科学家提出新型光热镊技术，能和CRISPR实现联用，有望用于单分子水平基因检测和基因编辑

“我们的成果好比为光镊装上一双眼睛，不仅能抓到核酸分子，还能知道核酸分子的类型。并且这双眼睛的识别精度特别高，具有 ‘单碱基’的分辨率。”深圳大学特聘研究员兼助理教授说道。

这项技术代表着生物光子学和生物纳米的新突破，为临床诊断提供了新工具，并增强了基于 CRISPR 的光学操控技术的检测能力，能为精准基因编辑提供新的可能。

上述成果的全称叫做“CRISPR 驱动光热镊技术（CRONT）”，通过这一技术和团队已经实现多种粒子的操控。

凭借显著的特异性、原位操控能力、以及识别生物纳米粒子的潜力，CRONT 有望成为临床诊断、生物光子学和生物纳米领域的通用工具。

详细来说，它的主要应用前景有三方面：

其一，可用于精准医学和个体化治疗。

即 CRONT 可以进行精确的基因编辑，针对小到细胞甚至小到病毒水平的单个个体，可以根据它们的遗传特征进行定制化治疗，进而针对特定遗传病变进行治疗，尤其是治疗癌症、罕见病等具有遗传背景的疾病。

其二，可用于早期疾病诊断和生物标志物检测。

CRONT 能以较高的灵敏度，检测特定的 DNA 或 RNA 序列，从而将后者作为疾病的早期生物标志物。这样一来就能在疾病早期实现准确诊断，提高癌症和传染病的诊断率。

其三，可用于基因组研究和遗传多样性分析。

CRONT 能对单核苷酸多态性进行高精度识别，从而深入理解遗传的多样性，借此可以揭示疾病易感性、药物反应等遗传变异要素，推动个性化医疗和药物设计。

表示：“就在最近 CRISPR 疗法已经获得美国 FDA 的认证，这意味着该疗法已经从实验室走进临床，因此我们所研发的这款新型 CRISPR 技术有望在临床检测中解决更多生物学问题。”

为光镊装上一双“眼睛”

据介绍，传统光热镊技术一般通过控制光场来实现微观粒子的操控。而本次研究中所使用的光热镊具有识别能力。那么，传统光热镊为何无法进行生物相关性的识别？

这是因为传统光镊主要通过光场的动量变化来操控微观粒子。而光热镊技术则是利用光场的能量，将光能转化为机械能，实现对于颗粒的操控。

因此，光热镊在操控效率上具有更高的优势。而传统光镊在操控过程中，光镊主要关注颗粒的物理结构比如折射率、密度、形状等，进而计算颗粒所受到的力的大小，包括梯度力以及散射力。

这种受力主要与颗粒的物理性质相关，而与其生物相关性没有关系。

所以，在一般情况下传统光镊技术或光热镊技术，无法进行特异性的生物识别。

而在本次研究中，通过回顾光热纳米镊这一光学操控技术的发展，课题组决定将这种技术用于更广泛的纳米粒子捕获。这样一来的好处是，能让光热纳米镊拥有识别生物纳米粒子的潜力。

通过结合光热操控技术，以及基于 CRISPR 生物检测的协同效应，他们开发出了 CRONT 技术。

通过利用光热激发所产生的扩散泳力和热渗流，课题组在衬底附近捕获了金纳米颗粒团簇、CRISPR 相关蛋白、以及包含 DNA 分子在内的生物纳米粒子。

同时，他们还开发一种新型 CRISPR 方法来观察核苷酸的切割。将光热镊转化为一种分子探针，即可用于原位 DNA 分子的识别，期间完全无需核酸扩增。

此外，针对低浓度的单/双链 DNA 分子，课题组也成功对其实现了 25aM/250aM 检测极限，有望达到单分子水平的检测能力。

那么在将光热镊与 CRISPR 技术结合的过程中，光动力学和生物特异性是如何结合的？

这期间主要涉及的光动力学现象，包括光场力和热扩散力（即热泳力）。这些力量共同推动着纳米金颗粒、Cas12a 蛋白、以及目标 DNA 向特定区域聚集。

光热镊在聚集区域会产生加热作用，当温度达到 37 摄氏度时，Cas12a 的剪切酶活性达到最高。

此时，DNA 分子会被激活，从而实现对于纳米金颗粒团簇的剪切。

（来源：Light: Science & Applications）

期间，生物特异性的结合主要表现在 Cas12a 蛋白对目标 DNA 的识别上。在 Cas12a 蛋白的内部，含有与目标 DNA 互相匹配的序列。

当使用人工设计的方法，生成不同的引导 RNA，并将其导入 Cas12a 蛋白之中，就能生成 Cas12a 蛋白，这种蛋白具备识别不同 DNA 的能力。

一旦发生这种识别，Cas12a 蛋白的反式切割活性就会被激活，这一激活过程类似于“基因剪刀”，它能对周围的单链 DNA 进行无差别的剪切。 从而通过观测单链 DNA 链接的金球团簇一分为二这过程，便可推测溶液中是否含有特定核酸。

克服基于 CRISPR 的检测的两大瓶颈

通过上述研究过程，在光学操控、以及基于 CRISPR 的检测领域，CRONT 解决了两个瓶颈问题。

首先，克服了传统光镊缺乏识别功能的问题。尽管传统光镊很擅长捕获纳米粒子，但是无法识别这些被捕获粒子的生物属性。

而 CRONT 通过将 CRISPR 基因检测与光热操控相结合，不仅能有效捕获生物纳米粒子，还能对它们进行识别。

利用扩散泳力和热渗流，CRONT 能够捕获 DNA 功能化的金纳米颗粒、CRISPR 相关蛋白以及 DNA 链，从而在水溶液中实现对于 DNA 的识别。

其次，CRONT 提高了超低浓度微量样品中的检测灵敏度。据了解，基于 CRISPR 的感测技术很难对超低浓度样品进行检测，尤其是检测小体积样品中的目标分子。

而 CRONT 能被用于操控和识别目标生物纳米粒子。目前，它已经可以成功操控各种生物纳米粒子，并能结合基于 CRISPR 的 DNA 生物传感方案。

因此可以在无需核酸扩增的情况之下检测 DNA 分子。特别是在 10 微升样品的极低体积检测实验中，CRONT 也显示出识别单核苷酸多态性的能力。

由此可见，这能极大助力于理解遗传多样性、以及理解疾病易感性和药物反应之间的关系，从而满足基因组研究和医学研究的多样化需求。

日前，相关论文以《基于 CRISPR 的光热纳米光镊：多种生物纳米粒子的操作和单核苷酸鉴定》（）为题发在 Light: Science & Applications[2]。

图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

深圳大学特聘研究员、副研究员、孟长乐硕士生是共同一作，深圳大学教授和教授、以及香港中文大学教授担任共同通讯作者。

图 | 陈嘉杰（来源：）

未来，他们将进一步优化 CRONT 的操作流程和参数，提高其稳定性和可重复性。探索 CRONT 在神经科学和心血管科学中的潜在应用。

同时，预计在激光加热点阵列的帮助之下，这一技术有望实现高通量检测，这不仅会让它更加适合于定量检测，也有望显著减少检测时间。

此外，他们将开展临床前研究，验证 CRONT 技术在实际临床应用中的效果和安全性。

此外，还将 CRONT 与高通量测序技术以及成像技术等结合，从而开发更加全面的生物分析平台。同时，也将探索 CRONT 技术的商业化途径。

参考资料：

1.https://doi.org/10.1002/adma.202309143

2.Chen, J., Chen, Z., Meng, C.et al.CRISPR-powered optothermal nanotweezers: Diverse bio-nanoparticle manipulation and single nucleotide identification.Light Sci Appl12, 273 (2023).https://doi.org/10.1038/s41377-023-01326-9

运营/排版：何晨龙

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