20分钟就可检测新冠：诺奖得主开发基于CRISPR的核酸检测技术

这个夏天，Delta变异株在全球范围内掀起了一轮疫情反扑，根据世界卫生组织统计，Delta变异株已在至少98个国家和地区出现且在继续变异和进化。

控制新冠疫情仍任重道远。 「早发现、早隔离和早治疗」是对付疫情最有效的方式，而核酸检测在疫情防控中发挥着极为重要的作用，其可帮助医务工作者更早地发现感染者，从而进行后续的治疗/隔离和接触者追踪。

目前，基于 qRT-PCR （定量逆转录酶-聚合酶链反应） 的 检测依旧是诊断新冠病毒的金标准，其最大的优势便是具有很高的敏感性，但操作复杂，检测时间过长的缺点也不容忽视。开发一种更快速、更简便的核酸检测技术仍迫在眉睫。

2021 年 8 月 5 日 ，加州大学伯克利分校 Jennifer Doudna（2020年的诺贝尔化学奖得主之一）领导的研究团队为这个问题带来了一个解法。他们的研究成果发表在 Nature Chemical Biology 杂志上，题为 Accelerated RNA detection using tandem CRISPR nucleases 。

图片来源：Nature Chemical Biology

基于CRISPR技术，研究人员开发了一种全新的核酸检测技术——快速串联集成核酸酶检测（Fast Integrated Nuclease Detection In Tandem, FIND-IT），据悉，该技术最快在20分钟即可得出结果，远远快过现有的检测方法。

这项技术的神奇之处

早在2020年12月4日，Jennifer Doudna团队就曾在Cell杂志上发表过该技术的1.0版本，论文题为： Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy 。

图片来源：Cell

这一检测技术的原理并不复杂，研究人员巧妙运用了一种叫做Cas13a的酶，将CRISPR RNA（crRNA）与之构成一个复合体。Cas13 蛋白特异靶向 RNA 序列，能够在切割靶 RNA 之后仍保持活性，而且可能表现出不加区别的切割活性。

通俗点来说就是， 复合体上的crRNA与病毒RNA上的特异性序列相结合之后，Cas13a酶会被激活，而这种酶的特点就是可以无差别切割周围的任何其他单链RNA分子。 利用这个特点，研究人员再将通过RNA相连接的荧光分子添加到样本当中，于是 当Cas13a酶被激活后，RNA被切断，荧光分子会释放出来 ——通过读取荧光信号，就可以检测到病毒特异性序列了。

同时，为了提高检测的灵敏度，1.0版本中研究人员选择采用多个跟不同病毒特异性序列结合的crRNA来加快激活Cas13a酶，最终该检测方法在30分钟内即可达到约 100个拷贝/μL的灵敏度 。

图片来源：Cell

这项技术的神奇之处在于不需要对病毒RNA使用RT-PCR进行扩增，就可以一定程度上避免样本之间产生交叉污染，使检测结果更准确。并且研究人员还打开思路，利用智能手机的相机，构建了一个简易的荧光信号检测系统，利用这套系统，5分钟就能判断出5位患者的鼻咽拭子样本为阳性。

图片来源：Cell

而到了2.0版本，研究人员对这一检测方法进行了优化：除了Cas13a酶，还增加了Csm6酶进行联合部署。

图片来源：Nature Chemical Biology

Csm6酶是一种 III 型 CRISPR-Cas 系统的 RNA 内切酶，可被激活以切割细胞中的各种 RNA 分子， 其特点是信号放大功能，可以提高RNA检测的上限。

此外研究人员还基于病毒的基因序列设计了8种不同的crRNA，多种优化手段的加持下，这项技术的2.0版本可以在20分钟内对新冠病毒实现高灵敏度和快速的即时诊断， 并且检测上限提升到了每微升30个病毒RNA分子 ，虽然不如qRT-PCR，但已经足够用来协助病毒监测了。

值得一提的是，1.0版本中尚显简陋的便携式检测系统也得到了更新，新的便携式检测设备由微流控芯片和紧凑的检测器组成，可以更加方便地检测病毒RNA。

图片来源：Nature Chemical Biology

总之，这项FIND-IT检测技术未来的想象空间是巨大的，这种更为灵敏、方便的检测技术不仅可以用于未来的新冠病毒即时诊断中，而且还能用于其他更广泛的诊断或研究当中。

正如研究团队所言：「 虽然我们确实是为了 COVID-19 而启动了这个项目，但我们认为这种特殊的技术不仅仅适用于此次疫情，因为 CRISPR 是可编程的，因此可以将针对流感病毒、HIV 病毒或任何类型的 RNA 病毒序列整合到 CRISPR 酶中，该系统均可用相同的方式工作。这一研究证明了这种生物化学方法是一种更简单的检测 RNA 的方法，并且快速敏感，这可能被应用于未来的即时诊断中。 」

Jennifer Doudna和CRISPR技术

毫无疑问，这项FIND-IT检测技术是CRISPR技术这一伟大技术的又一次成功应用。CRISPR是近年来生命科学领域最耀眼的技术，并在2020年成功斩获诺贝尔化学奖，笔者在此也介绍一下CRISPR技术的那些往事。

2012年8月17日， Jennifer Doudna和Emmanulle Charpentie合作，在 Science 杂志发表了这篇里程碑式的论文，成功解析了CRISPR/Cas9基因编辑的工作原理。

图片来源：Science

2013年2月15日，张锋在 Science 杂志发文，宣布首次将CRISPR技术应用于哺乳动物和人类细胞。

图片来源：Science

自此，属于CRISPR技术的伟大时代正式到来。Jennifer Doudna、Emmanulle Charpentie和张锋三人也被人们尊称为「CRISPR三巨头」。3位大佬在CRISPR领域接连取得重要突破，发表了大量论文。由于CRISPR技术在疾病治疗、检测、遗传育种等领域展示出巨大的潜力，三巨头也分别成立公司，开始了CRISPR的商业化应用。

2020年10月7日，诺贝尔化学奖公布，CRISPR众望所归摘下桂冠，Jennifer Doudna和Emmanulle Charpentie收获诺奖，令人遗憾的是获奖者中并无张锋。

今天，将CRISPR技术用在医疗上的尝试如雨后春笋般出现：越来越多的基因编辑临床试验取得非常好的疗效。CRISP技术的出现，让人类攻克遗传病变得充满可能，它就如同一柄锋利的达摩克利斯之剑，虽然充满了争议与质疑，却也在帮助着人类无限接近地打破遗传限制。

未来，CRISPR的故事还在会继续，让我们保持期待。