矽谷「黑科技」：指導老師是細菌，開啟基因編輯技術大門的「CRISPR」

文：時珍

發現基因編輯工具！指導老師是細菌

是什麼樣的生物新黑科技，開啟了基因編輯技術時代的大門？是什麼發現讓科學家與好萊塢明星同臺，獲得矽谷億萬富翁贊助的「豪華版諾貝爾獎」？又是怎樣的事件觸發全球科學家及社會輿論，對生物技術安全和倫理進行大討論？

以上這些問題的答案，都是一個長到連生物學家都記不住的名字：成簇規律間隔短回文重複序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）。大家都乾脆親切稱呼由它的英文首字母組合成的新詞——CRISPR。CRISPR作為一種最新也最受矚目的基因編輯技術，為人類遺傳病的治療帶來了新的希望，而對CRISPR安全性的考量及對倫理上的挑戰，也同樣是它成為萬人關注焦點的重要原因。

CRISPR的故事要從它誕生那一刻講起：在1990年代，科學家就發現一小段很奇特的細菌DNA序列。這一段看起來無厘頭的序列，成為長達兩個世紀的不解之謎，最終居然與乳品業的科學家，為了提高優格發酵菌的抗性所做的研究不期而遇。科學家透過研究CRISPR，意外發現它是細菌的「獨門神功」，小小的細菌竟然也有一套免疫系統；而就在科學家不斷深入了解它的同時，生物技術科學家也獲得了編輯基因組的新「殺手鐧」⋯⋯那麼，到底什麼是CRISPR？且讓我從頭說起它的前世今生。

CRISPR：細菌的獨門神功

雖然有些討厭的細菌會讓人生病，但實際上絕大多數細菌都與人「和平共處」。另外，很多種細菌還是人類的朋友，它們被應用於發酵工作，幫助人類生產食品、藥物以及清潔能源。

細菌也會生病，它的敵人主要是被稱為「噬菌體」的病毒。噬菌體寄宿在細菌內後，會啟動一套「駭客」程式，盜用細菌體的材料和能量，來生產和包裝數以萬計的病毒。隨著這些新病毒的釋放，一個細菌體便化為烏有。這對主要依賴細菌進行發酵的乳品業（例如優格和乳酪工業），是個麻煩的問題。

為了幫助細菌有效抵抗噬菌體，科學家進行了很多研究。他們發現了有趣的現象：在細菌與噬菌體的戰役中，雖然噬菌體通常大獲全勝，但細菌並沒有全軍覆沒。

更重要的是，這些頑強存活下來的極少數細菌，再次遇到同種的噬菌體時，能非常有效抵抗噬菌體的攻擊。這些存活下來的細菌究竟有什麼「過人之處」，能戰勝噬菌體？正是這個問題促使生物學家不斷研究。2007年，這個問題終於有了答案。

答案的線索可以追溯到1987年，日本科學家在幾種細菌的基因組中，發現很奇特的一段重複序列。每個重複的單元是一小段序列，接著一段它的反向序列（生物學上稱為「回文」），再接著一小段看上去很隨機的序列（科學家稱為「間隔序列」）。這樣的單元可以重複許多次，連成一串排在細菌的基因組裡（Ishino et al. 1987）。

因為實在令人費解，這篇論文當時並沒有在科學界引起重視。在接下來約20年中，隨著基因組測序的普及，科學家不斷在多種細菌和古生菌的基因組中，都發現這個奇特的重複序列。這讓科學家更好奇，這奇特的重複序列也獲得了自己的學術大名——成簇規律間隔短回文重複序列（Jansen et al. 2002）。因為又拗口又難記，科學界都只稱呼它的英文首字母的組合——CRISPR。

幾位西班牙科學家，收集了來自於幾十種不同細菌基因組中，其上千段CRIPSR的「間隔序列」，在一個包含當時所有已知基因組的資訊庫裡進行序列比對，找尋還有哪些生物可能具有類似的序列。

結果，許多「間隔序列」居然和一些噬菌體基因組序列高度一致（Bolotin et al. 2005, Mojica et al. 2005, Pourcel et al. 2005）。細菌用一種奇特的方式，小心翼翼收藏著敵方的資訊。莫非，這些資訊是用來對付噬菌體的？

為了證明這個猜想，來自於丹麥Danisco生物製品公司（現被杜邦公司收購）的科學家，進行了一組嚴格控制的實驗。科學家選擇用於乳品發酵的嗜熱鏈球菌作為研究對象，篩選出在噬菌體寄宿後，產生抵抗性的菌株，與噬菌體寄宿前，不具備抵抗性的菌株進行比對。

結果發現，在產生抵抗性的菌株的CRISPR位點上，插入了一個新的重複單元。而這個單元的間隔序列，恰好與噬菌體完全匹配。而當他們把這一個序列單元，從有抗性的細菌基因組移除後，發現這些細菌就不再對同種噬菌體有抗性。

最直接、最震撼的證據是，當他們把這個序列單元，插入到一個本來不具有抗性的細菌CRISPR位點後，這個改造過的細菌，居然就能頑強抵抗這種噬菌體。2007年的那個春天，這篇論文發表在最頂尖的《科學》雜誌上（Barrangou et al. 2007），就此打開了生物科學界一扇新的大門。

這個發現，為科學家帶來更多的疑問：最重要的問題包括，細菌到底是怎麼利用噬菌體的這一小段DNA序列，扭轉戰局、轉敗為勝？

CRISPR的神奇搭檔：「搜尋引擎」和「剪刀手」

雖然在不同種細菌裡，具體機制有所差別，但最基本的原理，都一致而且簡單：細菌透過這一小段序列，就能準確定位噬菌體相對應的序列，然後喀嚓一刀把噬菌體的DNA鏈剪斷。被剪斷基因組DNA鏈的噬菌體，就像被敵方拔掉了大旗，再也無心進攻。