諾貝爾獎專題 三之一
化學獎 來自細菌的基因剪刀

文/陳彥榮 圖/柯欽耀 (2020/11/3)

今年的諾貝爾獎得主是法國的夏彭提耶博士與美國的道納博士。

 不同生物的DNA就像是一本本密碼書,寫滿了暱稱為生物「設計藍圖」的基因,我們的細胞就是憑藉這本密碼書記載的資訊,來發育、運作身體。

 換句話說,只要有好方法能「修改」這本密碼書上面的句子,細胞就會按照新版密碼書工作,這樣就能改變生命藍圖,創造出符合醫療、研究、農業、能源等需求的生物。

編輯基因新技術

 以前,科學家想要改寫生命密碼書時,只能先在實驗室設計好「內容長得像」的頁面,等待細胞在運作過程中,像是整理散落的文件一樣,「碰巧」把科學家設計好的頁面抽換進密碼書。

 不過這麼做的成功率不高,因此生物學家開始想一些方法,例如如果故意撕破密碼書上我們想要變更的頁面,再趁機把設計好的相似頁面放在一旁,當細胞發現書被弄壞了前來修補的時候,就提高了把人工頁面整理進密碼書的機會。今年諾貝爾化學獎,就是頒發給發現這樣技術的兩位科學家──法國的夏彭提耶(Emmanuelle Charpentier)博士與美國的道納(Jennifer Doudna)博士。

 兩位科學家發現CRISPR/Cas9基因剪刀可以將密碼書上我們想要變更的頁面剪破,而且精準度與操作便利度遠超以前的方法,大幅增加成功更換密碼書頁面的機會,開創了人類編輯基因的新時代。

細菌的免疫系統

 這把剪刀是在細菌體內發現的。細菌和人類一樣,會受到病毒攻擊。病毒會把它的密碼書丟到細菌細胞內,讓細菌的蛋白質工人按照病毒的密碼書工作,幫忙製造新的病毒。

 細菌當然不想幫病毒做白工,為了抵抗外來的密碼書入侵,細菌發展出一套「剪刀」系統。

 這套剪刀系統是怎麼被發現的呢?起初,道納博士透過同事分享得知,在細菌體內的密碼書上,有許多稱為CRISPR的段落。這些段落由一些反覆間斷出現的重複句子組成,在重複的句子之間,還記錄了病毒密碼書上的部分資訊,儼然就是記載了入侵者長相的資料庫。

 道納博士懷疑,細菌在打敗入侵的病毒之後,會用這樣的段落寫下紀錄,做為日後再次遇到同樣敵人的參考。在一番研究後,果不其然,在細菌體內找到稱為Cas9,用來剪碎病毒密碼書的「剪刀」酵素。

 既然有剪刀酵素,也有敵人的資料庫,那麼細菌這套剪刀系統是怎麼運作的呢?

細菌體內的Cas9可以透過密碼書上的資料庫,逮到並剪碎病毒放進來的DNA。

引導剪刀來幫忙

 某天在研討會上,道納博士遇到了夏彭提耶博士,她提到細菌如何透過資料庫來啟動剪刀酵素的方法。

 原來剪刀酵素並不是直接使用密碼書上的資料庫,而是細菌體內的蛋白質工人會影印相關頁面提供給剪刀酵素參考。剪刀酵素就憑著這個頁面「按圖索驥」,在細菌體內追捕、剪碎偷溜進來的病毒密碼書,讓病毒無法得逞。

 還記得生物學家能設計「內容長得像」的頁面嗎?她們兩位決定合作,改由人類設計、製造原本由細菌體內蛋白質工人影印的頁面,提供給剪刀酵素參考。

 如此一來,這把「剪刀」就能聽從人類指揮,精準的剪下我們希望的密碼書頁面了。可說是在人類「基因編輯」的領域上跨出了一大步,獲得今年的諾貝爾化學獎可真是實至名歸啊!