒而栗。他和杜德娜都意识到,CRISPR应用于编辑人类的基因组,是早晚的事。杜德娜为此忧心忡忡,甚至寝食难安。

  杜德娜走出实验室,她认为作为科学家,自己不能置身事外,她积极参与到讨论中。而本书差不多用了一半的篇幅去探讨科学家以及科研人员如何面对这项科研发展,需要考虑什么,应该有什么底线等等。

  杜德娜想到了原子弹之父、之前也是伯克利分校物理系教授奥本海默的呼吁,她回顾了重组DNA技术的发展历史,诺贝尔奖得主、化学家保罗·博格的谨慎态度和策略,以及“博格来信”对相关科学研究提出的三项建议。

  2015年1月,杜德娜和科学同人组织召开了生物伦理论坛,有17位与会人员,许多重量级科学家到场,包括博格,以及诺贝尔奖得主大卫·巴尔的摩,这次会议形成的文章在《科学》杂志在线发表了。

  随后不久,杜德娜开始筹备关于人类基因编辑的首次国际会议。高峰论坛2015年12月举行,美国、中国和英国及其他来自世界各地的科学家——最前沿的基因编辑研究者——参与了会议的讨论。在这些对话中,有一个主题反复出现,那就是:科学家该如何使用这项新发现的技术。“我们目前还没有找到答案,但是,我们正一点点地接近它。”

  杜德娜本人对不同立场的学者的思路有了更深的理解,让她进一步细化了对生殖细胞系编辑议题的理解。

  但是杜德娜的初心和梦想从没有改变,“有一天,基因编辑可以帮助治愈人类的疾病”。

  对公众来说,需要更多的了解基因编辑知识,辩证分析不同的观点,傅贺认为,本书能让读者对怎么理解、全面看待基因编辑有帮助。

  这也是本书写作的一个重要目的,杜德娜在书的最后说,“CRISPR的故事提醒我们,技术突破往往来自意想不到的地方,因此,重要的是让我们对自然的好奇心引领我们前进。但是,CRISPR的故事也提醒我们,科学家和公众需要一道为科学的前进和科学结果负责……每一次我们揭开大自然奥秘的一角,它就代表着一个实验的结束,以及更多实验的开始。”(温新红)

[ 责编:赵清建 ]
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