給細胞做電擊儀器居然能上PNAS，看大佬如何“跨界”

摘要：Jillian的研究本身交叉性就比較強，這一點從她在多個學院擔任教授職位就能可見一斑，所以當這位地球微生物學家激情洋溢地介紹自己的工作，說她們發現了一些CRISPR系統，並希望能夠藉助遺傳學和生化的手段去了解這些系統，儘管對CRISPR不瞭解，Jennifer還是受其感染，好奇心也被激發起來，答應了之後的面談。近期，在著名的學術期刊PNAS《美國科學院院刊》上發表了來自加州大學伯克利分校科學家們的一項成果，他們開發了一種能夠高效地向哺乳細胞內傳遞生物大分子的電轉（電穿孔）平臺。

來源：科學大院

說到科學界的“跨界”奇才，大家會想到精通物理學、數學、經濟學的牛頓，寫出相對論的專利局職員愛因斯坦。不過，如果領域內幾個學術大佬跨界合作，會搞出什麼事情？

近期，在著名的學術期刊PNAS《美國科學院院刊》上發表了來自加州大學伯克利分校科學家們的一項成果，他們開發了一種能夠高效地向哺乳細胞內傳遞生物大分子的電轉（電穿孔）平臺。

這項成果除過在技術上取得的進步值得關注之外，進展背後的故事更爲精彩！

啥是電轉？和我們有啥關係？

電轉，是一種應用於多種類型細胞，通過對細胞表面施加瞬時高強度電壓，使細胞膜表面形成納米孔，通透性提高，從而可以使生物大分子進入細胞的技術。電轉的具體過程、所需要的裝置及耗材如下。

但是，對於一個時刻正常運轉的生命機體，科學家們爲什麼要突破重重技術難關，外加電壓干預其細胞膜的通透性？他們想嘗試傳遞的生物大分子有什麼作用呢？

事實上，科學家一方面是希望理解生命系統運行的規律，另一方面希望能夠利用規律去針對性地改造生命體。而對生命體的改造直接依賴於像DNA和蛋白質這一類生物大分子，電轉作爲一種能夠高效地向細胞內傳遞這些生物大分子的技術，它對我們理解生命活動規律地重要性不言而喻。

研究中的生物大分子包括了核酸，功能性的蛋白，Cas9和單鏈引導RNA所組成的核糖核蛋白。這些大分子都是目前炙手可熱的基於CRISPR系統的基因編輯技術所需要的組分，只有將這些生物大分子所能實現的功能和這個高效的傳遞裝置聯繫起來，才能對它所帶來的便捷性有更清晰地瞭解。

當材料學撞上生物學

常規的電轉方法雖然可以作爲一種普適的方法將生物大分子比如蛋白質、DNA傳遞到不同種類的細胞內，但是存在一些缺陷。比如在向電轉杯兩側的金屬電極通電形成瞬時高電壓時，電轉杯內細胞細胞膜所有的部分均要承受所形成的高強度電場，因此很多細胞會因爲細胞膜表面形成的孔洞太大而死亡，直接導致了回收的細胞數目相對較少。

細胞的回收率低是生物學家遇到的問題，從裝置開發的角度上解決這個問題的方向是兩個，分別是在保證轉化效率的前體條件下降低外加電壓的強度以及縮小細胞膜上承受電場的面積，但從這個角度去解決問題可不是生物學家的特長。

當一個生物學家遇到自己不擅長的問題時，一個明智的做法是將其分享給能解決這個問題的人，然後合作。

文章所開發的納米孔電穿孔裝置，主要由兩個扁平的電極，一個帶有過濾功能並且散佈有直徑大約爲100nm納米孔的碳酸脂膜（PC膜）以及一個用來支撐兩個電極的支撐部分組成，需要注意的是膜上有能夠促進細胞和膜接觸的塗層。

在使用新裝置進行生物大分子的轉化時，首先將需要傳遞的試劑加到底部的鈦電極上，之後立即將帶有膜的支撐部分放置到底部電極之上，接着第二片鈦電極被放到整個裝置的頂部，最後給兩個電極之間施加電脈衝，使細胞膜上形成納米孔，生物大分子得以進入細胞內部。

那麼這個新裝置是如何突破傳統電穿孔儀的缺陷呢？

首先是細胞承受電場面積過大的問題。新裝置裏帶有納米孔的PC膜，多孔PC膜可以使得電場和細胞的接觸面限於納米孔，這樣大大的保證了接受電脈衝後細胞的完整性，因而可以使得在實驗條件下用新裝置做完轉化後95%的細胞是可以繼續生長的。

其次是傳統的電穿孔儀在施加電脈衝時所用的電壓往往爲數千伏特，會使得細胞膜表面形成的孔洞過大。新的裝置繞過這一問題得益於孔狀的膜結構增強了納米孔內和周圍的局域電場，使得在外加電壓不超過100V的條件下就可以高效的將DNA或者mRNA轉化進細胞內。在這項研究中，這種高效對應的數字是80%。

當材料學與生物學相遇，碰撞出的火花讓電轉的研究向前邁進一大步。

“神仙打架，凡人勿近”

這篇文章作者排名最後兩位分別是Jennifer A。 Doudna和Peidong Yang（楊培東），分別是這參與這項研究的兩個主要團隊的負責人，筆者看到這篇文章的時候一是對兩位前輩良好的合作意識表示欽佩，驚歎於新平臺設計精巧之餘，對二者的合作也是有些感慨。

這兩位在各自的研究領域都是非常出色的科學家，同樣都屬於加州大學伯克利分校，楊培東教授曾在2011年湯森路透遴選的最優秀的化學家榜單中排第10位，同時入選了10年中最優秀的100名材料學家中的第一位，他主要的研究方向之一是人工光合系統。Jennifer教授則在2012年和Emmanuelle Charpentier教授共同提出了將CRISPR系統應用於基因編輯的想法並驗證了其可行性，而基於CRISPR的基因編輯技術目前已經在基因編輯領域掀起了一場革命。

楊培東教授曾在2016年發表了一篇“爲細菌裝半導體”的文章，創造性的將一種半導體材料和一種非光合固碳微生物結合在一起，構建成了一個能夠利用光能進行CO2固定的人工光合系統，算是這個領域的開山之作。文章最後展望了藉助合成生物學工具對他們所構建的人工光合系統性能進行提升的未來前景，鑑於伯克利分校的合成生物學研究所有很多卓越的合成生物學家，他當時的展望可以被視爲今日合作的一個伏筆。

機遇從“天”而降

Jennifer進入CRISPR的研究領域之前就已經是一位卓越的生物化學家，早在2002年她就已經當選了美國科學院的院士。作爲生化學家的Jennifer是如何接觸到CRISPER的研究並取得巨大成就的呢？

時間回溯到2006年，彼時的Jennifer還沒涉足CRISPR研究。她接到一個同樣來自伯克利分校的地球微生物學家Jillian的電話，這個電話對於Jennifer的CRISPR生涯是一個很重要的節點。

原來，Jillian實驗室的主要研究微生物和環境的關係，她想在伯克利分校找一個研究RNA干擾的實驗室進行合作。在經過Google簡單的搜索之後找到了Jennifer，但兩人並不熟，Jennifer也只是對Jillian的名聲有所耳聞，因爲Jillian在當年剛當選美國科學院院士。

Jillian的研究本身交叉性就比較強，這一點從她在多個學院擔任教授職位就能可見一斑，所以當這位地球微生物學家激情洋溢地介紹自己的工作，說她們發現了一些CRISPR系統，並希望能夠藉助遺傳學和生化的手段去了解這些系統，儘管對CRISPR不瞭解，Jennifer還是受其感染，好奇心也被激發起來，答應了之後的面談。

2006年，Jennifer剛從耶魯到伯克利不久，也希望能夠進一步拓寬自己的研究領域，並且希望能夠和伯克利的同事有一些合作。在這樣的背景下，兩人所擅長的領域不同，優勢能夠互補，而且都有合作的意願，這樣見面後的合作基本是水到渠成的。

最終，兩人合作從未培養的細菌裏發現了兩種之前未被報道的CRISPR系統—CRISPR/CasX和CRISPR/CasY，這兩個系統是截至當時所發現的最小的CRISPR系統，後續CRISPR/CasX系統也被證明可以改造成一種新的基因編輯工具，而這兩項工作最終均在2016年和2019年發表在Nature上。

Jennifer事業的第二春

Jennifer教授接觸到令她功成名就的II型CRISPR系統CRISPR/Cas 9得益於在一次2011年美國微生物年會上與Emmanuelle的相遇以及交流。彼時Emmanuelle所領導的研究組剛剛在Nature上報道了新的、也就是我們現在所熟悉的II型CRISPR/Cas9系統。

兩人會前並不認識，但是對彼此的工作有一些瞭解。經兩位共同的朋友引薦，兩人在會議間隙的一個咖啡館碰面，在簡短的交流中對彼此都留下了很不錯的印象。Emmanuelle希望能夠藉助Jennifer實驗室在生化和結構生物學方向的優勢來合作一起揭示新系統的工作機制，Jennifer當然沒有錯過這個難能可貴的機會。隔年，她們合作的文章《A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity》發表在了Science上，再之後，基於CRISPR的基因編輯工具在基因編輯領域便掀起了一場革命。

跨界之前的準備：打鐵還需自身“硬”

最後，想要分享的是這幾位科學家之間合作帶給筆者的啓示。從一個科研人員的角度講，在自己所從事的領域工作得做的足夠出色、有顯示度，這些是和非本專業研究人員建立合作的基礎，否則你不會知道你錯過的究竟是未來可能的諾貝爾獎還是鉅額的收益，這個道理最起碼從Jennifer的身上來講是這樣。