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凭CRISPR

2019-04-27 15:42

原标题:手握“造物主”技术逾20项专利,他是CRISPR的第一批“访客”

张锋如今打破钱学森的纪录,成为MIT历史上最为年轻的华人终身教授。张锋最著名的工作是基因修饰技术CRISPR-Cas9的发展和应用。他为此率先获得了美国专利,并被视为诺贝尔奖的热门人选之一。张锋个人简历如下:1982年,出生在河北省石家庄市;1993年,随家人移民来到美国,并在读高中时候开始对生命科学研究产生极大的兴趣;2004年获得哈佛大学化学与物理学学士学位;2009年获得斯坦福大学化学及生物工程博士学位;2011年他加入MIT,同时在麦戈文脑科学研究所(McGovern Institute)大脑与认知科学部门,以及博德研究所(Broad Institute)从事科研工作;2013年,他的实验室开发出创新性CRISPR/Cas系统,大幅度提高了编辑基因的可靠性和效率,而引起国际关注和并因他突破性的研究成果而获得各种荣誉;2014年,被《自然》杂志评选为2013年年度十大科学人物之一;2015年,获得“年度波士顿人”提名;2016年3月,获得加拿大盖尔德纳国际奖;2016年1月,被汤森路透评为2015年全世界19位最具影响力的科学家之一。同时,他是名单中唯一的生物医学工程学者,也是最年轻的科学家;2016年9月21日,入围汤森路透化学领域“引文桂冠奖”,被视为诺贝尔奖的热门人选。从小对生物工程表现出超乎寻常的兴趣张锋1983年出生于中国河北石家庄,1993年随父母移民美国爱荷华州Des Moines。1994年,他12岁的时候,在一堂礼拜六的分子生物学课上观看了电影《侏罗纪公园》。老师观察到他对恐龙及生物工程表现出超乎寻常的兴奋和兴趣。不久以后,这位老师帮张锋在当地的the Human Gene Therapy Research Institute实验室找到了一份志愿者的工作。从此以后,张锋每天放学以后都会到实验室来参与一些分子生物学的工作。16岁时获得Intel Science Talent Search奖当时,他的实验室导师经常提出的一些“疯狂的点子”,例如绿色荧光蛋白能够吸收紫外线,因此可以用作防晒霜。而当张锋将GFP厚厚地涂在一层DNA之上时,他发现GFP真的能够防止DNA受到紫外线的损伤。这段经历加深了他在生物学方面的兴趣,而中学时代参与的一些科研项目也帮他赢得了很多科学活动的大奖,特别是在2000年的 Intel Science Talent Search,张锋获得第三名。要知道这项享有盛誉的科学大赛起源于1942年,已经有8名获奖者后来荣获诺贝尔奖,其中就包括钱学森的堂侄,加州大学圣地亚哥分校的钱永健教授,在1968年15岁时获得Intel Science Talent Search奖。博士期间牛刀小试高中以后张锋顺利考取了哈佛大学化学及物理专业。他后来解释为什么选择这个专业而不是他已经有所成就的分子生物学。虽然分子生物学每天都有令人振奋的新进展,物理和化学的基本原理却是比较稳定的,他想要打好基础,让自己在今后的学术道路具有坚固的基石。在哈佛大学的本科学习期间,他受到庄小威的赏识,进入了她的实验室。2004 年,张锋来到斯坦福大学申请就读研究生。他原本想要拜访诺奖得主朱棣文(StevenChu),却阴差阳错地碰到了刚刚拥有自己实验室的 Karl Deisseroth。经过短暂沟通之后,Zhang 对 Deisseroth 的课题非常感兴趣,Deisseroth 也对张锋在化学和物理方面的坚实基础留下了深刻印象,他尽力说服张锋加入在自己新建的实验室。他们的合作促成了一个全新的领域,也就是大名鼎鼎的光遗传技术(optogenetics),利用光学刺激和来自水藻的光敏感蛋白精密控制大脑神经元活动。这为最终理解大脑如何工作,如何产生意识和情感,又如何在神经退行性疾病中发生故障提供了阿拉丁神灯一般的强有力工具,也使得他们在脑科学(brain science)的发展史上深深地刻下了自己的名字,并因此荣获了2012Perl-UNC Neuroscience Prize 和 2014 Alan T. Waterman Award 。独立的巅峰之作博士毕业后,张锋离开了Deisseroth 的实验室,回到了麻省,作为研究员入职麻省理工学院。此后,他先后进入了McGovern Institute for Brain Research 和Broad Institute of MIT and Harvard 这两所顶级研究机构,并建立了自己的实验室。在履新大约一个月的时间后,张锋偶然听到一位传染病生物学家谈论细菌中天然免疫系统的组件-CRISPR/Cas。张锋敏锐地感觉到它的非凡潜力,于是在维基百科(Wikipedia)和其他所有他能找到的资料上学习它。在当时的2011年,已有少数的研究团队开始利用CRISPR/Cas来靶向基因组的一些精确区域,但却没有人想到或者把它用作调整人类基因组的工具。而张锋在短时间内吸收了前人的研究成果,改进了CRISPR/Cas,证实它能够在人类细胞中起到基因剪裁的作用。自从张锋捅破这层窗户纸以后,迎来了基因组编辑领域许多的进展和应用。由于在CRISPR/Cas用于基因编辑方面的突破性成就,张锋在2013年以后赢得了巨大的声誉与关注。而CRISPR/Cas作为最可能广泛实用的基因编辑工具,有着数百亿美元的商业前景,几个CRISPR/Cas研究的开拓者都着手商业化准备。张锋创立了Editas Medicine公司,Emmanuelle Charpentier在欧洲创立了CRISPR Therapeutics,Jennifer Doudna之前与张锋共同创立了Editas Medicine,离开Editas Medicine后她现在创立了一家小公司Caribou Biosciences。而张锋在2014年4月抢先获得CRISPR相关的首个专利。CRISPR/Cas技术引发的争议CRISPR/Cas是一种在大多数细菌和古细菌中存在的天然免疫系统,利用了插入到基因组中的病毒DNA作为引导序列,通过CRISPR相关酶来切割入侵病毒基因组物质。2012年,Jennifer Doudna 和Emmanuelle Charpentier领导的研究小组在Science发表了一篇关键文章。文章中揭示了天然免疫系统是如何变成编辑工具的。至少,它可以在试管中切断任何的DNA链。然而这种充满魔法的工具是否能运用到人类细胞的基因组上,最终达到剪裁编辑人类基因的效果呢。张锋在2013年1月抢先发现了这种可能和所需的方法。Jennifer Doudna在几周后,也发表了她自己的独立结果。到这个时候,科学界普遍承认,CRISPR可能是自20世纪70年代生物技术时代开启以来发现的最重要的基因工程技术。CRISPR系统具有搜索和替换DNA的双重功能,可以让科学们通过替换碱基,轻松的改变DNA的功能。在接下来的时间里,科学家们已经证实,利用CRISPR可以治疗小鼠的肌肉萎缩、罕见肝脏疾病,甚至使人类细胞具有免疫HIV等惊人的功能。2014年4月15日,美国专利局将CRISPR-Cas9技术的专利颁发给张锋所在的Broad研究所,而张锋博士就是该专利的发明者。专利权限包括在真核细胞或者任何细胞有细胞核的物种中使用CRISPR。这就意味着,他们拥有在除细菌外的任何生物中使用CRISPR的权益,包括老鼠、猪、牛和人。这使得他和他的研究所几乎可以控制所有与CRISPR相关的重要商业应用。2014年11月在美国硅谷,Jennifer Doudna 和Emmanuelle Charpentier获得了奖金为300万美元的The Breakthrough Prizes of Life Sciences,两位学界高颜值女神身穿华丽黑色礼服,在好莱坞明星的簇拥下接过了The Breakthrough Prizes奖杯和奖金。她们在CRISPR-Cas9开拓性的工作获得了极大的认可。而张锋作为另一位在这个领域开拓性的人物却并没有被列为共同发明人共享这一奖项。学界普遍认为是Charpentier和Doudna推动了CRISPR编辑的发展,张锋则是通过证实它能够在真核细胞中起作用揭示了它的巨大潜力,来自哈佛医学院的George Church则独立证实了张锋的这一研究发现。张锋声称,他开拓了这一领域的研究风潮:在这一技术得到广泛报道之前他一直在开展研究,并且由于他的实验室过去曾经微调ZFNs和TALENs来编辑DNA,拥有了一些适当完善CRISPRs的经验,使得他们在CRISPRs的基因编辑研究上抢占了先机。虽然张锋获得了关于CRISPRs的第一个专利,但实际上加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna以及当前任职于德国Helmholtz感染研究中心的Emmanuelle Charpentier提交专利申请的时间要比张锋早了七个月。张锋被首先授予专利最有可能的原因就是,他申请了快通道专利(fast-trackpatent),在他递交申请短短6个月后授予了他知识产权。为了证明自己是第一个发明者,即第一个在人体细胞中使用CRISPR-Cas的人,张锋提供了他的实验室笔记本的快照,以此证明他在2012年年初就创建并运行了CRISPR-Cas系统。这早于Jennifer Doudna 和Emmanuelle Charpentier提交她们自己的专利申请的时间,甚至也早于她们在Science上发布自己的研究成果的时间。而且根据张锋表示,Jennifer Doudna在她早期专利申请中的预测CRISPR将会对人类细胞有用只是一种泛泛的猜想,相反地,他是第一个证明CRISPR惊人作用的人。当然,CRISPR/Cas9虽然很优秀,但并不完美,张锋又进行了开创性探索,就在几天前,他的新的研究论文又发表在Cell上,发现了一种新的更为高效的,完美的基因编辑系统CRISPR/Cpf1,这一系列开创性发现,是否有助于他将来获得诺贝尔奖呢?虽然,不少人对此有质疑,毕竟第一次提出基因编辑的想法的并不是他,而此前的ZFN,TALEN等基因编辑技术也与他无关。那么,张锋的发现是创造性的,还是锦上添花型的,支持后者,一般认为张锋的主要工作在系统优化和应用层面有重要贡献。然而,不管熟是熟非,自有后人评说。当然,不论张锋是否最终能得诺贝尔奖,基因编辑CRISPR/Cas9这项技术都很有潜质,即使这项技术还十分“年轻”。(原标题:破钱学森纪录!这个80后成麻省理工最年轻华人终身教授)

写作跨界,读作赋能,人类自历史发展以来就没有离开过跨界二字。1776 年,詹姆斯·瓦特发明了蒸汽机,利用煤和木炭浊作为燃料,可以提供不受环境影响的高效动力。时间到了1814 年,乔治·史蒂芬森将蒸汽机与载具进行了跨界融合,才有了轰动一时的发明,蒸汽机车。

历史上这样的例子数不胜数,最重要的是,每当有这样一种通过赋能带来巨大收益提升的作品出现时,时代就会发生变革。1870 年,齐纳布·格拉姆发明了电动机,1881 年人们把电动机附能在了生产上,于是便拉开了工业时代的序幕。

跨界还有另外一层含义,那就是打破隔阂。在这个万物飞速发展的年代,都在强调人才难求。事实上并非如此,只是缺乏一个合适的机会。学者们平时总会分散在各大研究室里,很少接触媒体的他们,外人也总是认为他们很高冷。

麻省理工科技评论 35 岁以下年度创新 35 人就是一场,属于那些带来技术火种的“普罗米修斯”们的聚会。

10 月27 日,由《麻省理工科技评论》DeepTech深科技联合主办梅赛德斯**-**奔驰特别呈现**“全球科技青年论坛——Meet 35”**将在北京嘉里大酒店举行。会上设置了“科技大跨界”版块,嘉宾们将一起探讨学科之间碰撞点燃的那些科技火花。

届时,斯坦福大学医学院助理教授丛乐将受邀出席。

因为几年前一项生物技术的诞生,人类从未像今天一样如此接近于拥有“造物主”的能力。

这项生物技术就是 CRISPR

CRISPR 原本是一种源自细菌及古细菌中的一种获得性免疫系统,却意外成为了真核细胞体内的基因组编辑工具。短短两三年的时间,CRISPR 已发展成为生物学领域最炙手可热的研究工具之一。它不但丰富了我们对于细菌、古细菌生理机制的认知,更重要的是,人类可以利用它对基因进行改造

作为首届《麻省理工科技评论》中国区 35 岁以下科技创新青年,丛乐就是将这项技术带到人类基因世界的青年科学家之一。据Justia Patents显示,他的研究成果已申请超过 30 项专利,其中和 CRISPR相关的超过了 20 项。

丛乐 2005 年考入清华大学电子工程系,一年后转入生物系,并于 2008 年荣获清华大学特等奖学金。2009 年本科毕业之后他来到哈佛大学攻读博士,成为麻省理工学院著名华人教授张锋的第一个弟子,从此走上了 CRISPR 的研究之路,他们也是CRISPR 技术从基础研究走向技术应用的第一批访客

2013 年 1 月,张锋作为通讯作者、丛乐作为第一作者在《Science》发表论文,介绍如何将 CRISPR 基因编辑技术用于植物、动物与人类细胞,充分表明了CRISPR 技术有潜力修改哺乳动物的基因组有助于改进人类疾病建模和对新治疗方法的探索

由张锋实验室发表在《Science》期刊上的文章“ Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems ”首次揭示了CRISPR-Cas 9 系统作用于人类和鼠类细胞基因的研究及其应用前景,现已经被引用了超过 5000 次。

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图丨张峰教授

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