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科學(xué)家研發(fā)出智能手術(shù)刀,可識別癌變組織

佚名 2023-08-10 03:23:30

英國研究人員17日報(bào)告說

，他們開發(fā)出一種“智能”手術(shù)刀
，可在幾秒鐘內(nèi)告訴醫(yī)生他們切除的是正常組織還是癌變組織。

目前醫(yī)生做手術(shù)無法肉眼判斷腫瘤是否已全部切除

。研究人員表示，以乳腺癌為例
，約20％的患者需要進(jìn)行二次手術(shù)
。因此
，醫(yī)生常常要將病人組織樣本送檢
，這一過程耗時(shí)而又未必能除凈癌變組織
。

英國帝國理工學(xué)院的佐爾坦陶卡奇等人在美國《科學(xué)?轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上報(bào)告說，許多手術(shù)都使用電刀

，這種手術(shù)器械通過電流對組織快速加熱灼燒，以在切割的同時(shí)減少出血
。在這個(gè)過程中會產(chǎn)生煙霧。

陶卡奇等人認(rèn)為

，這些煙霧中含有重要的組織信息
，于是他們在電刀的基礎(chǔ)上成功研制出“智能”手術(shù)刀（iknife）
，它與一臺冰箱大小的質(zhì)譜儀相連
，可對手術(shù)產(chǎn)生的煙霧采樣進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)譜分析。在對81名病人的測試中
，這種“智能”手術(shù)刀診斷的準(zhǔn)確率為100％
。而與傳統(tǒng)的術(shù)后診斷需要半小時(shí)相比
，這種“智能”手術(shù)刀的診斷時(shí)間只需短短3秒
。

陶卡奇說

，這種“智能”手術(shù)刀可應(yīng)用于多種癌癥手術(shù)
，它幾乎能提供實(shí)時(shí)信息
，提高醫(yī)生手術(shù)準(zhǔn)確率
，大大減少腫瘤復(fù)發(fā)
。

上帝的手術(shù)刀中基因的秘密有哪些科學(xué)家做出了貢獻(xiàn)

“上帝的手術(shù)刀”對海洋生物做了啥

？
今年的諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給了兩位女科學(xué)家——埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德納（Jennifer A. Doudna），以表彰她們開發(fā)了被譽(yù)為“上帝的手術(shù)刀”“基因魔剪”的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)。

今年的諾貝爾化學(xué)獎得主
CRISPR即成簇的規(guī)律性間隔排列的短回文重復(fù)序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeat ）
。Cas是CRISPR關(guān)聯(lián)基因（CRISPR associated gene）的縮寫
。
CRISPR最初由日本科學(xué)家在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)
，后來被證明廣泛存在于約45%的細(xì)菌和約90%的古細(xì)菌中，是其抵御噬菌體入侵的重要武器
。
當(dāng)噬菌體第一次侵染細(xì)菌時(shí)
，細(xì)菌的Cas1和Cas2蛋白會將噬菌體的一小段DNA片段整合到自己的重復(fù)序列區(qū)中
，成為一個(gè)新的間隔序列
。待同一種噬菌體再次來襲時(shí)
，病毒DNA被間隔序列轉(zhuǎn)錄的guide RNA識別
，并激活Cas核酸酶
，切斷噬菌體的DNA雙鏈，從而守護(hù)自身安全
。利用此原理，科學(xué)家們可以實(shí)現(xiàn)對研究對象某一特定序列的靶向敲除
、敲入等
。

CRISPR/Cas9
CRISPR/Cas9系統(tǒng)可分為三類
，其中CRISPR/Cas9結(jié)構(gòu)和操作更簡潔
，由guide RNA引導(dǎo)Cas9核酸內(nèi)切酶進(jìn)行靶向基因編輯
，自2013年首次運(yùn)用到真核生物基因編輯以來
，發(fā)展迅速，曾于2013年
、2015年兩次被Science雜志評為當(dāng)年十大科學(xué)突破，且今年終于不負(fù)眾望
，摘得諾獎桂冠。
目前關(guān)于CRISPR基因編輯技術(shù)的報(bào)道多集中于人類醫(yī)學(xué)（處于實(shí)驗(yàn)室研究階段）和線蟲
、擬南芥、果蠅
、斑馬魚、小鼠等模式生物
。那么
，這把“上帝的手術(shù)刀”在海洋生物中的應(yīng)用取得了哪些進(jìn)展呢？

構(gòu)建海洋模式生物與疾病模型
將CRISPR基因編輯技術(shù)運(yùn)用于海洋生物的最早報(bào)道可追溯至2014年
。這一年
，Sasaki
、Stolfi等人均以海洋模式生物——玻璃海鞘（Ciona intestinalis）為研究對象
，利用CRISPR技術(shù)先后實(shí)現(xiàn)了Hox基因定位和ebf基因定點(diǎn)突變
。

Hox基因是一種動物基因組內(nèi)高度保守的發(fā)育調(diào)控基因
，在動物體軸形成過程中起重要的作用
。ebf基因可在胚胎發(fā)育過程中決定細(xì)胞命運(yùn)。這兩種基因突變的玻璃海鞘模型可用于探究脊索動物身體形成的分子機(jī)制
。
2016年
，Nymark等將CRISPR技術(shù)運(yùn)用到了海洋藻類中, 成功敲除了三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的CpSRP54基因
。
CRISPR技術(shù)為海洋生物模型構(gòu)建提供了新的視角
，加快了科學(xué)家們探秘海洋生物起源與進(jìn)化的步伐。

培育海洋經(jīng)濟(jì)新品種
海產(chǎn)魚蝦貝蟹是我們飲食中重要的蛋白質(zhì)來源
，而良種的培育能促進(jìn)海水養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展
。利用基因編輯技術(shù)在新品種培育中具有諸多優(yōu)勢
，如育種周期短、靶向性強(qiáng)
、比轉(zhuǎn)基因技術(shù)安全性高等
，有著廣闊的應(yīng)用前景。
2019年
，Kim等將肌生成抑制素（PoMSTN）基因相關(guān)基因編輯組件通過顯微注射導(dǎo)入牙鲆（Paralichthys olivaceus）胚胎中
，經(jīng)過篩選
，得到了雜合雙等位基因突變體
，表現(xiàn)為身體增厚，肉質(zhì)更加肥滿
。

與野生型（左）相比
，PoMSTN基因雜合突變的牙鲆（右）的肥滿度增加（圖片來自Kim等
，2019）

今年
，來自河北大學(xué)的研究者們利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除了脊尾白蝦（Exopalaemon carinicauda）的類胡蘿卜素異構(gòu)加氧酶（EcNinaB-X1）基因
，發(fā)現(xiàn)突變體在受到副溶血性弧菌或嗜水弧菌的攻擊時(shí)存活率明顯高于野生型；又敲除了另一個(gè)類胡蘿卜素加氧酶基因EcBCO2
，突變體具有更高的抗病性
。這些研究發(fā)現(xiàn)為培育抗病抗逆對蝦新品種提供了新思路
。

解析海洋生物基因功能
解密基因的功能是解讀生命這部“天書”的先決條件
，基因編輯技術(shù)為科學(xué)家們提供了一個(gè)解密的絕妙手段
。2014 年
，Nakanishi等人將CRISPR 技術(shù)首次運(yùn)用于甲殼動物，失活了大型溞（Daphnia magna）的pax6 基因
，證明了該基因在眼發(fā)育中的關(guān)鍵作用
。2019年，Liu等人成功敲除海膽的聚酮化合物合酶1基因（Psk1）
，突變個(gè)體從表現(xiàn)為白化
。

野生型（左）與Pks1基因敲除的白化海膽（右）（從3個(gè)月至成年）

需要承認(rèn)
，基因編輯技術(shù)在海洋生物的應(yīng)用仍處于初級階段
，受到海洋生物材料本身問題（如顯微注射后的受精卵孵化率有待提高
、海洋生物細(xì)胞系數(shù)目較少等）
、CRISPR系統(tǒng)脫靶問題等方面的制約。但毫無疑問
，海洋生物基因編輯領(lǐng)域的前途是光明的
，我們有理由相信科研工作者們會不斷創(chuàng)新，成功解決上述問題
，取得海洋生物基因編輯領(lǐng)域的一個(gè)又一個(gè)成就！

參考文獻(xiàn)
Doudna J A, Charpentier E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9[J]. Science, 2014, 346(6213): 1258096.
Kim J, Cho J Y, Kim J W, et al. CRISPR/Cas9-mediated myostatin disruption enhances muscle mass in the olive flounder Paralichthys olivaceus[J]. Aquaculture, 2019, 512: 734336.
Liu D, Awazu A, Sakuma T, et al. Establishment of knockout adult sea urchins by using a CRISPR‐Cas9 system[J]. Development, Growth & Differentiation, 2019, 61(6): 378-388.

利用組織培養(yǎng)技術(shù)發(fā)展起來的無土栽培技術(shù)有什么用處嗎?

首先，它能夠優(yōu)化植物的品質(zhì)

。我們知道，馬鈴薯是用塊莖進(jìn)行繁殖的
，但是在用塊莖繁殖的過程中，植株內(nèi)會侵染一些病毒
，這些病毒能使馬鈴薯塊莖的個(gè)頭逐漸減小
，從而使得馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)大大下降
?div id="d48novz" class="flower left">
？茖W(xué)家們用無土栽培的方法對馬鈴薯進(jìn)行了脫毒
，脫毒后的種苗所結(jié)出的馬鈴薯個(gè)頭要比沒有脫毒的個(gè)頭大得多，這樣不但大大提高了馬鈴薯的產(chǎn)量
，還大大提高了馬鈴薯的品質(zhì)
。當(dāng)然，容易被病毒侵染的絕不止馬鈴薯一種植物
，目前，植株脫毒方法已經(jīng)在草莓
、葡萄、康乃馨等多種作物和花卉上獲得了成功，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益
。

其次

，用組織培養(yǎng)技術(shù)繁殖作物的最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是快速
。因?yàn)檫@種技術(shù)使用植物的任何一個(gè)器官都可以繁殖，而不用等待植物經(jīng)過漫長的生長期
，開花結(jié)果后才能繁殖
。因此
，只要有少量的植物植株
，每年就能以數(shù)以千萬計(jì)的速度進(jìn)行繁殖，用于推廣優(yōu)良品種可以大大節(jié)省時(shí)間
，尤其是對于一些繁殖系數(shù)比較低和不能用種子進(jìn)行繁殖的名特優(yōu)作物品種的繁殖，意義更顯重大
。早在60年代
，我們的科學(xué)家就用無土栽培的方法快速繁殖蘭花獲得成功
。隨后
，科學(xué)家們還快速繁殖了一批重要的、經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較高的名特優(yōu)作物的新品種
，如甘蔗、花卉
、菠蘿
、草莓
、柑橘、苧麻等
。從理論上講
，一棵植物植株就可以通過組織培養(yǎng)技術(shù)培育成為數(shù)以千萬計(jì)的試管苗，每一個(gè)試管苗又可以培育出無數(shù)的小苗
。依據(jù)此原理，一種現(xiàn)代技術(shù)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的新型工業(yè)——試管苗工業(yè)就出現(xiàn)了
。

第三，組織培養(yǎng)技術(shù)的另外一個(gè)突出貢獻(xiàn)就是用它可以保存種質(zhì)

。自從工業(yè)革命以來，由于人類活動的范圍擴(kuò)大和活動加劇，植物物種的滅絕呈現(xiàn)加速的態(tài)勢
，世界上種質(zhì)資源日益枯竭
，特別是那些不能生產(chǎn)種子進(jìn)行繁殖的植物或者種子壽命短的植物尤為嚴(yán)重。近年來
，科學(xué)家研究出用組織培養(yǎng)的方法低溫保存種質(zhì)
。例如
，我們把煙草、胡蘿卜等植物的細(xì)胞
，在零下二十?dāng)z氏度至零下一百九十六攝氏度的低溫下可以貯藏?cái)?shù)月
，而且細(xì)胞在合適的條件下仍能夠恢復(fù)生長，再分化生成完整的植株
。這種保存法所需要的容積小，幾乎每一個(gè)細(xì)胞就相當(dāng)于一粒種子
。于是，人們就開始用組織培養(yǎng)的方法來保存和大量繁殖瀕臨滅絕的那些珍稀植物物種
。

利用組織培養(yǎng)技術(shù)繁殖種苗還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)

，那就是運(yùn)輸非常方便
。利用組織培養(yǎng)所形成的種苗是放在試管里的
，而一瓶試管苗可以隨身帶到任何人類能夠到達(dá)的地方。你可不要小看這一瓶試管苗
，它很有可能繁殖成為數(shù)以億計(jì)的新的植株
，長成一片茂密的森林呢!如果宇航員帶著一些這樣的試管苗，不但在路上可以利用植物制造氧氣和食物
，還能把一些合適的星球改造成我們需要的花園或農(nóng)場呢!

植物組織培養(yǎng)育苗技術(shù)的進(jìn)步

，使得人類在繁殖植物時(shí)
，在很大程度上不用依賴于植物自身的繁殖特性和繁殖周期了，但科學(xué)家們并不滿足
。隨著遺傳學(xué)向細(xì)胞和分子水平研究上的巨大進(jìn)步，科學(xué)家們又在研究
，人類能不能用改變植物遺傳密碼的方法來改良現(xiàn)有的植物品種、甚至創(chuàng)造全新的植物品種呢?經(jīng)過幾十年艱苦的研究
，科學(xué)家們終于獲得了初步的成功。我們知道
，工程師們可以設(shè)計(jì)建造高樓大廈
、海底隧道，可以設(shè)計(jì)制造汽車
、飛機(jī)、火箭等
，這些都是宏觀的偉大工程
。但是
，決定植物遺傳性狀的基因是DNA上的一個(gè)個(gè)片斷
，是非常小的
，一般情況下是看不見和摸不到的
，即使借助普通的光學(xué)顯微鏡也還是拿它沒有辦法，人們怎樣才能做到對它們進(jìn)行隨意切割
、縫合等改造呢?如果使用一般的工具
，我們確實(shí)是沒辦法
，但幸好
，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了大自然給我們預(yù)備的工具——能夠切割和連接DNA片斷的特殊的酶
。

科學(xué)家在進(jìn)行基因重組時(shí)用到的酶有兩類：一類是存在于細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的限制性內(nèi)切酶，用于對DNA進(jìn)行切割

，是“手術(shù)刀”
；另一類是用于連接DNA片斷的DNA連接酶，是“針線”
。

限制性內(nèi)切酶有一個(gè)很大的特點(diǎn)

，就是每一種酶只能識別DNA序列中的幾個(gè)到十幾個(gè)特定的堿基對?div id="d48novz" class="flower left">
，F(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的限制性內(nèi)切酶已經(jīng)超過了350種
，這樣，利用不同的限制酶就可以對不同的DNA片斷進(jìn)行比較準(zhǔn)確的切割了
，在切割完之后
，利用DNA連接酶就可以將限制性內(nèi)切酶所切割的DNA片斷再相互連接起來
。有了“手術(shù)刀”和“針線”，分子生物學(xué)家們就可以隨心所欲地將不同來源的DNA進(jìn)行切割和再連接
，一個(gè)個(gè)具有全新的遺傳性狀的物種就在人類的手中誕生了
。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)可以將抗某種除草劑的基因轉(zhuǎn)移到玉米中

，使這種玉米能夠抵抗某種高效的除草劑，而不會像普通玉米一樣受到損害
；美國孟山都公司的科學(xué)家們已經(jīng)將煙草花葉病毒的某個(gè)基因轉(zhuǎn)到了煙草中，從而獲得了能抗這種病毒的煙草新品種
，他們還用相同的方法獲得了抗馬鈴薯X病毒和Y病毒的馬鈴薯新品種；國外已經(jīng)把一種細(xì)菌的毒素蛋白基因轉(zhuǎn)移到了煙草、番茄和棉花中
，獲得了抗鱗翅目昆蟲的新品種
，使得一些昆蟲在吃了這些植物的葉子或者果實(shí)后就會中毒死亡……

這種用人工的方法把不同生物的決定某些性狀的基因提取出來

，在體外進(jìn)行切割
、重新搭配和再連接，然后再將連接好的基因轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)
，讓生物獲得新的遺傳特性組合
，從而創(chuàng)造出新的生物類型的巨大工程叫做基因工程，所獲得的新植物物種叫做轉(zhuǎn)基因植物
。

現(xiàn)在，基因工程中最引人注目的一個(gè)課題

，就是如何將固氮菌中的固氮基因轉(zhuǎn)移到有實(shí)用價(jià)值的菌種里，以便能利用細(xì)菌進(jìn)行氮肥的工業(yè)生產(chǎn)
，或?qū)⑦@些菌種釋放到土壤中，使它們可以直接為農(nóng)作物提供氮肥
。在我國
，科學(xué)家已經(jīng)應(yīng)用基因工程的方法培育出了高效固氮工程菌，給大豆接種以后
，能夠比普通的根瘤菌每公頃增產(chǎn)225千克左右
，而且接種這種高效固氮工程菌的大豆在黑龍江已推廣上萬公頃。

我們知道

，綠色植物可以利用光能
，在葉綠體中進(jìn)行光合作用，制造養(yǎng)料、營養(yǎng)自身
。如果我們將植物體內(nèi)控制光合作用的基因轉(zhuǎn)移到豬
、牛
、羊等家畜中，培育出自己能進(jìn)行光合作用的“葉綠體豬”
、“葉綠體?div id="jfovm50" class="index-wrap">！薄ⅰ叭~綠體羊”等
，那么，這些家畜就可以自己制造營養(yǎng)物質(zhì)
，人們也就不必再為缺乏飼料而發(fā)愁了!

隨著研究的不斷深入

，基因工程必將在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)
、醫(yī)療衛(wèi)生
、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮更加巨大的作用
。但是，基因工程也遇到了許多困難
，特別是基因工程產(chǎn)品的安全問題
，已經(jīng)引起了世界上各國環(huán)保部門的重視
，由于人工合成的轉(zhuǎn)基因植物并不是自然界原來固有的
，基因工程在制造新物種的同時(shí)，也破壞了現(xiàn)有生物的遺傳特性
，它們對人或其他動物食用后的毒害作用、它們對自然界其他植物的影響還需要經(jīng)過長期的檢驗(yàn)才能被我們確切了解
。為此
，許多國家已經(jīng)制定了針對基因工程的專門法規(guī)
，規(guī)定中強(qiáng)調(diào)
，凡是與哺乳動物和人有關(guān)的基因工程實(shí)驗(yàn)
，都必須在嚴(yán)格的有防護(hù)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行
，所制造的任何基因工程產(chǎn)品或基因工程菌都必須經(jīng)過嚴(yán)格的毒性實(shí)驗(yàn)
，通過嚴(yán)格的審批以后，才能到實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)等等
。

在神話傳說中

，大地上的一切生物都是上帝創(chuàng)造的。上帝雖然創(chuàng)造了地球上的生物
，但是他可以不負(fù)責(zé)任
，因?yàn)樗⒉簧钤谶@個(gè)地球上
，地球上的災(zāi)難對他并沒有切身的影響?div id="jfovm50" class="index-wrap">，F(xiàn)在，我們?nèi)祟惖目萍及l(fā)展已經(jīng)到了能夠左右和創(chuàng)造一些物種的程度
，我們能夠成為植物的“上帝”嗎?恐怕不行
。因?yàn)槲覀冞€不能像“上帝”一樣到地球之外去生活
，而且基因工程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，到目前為止
，人們還不能完全控制這個(gè)過程
。

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