據報道，加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）和克萊蒙特學院聯盟（The Claremont Colleges）凱特應用生命科學研究生院（Keck Graduate Institue，簡稱KGI）的工程師團隊將CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats，基因編輯技術）與石墨烯制成的電子晶體管結合，研發出一種可在幾分鐘內檢測特定基因突變的新型手持設備。

這款設備被稱為CRISPR-Chip，可用于快速診斷遺傳疾病或評估基因編輯技術的準確性。該團隊使用此設備檢測來自杜氏肌營養不良癥（Duchenne Muscular Dystrophy，簡稱DMD）患者DNA（脫氧核糖核酸）樣本中的基因突變。

“我們開發了第一個利用CRISPR搜索基因組潛在突變的晶體管，”KGI的助理教授Kiana Aran說道，她是加州大學伯克利分校生物工程學教授Irina Conboy實驗室的博士后學者，“你只需將純化的DNA樣品放在芯片上，讓CRISPR進行‘搜索’，石墨烯晶體管可以在幾分鐘內報告搜索結果?！?/p>

Nature Biomedical Engineering雜志3月25日在線上發表了一篇論述該設備的論文，Aran是該篇論文的主要作者。

醫生和遺傳學家現在可以對DNA進行測序，以確定在潛在特征和條件下的基因突變。甚至像23andMe和AncestryDNA這類的公司都可以向好奇的消費者提供這類檢測。

但與大多數形式的基因檢測不同，包括最近開發的基于CRISPR的診斷技術，CRISPR-Chip使用納米電子技術來檢測DNA樣本中的基因突變，無需通過被稱作聚合酶鏈反應（Polymerase Chain Reaction，簡稱PCR）的設備密集型耗時過程， 首次“擴增”或數百萬次地復制目標DNA片段。這意味著該設備可直接在醫生辦公室或其他工作現場進行基因檢測，而無需將樣品送到實驗室。

加州大學伯克利分校生物工程學教授、論文合著者Niren Murthy表示：“CRISPR-Chip確實值得關注，如果獲取了好的DNA樣本，通過這項技術可直接進行DNA的臨床檢測。最終，只需獲取一個人的細胞，提取DNA樣本并將其與CRISPR-Chip結合，就可以知道某個DNA序列是否存在。這可能會實現真正的即時DNA檢測?！?/p>

繞過瓶頸

CRISPR-Cas9系統以其能夠像鋒利的剪刀般，在精準的位置剪切DNA片段而聞名，為研究人員提供了前所未有的基因編輯技術。 但對于Cas9蛋白，為了準確地切割和粘貼基因，它首先必須找到DNA中的精確切點。

為了讓Cas9找到基因組上的特定位置，科學家必須首先為它配備一段“指導RNA（核糖核酸）”，這一小段RNA，其堿基與目標DNA序列互補。龐大的蛋白質首先解開雙鏈DNA并掃描直至找到與指導RNA相匹配的序列，隨后將其鎖定。

為了發揮CRISPR的基因靶向性，研究人員采用失活的Cas9蛋白，這是一種可以在DNA上找到特定位置的Cas9變體，但不對其進行切割，而是將其連接到由石墨烯制成的晶體管上。當CRISPR復合物在其靶向的DNA上找到靶點時，兩者結合并觸發石墨烯的電導率發生變化，這相應地改變了晶體管的電特性。而這些變化可通過團隊的工業界合作伙伴開發的手持設備進行檢測。

石墨烯由單層碳原子構成，具有電敏感性，無需通過PCR擴增即可檢測到全基因組樣品中的“目標”序列。

“石墨烯的超靈敏度使我們能夠檢測到CRISPR的DNA搜索活動，”Aran說，“CRISPR帶來了選擇性，結合石墨烯晶體管的靈敏度，使我們能夠實現無須通過PCR或無需擴增的檢測。”

Aran希望能夠很快實現該裝置的“復用”技術，這樣可以讓醫生同時引入多個指導RNA，以便在幾分鐘內檢測出不同的基因突變。

“想象一下有一個包含大量搜索框的頁面，在我們的設備中是晶體管，你可以在這些搜索框內找到指導RNA的信息，每個晶體管以電子方式搜索并報告搜索結果，”Aran說。

快速診斷

為了證明CRISPR-Chip的靈敏度，該團隊使用該裝置檢測來自DMD患者血液樣本中兩種常見的基因突變。

該論文的另一位合著者Conboy表示，CRISPR-Chip可能成為特別有效的DMD篩查設備，因為嚴重的肌肉萎縮疾病可能是由于大規模肌營養不良蛋白基因突變引起的，這是人類基因組中最長的一組基因，若使用基于PCR的技術檢測其基因突變不僅昂貴且耗時。

“現在作為一項實驗，患有DMD的男孩通常還不會接受篩查，直到我們發現問題，才會進行基因確認，”Conboy稱，他也在開發基于CRISPR的DMD治療方法。

“使用數字設備，可以設計整個肌營養不良蛋白基因的RNA，然后在幾小時內篩查整個基因序列。可篩查父母，甚至新生兒是否存在肌營養不良蛋白基因突變。如果發現突變，在疾病真正發展之前，可盡早開始治療?！盋onboy說道。

Murthy說，由于存在譬如基因突變會使一些患者對昂貴的血液稀釋劑（如Plavix）沒有反應，所以快速基因檢測也可以用來幫助醫生為患者制定個性化的治療方案。

“如果你有某些突變或某種DNA序列，那將非常準確地預測你對某些藥物的反應，”Murthy說。

Aran說：“因為CRISPR-Chip可用于檢測CRISPR是否與特定DNA序列結合，所以它也可以用于檢測基于CRISPR的基因編輯技術的有效性。例如，它可用于驗證指導RNA的序列設計是否正確。”

“將現代納米電子學與現代生物學相結合，為獲取以前無法獲得的新生物信息打開了新的大門，” Aran補充道。