此處顯示在大腸桿菌內(nèi)部發(fā)光的熒光蛋白使研究人員能夠可視化生物結(jié)構(gòu)和過程。圖源：費爾南·費德里奇/Getty Images
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????無論是全新的還是改進的技術(shù)，都是現(xiàn)代科學(xué)研究及發(fā)現(xiàn)背后的驅(qū)動力。它們允許科學(xué)家比以前更快地完成實驗，它們幾乎在所有的科學(xué)領(lǐng)域發(fā)著光。
生物學(xué)的三種高端技術(shù)——基因編輯、熒光蛋白和光遺傳學(xué)，都受到大自然的啟發(fā)。那些數(shù)百萬年來一直在為細菌、水母和藻類“服務(wù)”的生物分子工具，現(xiàn)在正被廣泛用于醫(yī)學(xué)和生物研究?？梢哉f，它們直接或間接地改變著日常人們的生活，甚至生命。
細菌和它的“防御系統(tǒng)”
細菌和病毒相互爭斗。它們處于不斷的生化戰(zhàn)爭中，爭奪稀缺資源。
細菌武器庫中的一個重要裝備，就是CRISPR-Cas系統(tǒng)，其由從敵對病毒中隨時間收集的短重復(fù)DNA組成，與稱為Cas的蛋白質(zhì)配對，該蛋白質(zhì)可以像使用剪刀一樣切割病毒DNA。在自然界中，當細菌受到DNA存儲在CRISPR“檔案”中的病毒攻擊時，CRISPR-Cas系統(tǒng)會追捕、切割、破壞病毒。
科學(xué)家們拾起這一“武器”并用于科學(xué)用途，取得了開創(chuàng)性的效果。美國加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家珍妮弗·道德納和法國微生物學(xué)家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷，因開發(fā)CRISPR-Cas作為基因編輯技術(shù)，而共同獲得了2020年諾貝爾化學(xué)獎。
我們知道，人類基因組計劃給出了一個幾乎完整的基因序列，并為科學(xué)家提供了一個模板來對所有其他生物進行測序。然而在CRISPR-Cas出現(xiàn)之前，研究人員沒有工具去輕松訪問和編輯生物體中的基因?，F(xiàn)在，CRISPR-Cas讓過去需要耗時數(shù)月甚至數(shù)年并花費數(shù)十萬美元的實驗室工作，在不到一周的時間內(nèi)完成，且只需幾百美元。
有超過10000種遺傳疾病是由僅發(fā)生在一個基因上的突變引起的，即所謂的單基因疾病。它們影響了數(shù)百萬人，鐮狀細胞性貧血、囊性纖維化和亨廷頓氏病是這些疾病中最著名的。而它們都是CRISPR治療手段的主要目標——修復(fù)或替換一個有缺陷的基因要簡單得多，人們從此不需要糾正多個基因上的錯誤。
水母“點亮”微觀世界
維多利亞水母在北太平洋漫無目的地漂流，這種生物沒有大腦，沒有肛門，也沒有毒刺，按說它不太可能引發(fā)什么生物技術(shù)革命。
但事實恰恰相反，在它的傘的外圍，有大約300個光器官，它們發(fā)出綠色的光點，這些光點像是黑暗里閃爍出來的信號一樣，改變了科學(xué)的進行方式。
這種生物發(fā)光，源于一種稱為水母發(fā)光蛋白的物質(zhì)和一種稱為綠色熒光蛋白或GFP的熒光分子。在現(xiàn)代生物技術(shù)中，GFP就像一個“分子燈泡”，可以與其他蛋白質(zhì)融合，使研究人員能夠追蹤它們并查看生物體細胞中蛋白質(zhì)何時何地生成。
現(xiàn)在，熒光蛋白技術(shù)每天在數(shù)以千計的實驗室中使用，并因此在2008年和2014年獲得了兩項諾貝爾獎?？茖W(xué)家們也已經(jīng)在更多的物種中發(fā)現(xiàn)了熒光蛋白。
而當研究人員創(chuàng)造出表達GFP的轉(zhuǎn)基因COVID-19病毒時，這項技術(shù)再次證明了其實用性。當病毒進入呼吸系統(tǒng)并與具有毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的表面細胞結(jié)合時，由此產(chǎn)生的熒光，可以追蹤病毒的路徑。
藻類“眼中”的光明與黑暗
當依賴陽光生長的藻類被放置于黑暗房間里的大型水族箱中時，它們會失去目標地游來游去。但是如果打開一盞燈，藻類就會向光游去。這就是單細胞鞭毛蟲，它們其實沒有眼睛，但有一個稱為眼點的結(jié)構(gòu)，可以區(qū)分光明和黑暗。眼點布滿了稱為通道視紫紅質(zhì)的光敏蛋白。
在差不多二十年前，研究人員發(fā)現(xiàn)，當他們通過基因?qū)⑦@些視紫紅質(zhì)通道蛋白插入任何生物體的神經(jīng)細胞時，用藍光照射視紫紅質(zhì)通道蛋白，會導(dǎo)致神經(jīng)元激活。這是一種被稱為光遺傳學(xué)的技術(shù)。當一束精確的藍光照射在這些神經(jīng)元上時，視紫紅質(zhì)通道就會打開，鈣離子涌入神經(jīng)元，神經(jīng)元則被激發(fā)。
使用該工具，科學(xué)家可以選擇性地重復(fù)刺激神經(jīng)元組，從而更準確地了解要針對哪些神經(jīng)元來治療特定的障礙和疾病?，F(xiàn)在，光遺傳學(xué)被認為可能是治療人類致命腦部疾病（如阿爾茨海默癥和帕金森氏癥）的關(guān)鍵。
而且，光遺傳學(xué)不僅對理解大腦有用。研究人員已在使用該技術(shù)來部分逆轉(zhuǎn)失明，并在使用其治療視網(wǎng)膜色素變性疾病的臨床試驗中，看到了希望。
科學(xué)家們相信，除以上三種重要技術(shù)手段外，大自然的“工具箱”里應(yīng)還保管著大量未被發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。
