“我的导师是 CRISPR 基因编辑技术先驱之一张锋教授的学生，没想到我们团队在同一天和张锋教授团队‘背靠背’发表了论文。有意思的是，两篇论文的作者中直接出现了张峰、他的学生、他学生的学生。
这是目前为止我做过最有意思的课题了，我将在细菌里不太好用的东西直接放进人源细胞强行工程化，得到了意外的结果，果然是‘大力出奇迹’。”谈及这项在 Science 发表的论文，麻省理工学院（MIT）生物工程系博士生姜凯议如是说。
图丨姜凯议（来源：姜凯议）
近期，东京大学与 MIT 团队合作，将 CRISPR 系统中 Cas7-11 的结构和作用机制进行解析，并将该系统在可编程的 RNA 传感上应用。他们成功验证了 Cas7-11–Csx29 效应器为 RNA 依赖性核酸酶-蛋白酶系统。而且，还作为细菌抗衡噬菌体免疫系统的关键组成。
该研究展示了 RNA 级别的防御工具不再停留在 RNA 阶段，而是已经进化出蛋白级别的防御工具，未来有望用于癌细胞及特定细胞亚型的检测。
图丨相关论文（来源：Science）
11 月 3 日，相关论文以《通过 III-E 型 CRISPR 核酸酶蛋白酶，RNA-触发的蛋白质裂解和细胞生长停滞》（RNA-triggered protein cleavage and cell growth arrest by the type III-E CRISPR nuclease-protease）为题发表在 Science 上[1]。
东京大学结构生物学系项目讲师加藤一树（Kazuki Kato）、冈崎纱绘（Sae Okazaki）和 MIT 大脑与认知科学系博士生凯恩（Cian Schimit-Ulms）、生物工程系博士生姜凯议为该论文的共同第一作者，由东京大学结构生物学系教授西増弘志（Hiroshi Nishimasu）、MIT 生物工程系教授乔纳森·古腾堡（Jonathan S.Gootenberg）以及奥马尔·奥·阿布达耶（Omar O.Abudayyeh）担任该论文共同通讯作者。
源于“大力出奇迹”的有趣研究
该团队揭示了 Cas7-11、CSX29、CSX30 以及 RPOE 在细菌免疫系统的重要影响。有意思的是，CRISPR-Cas 系统蛋白的发现是在该团队纯化蛋白阶段时意外发现的。在细菌里表达 Cas7-11 时，他们发现在质谱上突然多了一个蛋白，但并不了解该蛋白出现的原因。
在研究伊始阶段，东京大学的研究人员想从结构生物学角度，通过纯化蛋白揭示出未知蛋白的全貌，以及它和 Cas7-11 相结合的原因。而 MIT 团队的研究重点偏工程化，较多地探索应用和治疗方面的研究。
因此，他们从工程的角度，在完全没有预设的前提下大胆地进行了蛋白优化和工程化的尝试。由于在生物领域中很少会遇到在纯化蛋白时，同时纯化出没有意义的额外蛋白的现象。因此，乔纳森·古腾堡（Jonathan S.Gootenberg）以及奥马尔·奥·阿布达耶（Omar O.Abudayyeh）坚定地认为这不是巧合。
图丨在低温冷冻电镜下的 Cas7-11-crRNA-C 结构以及带有、不带有靶 RNA的x29复合物（来源：Science）
实际上，在 CRISPR 领域，细菌和噬菌体已“对抗”对年，由于二者长时间的敌对进化关系，细菌进化出很多高级的免疫系统，来防止噬菌体把它们杀死或者噬菌体的 DNA 和 RNA 进到其体内。
该团队推测，除了 Cas9 等对 DNA 进行切割门以外，细菌已经开发出来更高级的、RNA 级别的防御工具。在得到猜想后，他们通过测序基因进行深入探索。
姜凯议指出，该研究的“大力出奇迹”体现在整个系统全都被模块化地拆开后，尽管还不了解它在细菌中的作用，仍然直接把它放到人源细胞内，然后慢慢地摸索出蛋白互相合作的机制。
紧接着，他们将这些从工程角度得到的结论再交还给东京大学的结构生物学家，来寻找新的蛋白，进而发现整个复杂的系统和不同的特点。也就是说，在研究开始前他们已经了解到，这种 RNA 级别的防御工具也许比预期的更高级。
图丨Cas7-1l 与 Csx29 的相互作用（来源：Science）
CRISPR 领域致力于探索可编程的系统，姜凯议认为，合成生物学的一大特点是把细胞里的各种蛋白、RNA、DNA 当成元件来重组和优化。
在以往的研究中，通常将细菌类蛋白局限于在细菌中证明其有望实现可编程。而该研究则是一种全新的做法，为了证明这套系统的可编程性，研究人员同时把它放到人源细胞中，来确定其是否可重新编程。
其实，在寻找细菌的免疫系统时，可编程性强是衡量是否为优秀的指标之一。他解释说道：“可编程也就是说可以把这些元件拆分出来，然后放到不属于它们的环境中（例如人源细胞）进行重组、工程化，从而完成相关目标。”
有望应用于体外诊断的下一代细胞疗法和快筛
实际上，蛋白的切割的速度远超过 RNA 和 DNA，蛋白在切割后瞬间可以产生杀死细胞等效果。因此，该研究通过解析可切割蛋白的酶，展示出在细菌多年与噬菌体的“较量”中，已进化出之前完全没有想象的防御级别的工具。
“这也就意味着，基因组里仍有很多未知的、未尝试过的蛋白可能成为各种高级细菌的防御系统，也鼓励该领域的研究人员在基因组中，继续寻找更优化的系统。”姜凯议说。
随着全球新冠疫情流行，让更多人了解到 mRNA 疫苗与 mRNA 疗法。但其发展仍然收到限制，因为它的一大问题是很可能在不想让它表达的细胞中进行了表达。也正因为这样，该领域的科学家一直在寻求合适的方法，让 mRNA 的表达局限在某些特定的细胞中，甚至不只是 mRNA 递送。
姜凯议指出，从 RNA 传感的角度来说，mRNA 疗法和 DNA 的基因编辑疗法都可能强调如何能把它局限在某些细胞内，而能做到这点唯一方法便是 RNA 传感。
从化学的角度来说，上一个十年科学家投入了大量精力来优化小分子、大分子、递送系统等，但是他们发现这些化学的手段没办法做到很高级的逻辑，而细胞和细胞间个体的差异完全体现在 RNA。
“在下一个十年，如果科学家开发出性能高的 RNA 传感系统，便能设计出更高级的逻辑门。也就是通过带有计算性的疗法，来确定只在某一类细胞中的表达。”姜凯议说。
图丨Csx29 通过 RNA-触发 Csx30 切割（来源：Science）
该研究揭示了这套系统进化的原因，并展示了它是一套细菌的快速自杀系统，可以让细菌被噬菌体感染后迅速地杀死自己。从进化和生物学的角度来看，该研究尚未弄清楚信号通路的下游，例如其经历了哪些步骤完成了自杀的行为，这也是该团队正在研究的方向。
“我将继续工程化这套系统来做更好的 RNA 传感，包括整套系统。与此同时，因为该系统是蛋白切割，所以体外的诊断是其应用方向之一。”姜凯议说。
目前市场上用于检测新冠肺炎的试剂盒利用聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）进行测试，而蛋白级别的 RNA 工具的作用之一是把 RNA 检测传到某些蛋白上，比如用荧光蛋白可更快地检测出结果。
“更高效的试剂盒可能在室温下便可起效，而不需要进到实验，去做那些需经复杂步骤的 PCR 检测。因此，下一代诊断的细胞疗法和快筛很有可能从这些 CRISPR-Cas 系统中诞生。”姜凯议说。
致力于开发更好的 RNA 传感系统，期待细胞算力的指数级增长
最近，合成生物学刚刚经历了“火热”的阶段。当人们冷静下来思考，科学家设计的这些系统到底如何能更好地帮助人们解决疾病等现实问题呢？
姜凯议认为 ，除了在学术前沿不断地寻找更好的编程系统，包括风投在内的业外人士也都在推动整个领域向前发展。因此，他认为该领域未来有更多的可能。
当前，生物领域已经进入到指数增长的时代，人们在得到单细胞测序的海量数据后，技术的研发却相对滞后，因此如何利用这些数据成为该领域的关键问题。
细胞相当于生物领域中的“电脑”，姜凯议认为，更好地利用“细胞电脑”来做更高级别的运算是未来发展的趋势。无论是治病还是做检测，合成生物学下一个二十年可能会发现，在细胞上的算力也开始出现指数级别的增长。因此，他希望能设计出来一些新系统，让人类能与病毒的计算能力进行“较量”。
“从单细胞测序可以看出，人体之间尽管基因相同，但是其产出的 RNA 可能会导致肿瘤的构造完全不同。因此，一旦 RNA 传感系统达到一定高度，我们可以利用单细胞测序的信息来设计更好的个人疗法。”他说。
图丨姜凯议与其所在 MIT 团队合影（来源：姜凯议）
姜凯议本科就读于美国莱斯大学生物工程系，正是在那时他接触到合成生物学，并在其导师卡列博·巴沙尔（Caleb Bashor）的帮助下，了解到该领域多样的工具。他发现，人们将包括基因编辑、CRISPR 系统在内的合成生物学想得过于局限，而他始终认为合成生物学的概念其实可以被定义得更广，特别是可编程系统有无限可能。
姜凯议在 MIT 的博士阶段接触到 CRISPR，其博士导师乔纳森·古腾堡（Jonathan S.Gootenberg）以及奥马尔·奥·阿布达耶（Omar O.Abudayyeh）做实验时更偏向天马行空地进行猜想。“我们经常在完全没有任何理论依据，或者没有数据模型和数据的支持的情况下，去阅读那些 80、90 年代的文献来讨论是否可重新编程新系统。”姜凯议说。
就在上周，姜凯议与其所在团队在 Nature Biotechnology 上发表论文，他们开发出一款基于 CRISPR 基因编辑的长段 DNA 插入系统，利用该系统能将 36000 个 DNA 碱基对的基因传递到人类细胞和小鼠肝细胞[2]。
对于个人未来的发展的选择，他持开放性态度，例如导师们希望他从事高校教职工作。同时他认为，其所在团队开发的技术在未来有望进入临床治疗或设计出更好的疫苗来解决实际问题。因此，加入创业公司、大型药企将技术落地在临床及相关产品是他的另一种选择。
参考资料
1、Kazuki Kato，Sae Okazaki，Schimidt-Ulms，Kaiyi Jiang et al. Science 378，6622，882 - 889（2022）. https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7347
2、Yarnall, M.T.N., Ioannidi, E.I., Schmitt-Ulms, C. et al. Drag-and-drop genome insertion of large sequences without double-strand DNA cleavage using CRISPR-directed integrases. Nature Biotechnology(2022). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01527-4
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