2020年诺贝尔化学奖得主：如果是十年前听到“基因编辑”，我绝对会认为是科幻小说
詹妮弗·A·杜德纳（Jennifer A. Doudna）今年56岁，是美国生物化学家、加州大学伯克利分校化学系和分子与细胞生物学系的讲座教授。10月7日，她在熟睡中被手机吵醒，电话那头是《自然》杂志的记者，从对方口中，她得知了自己和法国科学家埃曼纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）获得2020年诺贝尔化学奖的消息，理由是她们“开发出一种基因组编辑方法”——CRISPR/Cas9。
诺贝尔化学委员会成员、生物物理化学家Pernilla Wittung Stafshede在宣布获奖时表示：“这项技术可以在你想要的地方切割DNA，已经彻底改变了生命科学。”杜德纳说:“我从来没有想到会发生这样的事情。我真的很震惊，我完全惊呆了。”同时，她也为此感到惭愧，因为有许多了不起的科学家并未获此殊荣。
图片：诺贝尔奖官网
获奖的CRISPR工具，俗称“基因剪刀”。研究者运用这种工具，可以极其精确地改变动物、植物和微生物的DNA。这项技术对生命科学产生了革命性的影响，它是植物育种的标配工具，比如培育能抗虫害和干旱的作物。在医学上，它正在为新的癌症疗法做出贡献，并可能使治愈遗传性疾病成为现实。诺贝尔化学委员会主席Claes Gustafsson说：“它不仅彻底改变了基础科学，而且推动了新作物的诞生，未来还将会为突破性的新医学疗法指明方向。”
这一发现改变了生命科学
杜德纳和“基因剪刀”的缘分可追溯至2006年，彼时的杜德纳正在加州大学伯克利分校领导着一个研究团队，并且刚刚开始进入一个新兴领域——RNA（DNA的“分子同胞”）干扰。在研究RNA干扰领域时，杜德纳从一位微生物学家口中得知：大多数原核生物——包括许多细菌和几乎所有的古细菌——它们的基因组中都有一个奇怪的结构。它们的一部分DNA由许多短的、重复的碱基序列组成，并且还会和其它短的、可变的“间隔区”序列穿插在一起。
图说：诺贝尔奖官网
这些重复编排的DNA序列被称为“规律成簇间隔短回文重复”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats），缩写为CRISPR。CRISPR是一种微生物的“免疫系统”，细菌和古细菌利用它来防止噬菌体病毒的感染，可以对侵袭过自己的病毒产生“记忆”。具体来说，当细菌在病毒感染中幸存下来时，它会把病毒DNA的微小片段存储在自己基因组的CRISPR部分，并且能遗传给后代。如果同一种病毒再次攻击它或者其后代时，细菌可以利用档案中的病毒DNA迅速消除病毒。
杜德纳研究后发现，除了CRISPR序列外，还存在一种与CRISPR相关系统（Cas）的基因，是可以切割DNA的酶。在杜德纳研究Cas的同时，卡彭蒂耶在化脓性链球菌（对人类危害最大的细菌之一）的研究中发现了一种以前未知的分子--tracrRNA。她研究发现，这种分子是细菌古老免疫系统CRISPR/Cas的一部分微生物中免疫系统的一部分，它通过切割病毒DNA来助其对抗病毒。经过多次实验，卡彭蒂耶于2011年3月报告了这一新发现。
同年，两位科学家开始了合作。2012年，她们发表在《科学》杂志上的一篇具有开创性的论文中，二人将CRISPR-Cas9系统应用于试管实验中，并表明该系统可以被重组以编辑DNA，本质上是“重写生命代码”，正如诺贝尔奖委员会成员Pernilla Wittung Stafshede所言：“这把‘基因剪刀’虽才被发现八年，但已经大大地造福了人类。”
图片：诺贝尔奖官网
此后的八年中，这一发现确实改变了生命科学，使研究人员能够随意探索基因的功能，推动分子生物学领域的突飞猛进。美国化学学会的一个分支——《化学文摘社》的信息科学家Angela Zhou说，CRISPR已经被用来“改变免疫细胞，使它们更有效地破坏癌细胞，并在HIV病毒整合到人类基因组中时去除它。目前正在开发基于CRISPR的药物来治疗心脏病、遗传性眼病和镰状细胞病等血液疾病。”
杜德纳说，在COVID-19大流行中，该技术正在被用于开发诊断测试，以检测新的冠状病毒。她们的可编程基因编辑系统持续激发着在医学、农业和基础科学领域的应用潮——对CRISPR不断进行调整和改进并去发现其他基因编辑工具的工作也仍在继续。
革新与争议
基因编辑其实不是什么新技术。自20世纪70年代以来，研究人员就已经能够使用 "剪贴 "重组基因编辑技术来修改细胞。不过，这些方法是基于天然存在的细菌酶，没法达到CRISPR的精确度，可能会切错位置 ，结果难以预测。但这也并不能说CRISPR就没有意外，它仍然可能导致意外的变化。
杜德纳也坦言，伴随着褒奖而来的，还有巨大的争议。2018年，深圳南方科技大学的科学家贺建奎报告说，他用CRISPR编辑双胞胎女婴的基因组，可以让她们对艾滋病毒产生抗体，这引发了公众对技术打开“潘多拉魔盒”的恐慌，再次开启了关于基因编辑伦理的长期争论。
“在未来负责任地使用这项技术是很重要的，”杜德纳说，她参与了制定道德准则的科学团体。她支持使用CRISPR技术预防遗传性疾病，但反对用于制造“超级人类”。
“除了震惊还是震惊”，听到“基因改造婴儿”事件的杜德纳当时向媒体描述，她和科学界同僚一起谴责这项工作，他们批评这项研究——可怕、危险，以及冒进。杜德纳认为，在人类基因编辑方面，国际科学界需要制定更好的指导方针。
2015年12月，中美英三国科学家齐聚华盛顿，召开了第一届国际人类基因组编辑峰会，经过一年的时间才达成“共识”。他们给“基因剪刀”画了一条红线，禁止任何生殖目的，也给胚胎研究开了绿灯。这条模棱两可的红线留下太多想象空间。
但生殖伦理并不是科学家对CRISPR潜在用途的唯一关注。另一个问题涉及到如何应用它来创建所谓的基因驱动，提高优质基因传给后代的几率。虽然到目前为止，这只是在实验室环境中尝试的，但一些科学家希望有一天能用它来控制野生入侵物种和携带疾病的昆虫。然而，根据最近的建模工作，这样做可能会带来一个令人担忧的风险，即基因驱动扩散到其目标人群，从而失控。
图说：诺贝尔奖官网
无论是道德伦理上，还是“基因工程生物体”所带来的潜在危险上，人为改变基因组的技术向来备受争议。CRISPR自然不会例外，尤其是它已经被用于编辑微生物、植物和动物细胞——包括人类细胞。因此，当涉及到CRISPR技术的有争议的应用方向时，研究人员应该更谨慎。但不可否认的是，CRISPR已经将基础科学和疾病研究推向了一个新时代。
卡彭蒂耶在接受诺贝尔颁奖时表示，尽管她和杜德纳的名字近年来呼声颇高，但还很意外，没想到今年会是她。“今天早上接到电话时，我非常激动。我很惊讶，”卡彭蒂耶，“是真的。”杜德纳在2019年接受采访时说，“我总喜欢指出，科学是有一定偶然性的。如果十年前你告诉我，可以在自己想要的地方编辑重组DNA，我一定会大笑，说绝对是科幻小说。”