图：CRISPR芯片，来源：凯克研究院

近日，来自美国加州大学伯克利分校及凯克研究院的科学家将CRISPR技术与石墨烯电子晶体管相结合，成功开发出一种名为“CRISPR芯片”（CRISPR-Chip）的新型手持基因检测设备，可在数分钟内对特定基因突变进行检测，进而帮助快速诊断遗传疾病或评估基因编辑的准确性。

CRISPR-Cas9系统以精确切割DNA片段而闻名，这赋予了研究人员前所未有的基因编辑能力。但除了基因编辑，CRISPR-Cas9系统其实还拥有强大的基因定位能力。在这项最新研究中，为了充分发挥CRISPR-Cas9系统的这一能力，研究人员将失活的Cas9蛋白（可以在DNA上定位特定位置，但不能进行切割）固定在石墨烯晶体管上。当CRISPR复合物发现目标DNA位点时，能够会与之结合，并触发石墨烯电导的变化，进而改变晶体管的电学特性，最终通过手持设备对相关信号进行检测。目前，该团队已成功使用该设备对杜氏肌营养不良患者DNA样本的基因突变进行了检测。

图：CRISPR芯片检测流程图，来源：Nature Biomedical Engineering

论文通讯作者、凯克研究院助理教授Kiana Aran表示：“我们已开发出首个利用CRISPR技术来检测基因组潜在突变的晶体管设备。你只需将纯化的DNA样品放在芯片上，让CRISPR进行搜索，石墨烯晶体管可以在几分钟内报告搜索结果。”

如今，基因检测正在帮助临床医生和遗传学家找出不同个体表型或特征下的基因突变，国内外消费级基因检测公司也正在向大众提供各种类型的消费级基因检测服务。但是，与包括近期开发的基于CRISPR的诊断技术在内的大多数基因检测形式不同，CRISPR芯片则利用纳米电子学技术来检测DNA样本中的基因突变，无需PCR过程。这也意味着，研究人员可以在医生办公室或野外工作环境中进行基因检测，无需将样本送至实验室。Kiana Aran补充道：“石墨烯的超敏感性使我们能够检测到CRISPR的DNA识别活动。通过将CRISPR的选择性和石墨烯晶体管的灵敏度相结合，我们得以实现PCR-free或amplification-free的检测。”

为了证明CRISPR芯片的灵敏度，该团队使用该装置对来自Duchenne型肌营养不良症（DMD）患者血液样本中的两种常见基因突变进行了检测。在靶基因存在的情况下，CRISPR芯片能够在15分钟内产生灵敏度为1.7 fM的输出信号，相较于缺乏靶序列的样品，输出信号显著增强。研究人员表示，CRISPR芯片可能是一种特别适用于DMD筛查的装置，因为这种严重的肌肉萎缩疾病可能是由大量肌营养不良蛋白基因突变所引起的。若使用基于PCR的基因检测，突变检测可能是昂贵且耗时的。研究人员进一步介绍：“使用数字设备，你可以基于整个肌营养不良蛋白基因设计向导RNA，然后可以在几小时内对整个基因序列进行筛查。你可以对父母，甚至新生儿进行筛查，了解是否存在肌营养不良蛋白突变。而后，如果发现这些突变，就可以在疾病真正发展之前尽早开始治疗。”

此外，这种快速的基因检测也可以用来帮助医生为患者制定个性化的治疗计划。例如，基因变异可能会使一些个体对某些昂贵的药物缺乏反应。因此，如果患者具有某些突变或DNA序列，这一装置将能够帮助临床准确地对某些药物治疗反应进行预测。最后，因为CRISPR芯片可以用于监测CRISPR是否与特定DNA序列结合，所以它也可以用于检测基于CRISPR基因编辑技术的有效性，例如验证向导RNA序列的设计是否正确等。

论文作者、加州大学伯克利分校生物工程学教授Niren Murthy强调：“CRISPR芯片的优势在于它是真正意义上的即时检测，如果你拥有良好的DNA样本，那么它是少数几件你可以在病床边真正做到的事情之一。你最后只需要取一个人的细胞，提取DNA并将其与CRISPR芯片混合，就可以知道某个DNA序列是否存在。这或将引领真正意义上的DNA床旁检测。”

下一步，研究人员希望对该装置进行升级，使其能够进行更加多样的检测，允许医生一次置入多种向导RNA，以便在几分钟内同时检测出许多基因突变。

参考资料：

1. Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor

2. New CRISPR-powered device detects genetic mutations in minutes