该设备被称为CRISPR-Chip，可用于快速诊断遗传疾病或评估基因编辑技术的准确性。该团队使用该设备在杜兴肌肉萎缩症患者的DNA样本中识别基因突变。“我们已经开发出了第一个使用CRISPR来搜索你的基因组的潜在突变的晶体管，”KGI的助理教授Kiana Aran说，他在加州大学伯克利分校生物工程教授Irina Conboy的实验室做博士后时就构思了这项技术。“你只需要把提纯后的DNA样本放在芯片上，让CRISPR进行搜索，石墨烯晶体管就会在几分钟内报告搜索结果。”
医生和遗传学家现在可以对DNA进行测序，以确定一系列特征和状况背后的基因突变，像23andMe和AncestryDNA这样的公司甚至向好奇的消费者提供这些测试。但与大多数形式的基因检测不同，包括最近开发的基于crispr的诊断技术，CRISPR-Chip利用纳米电子学检测DNA样本中的基因突变，无需先通过聚合酶链反应(PCR)这种时间和设备密集型的过程，将感兴趣的DNA片段“放大”或复制数百万次。这意味着它可以用于在医生办公室或野外工作环境中进行基因检测，而无需将样本送到实验室。
加州大学伯克利分校的生物工程教授、论文的合著者Niren Murthy说:“CRISPR-Chip的好处是它是真正的护理点，如果你有一个好的DNA样本，它是少数几个你可以真正在床边做的事情之一。”“最终，你只需要取一个人的细胞，提取DNA，并将其与CRISPR-Chip混合，你就能分辨出某个特定的DNA序列是否存在。这可能会导致真正的床边DNA检测。”
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绕过瓶颈
CRISPR-Cas9系统以其在精确位置剪断DNA线的能力而闻名，就像一把锋利的剪刀，给了研究人员前所未有的基因编辑能力。但为了让Cas9蛋白准确地剪切和粘贴基因，它首先必须在DNA中找到需要剪切的确切位置。
为了让Cas9在基因组中找到一个特定的位置，科学家们必须首先给它装上一段“引导RNA”，这是一小段RNA，其碱基与感兴趣的DNA序列互补。体积庞大的蛋白质首先打开双链DNA的拉链，进行扫描，直到找到与引导RNA相匹配的序列，然后锁定。
为了利用CRISPR的基因靶向能力，研究人员取了一个失活的Cas9蛋白——Cas9的一种变体，它可以在DNA上找到一个特定的位置，但不能切断它——并将它拴在石墨烯制成的晶体管上。当CRISPR复合体找到它的目标DNA上的点时，它会与之结合，并引发石墨烯的电导变化，这反过来又改变了晶体管的电特性。这些变化可以通过团队的工业合作者开发的手持设备检测到。
石墨烯是由单个碳原子层构成的，其电灵敏度极高，无需PCR扩增就能在全基因组样本中检测到DNA序列“命中”。“石墨烯的超灵敏度使我们能够检测CRISPR的DNA搜索活动，”阿兰说。“CRISPR带来了选择性，石墨烯晶体管带来了灵敏度，一起，我们能够做这种无pcr或无放大检测。”
阿兰希望不久能将该设备“多功能化”，允许医生同时插入多个引导rna，在几分钟内同时检测多个基因突变。阿兰说:“想象一个有很多搜索框的页面，在我们的例子中是晶体管，你在这些搜索框中有你的导航RNA信息，每个晶体管都将进行搜索并以电子方式报告结果。”
快速诊断方法
为了证明CRISPR-Chip的灵敏度，研究小组使用该设备检测杜氏肌萎缩症(DMD)患者血液样本中的两种常见基因突变。Conboy论文的合著者说,CRISPR-Chip DMD筛查可能是特别有用的装置,如严重的肌肉疾病可以在大量的肌营养不良蛋白基因突变引起的,最长的在人类基因组中,发现突变可以是昂贵和耗时的使用pcr基因检测。康博伊也在从事基于crispr的DMD治疗工作，他说:“作为目前的一种做法，患有DMD的男孩通常不会进行筛查，直到我们知道有什么地方出了问题，然后他们进行基因确认。”有了数字设备，你可以设计整个营养不良蛋白基因的引导rna，然后你可以在几个小时内筛选整个基因序列。你可以筛查父母，甚至新生儿是否存在营养不良蛋白突变，然后，如果发现了突变，就可以在疾病真正发展之前及早开始治疗，”康博伊说。
Murthy说，快速基因检测还可以帮助医生为患者制定个性化的治疗计划。例如，基因变异使一些人对昂贵的血液稀释剂没有反应，比如波立维。Murthy说:“如果你有某些突变或某些DNA序列，这将非常准确地预测你对某些药物的反应。”
最后，由于CRISPR- chip可以用于监测CRISPR是否与特定的DNA序列结合，它也可以用于测试基于CRISPR的基因编辑技术的有效性。例如，它可以用来验证引导RNA序列的设计是正确的，Aran说。“将现代纳米电子学与现代生物学结合起来，为获取新的生物信息打开了一扇新的大门，这是以前无法获得的。”
来源:加州大学伯克利分校
