我们从大自然借来的三种强大的技术

沃森(Watson)和克里克(Crick),施罗德(Schrödinger)和爱因斯坦(Einstein)都做出了理论突破,这改变了世界对科学的理解。如今,改变游戏规则的想法不太常见。新的和改进

沃森(Watson)和克里克(Crick),施罗德(Schrödinger)和爱因斯坦(Einstein)都做出了理论突破,这改变了世界对科学的理解。

如今,改变游戏规则的想法不太常见。新的和改进的技术是现代科学研究和发现背后的推动力。它们允许科学家(包括像我这样的化学家)比以前更快地进行我们的实验,并且对隐藏的科学领域的启发。

三种尖端技术 – 基因编辑工具CRISPR,荧光蛋白和光遗传学 – 都受自然的启发。现在已经用于医学和生物学研究中使用了数百万年的细菌,水母和藻类的生物分子工具。他们将直接或间接地改变日常生活的生活。

细菌防御系统作为遗传编辑

细菌和病毒彼此作战。他们在不断的生化战争中争夺稀缺资源。

细菌在其阿森纳中拥有的武器之一是CRISPR-CAS系统。这是一个遗传文库,由从敌对病毒中收集的DNA的简短重复序列,与称为CAS的蛋白质配对,该蛋白可以像剪刀一样切割病毒DNA。在自然世界中,当细菌受到DNA储存在CRISPR档案中的病毒攻击时,CRISPR-CAS系统会捕捉,切割和破坏病毒DNA。

科学家已将这些武器重新利用为自己的使用,并具有开创性的效果。詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)是加利福尼亚大学伯克利分校的生物化学家,法国微生物学家Emmanuelle Charpentier分享了2020年诺贝尔化学奖,以开发Crispr-CAS作为基因编辑技术。

史蒂夫·詹宁斯(Steve Jennings)/盖蒂(Getty Images)的照片为突破性的人类基因组项目提供了几乎完整的遗传序列,并为科学家提供了一个模板来对所有其他生物进行序列。但是,在CRISPR-CAS之前,我们的研究人员没有可以轻松访问和编辑生物体中的基因的工具。如今,由于CRISPR-CAS,实验室工作过去需要数月和数年,并且只需几百美元就可以在不到一周的时间内完成数十万美元。

仅在一个基因上发生的突变(即所谓的单基因疾病)引起的10,000多个遗传疾病。他们影响数百万人。镰状细胞贫血,囊性纤维化和亨廷顿氏病是其中最著名的疾病之一。这些都是CRISPR疗法的明显目标,因为仅修复或替换一个有缺陷的基因而不是需要纠正多个基因上的错误要简单得多。

例如,在临床前研究中,研究人员将封装的CRISPR系统注射到患有罕见遗传疾病的患者,即甲状腺素蛋白淀粉样变性的患者,会导致致命的神经和心脏病。这项研究的初步结果表明,可以将CRISPR-CA直接注入患者,以使其可以找到并编辑与疾病相关的错误基因。在这项里程碑式工作中包括的六名患者中,封装的CRISPR-CAS极小物质达到了目标基因并完成了工作,从而导致与该疾病相关的错误折叠蛋白质显着下降。

水母照亮了微观世界

毫无目的地在北太平洋漫无目的地漂移的水晶水母,没有大脑,没有肛门,也没有有毒的刺痛者。点燃生物技术革命是一个不太可能的候选人。然而,在其雨伞的外围,它有大约300个光孔,它们散发出绿灯的销售,这些绿灯改变了科学的进行方式。这种生物发光的光线是从称为Aequorin的发光蛋白和称为绿色的绿色分子的水母中的生物发光的光。荧光蛋白或GFP。在现代生物技术中,GFP充当一个可以融合到其他蛋白质的分子灯泡,使研究人员可以跟踪它们,并查看在生物体细胞中何时何地生产蛋白质。荧光蛋白技术每天都在数千个实验室中使用,并授予了两项诺贝尔奖,一种在2008年,另一种是在2014年。现在在更多物种中发现了荧光蛋白。

Erin Rod通过Wikimedia Commons。

当研究人员创建了表达GFP的转基因的Covid-19病毒时,这项技术再次证明了其效用。所得的荧光使得在病毒进入呼吸系统并用发际型结构与表面细胞结合时,可以遵循病毒的路径。

藻类让我们发挥神经元的脑神经元

当藻类依赖阳光以生长的藻类被放置在一个黑暗的房间中的一个大水族馆中时,它们漫无目的地游泳。但是,如果打开灯,藻类将朝着光线游动。单细胞的鞭毛(因此以他们用来移动的鞭打附属物而得名)没有眼睛。取而代之的是,它们具有一个称为眼点的结构,可以区分光明和黑暗。眼柱饰有称为ChannelRhodopsins的光敏蛋白。在2000年代初期,研究人员发现,当他们将这些通道旋转蛋白插入任何生物体的神经细胞中时,用蓝色光引发神经元发射神经元。该技术被称为光遗传学,涉及将通道旋转蛋白的藻类基因插入神经元中。当这些神经元上闪闪发光的蓝光光束时,通道旋转蛋白会打开,钙离子通过神经元和神经元燃烧。

使用此工具,科学家可以选择性地刺激神经元组,从而更加精确地了解哪些神经元以治疗特定疾病和疾病。光遗传学可能是治疗衰弱和致命的脑部疾病的关键,例如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症。

纳塔莎·康奈尔(Natasha Connell)的照片

但是,光遗传学不仅对理解大脑有用。研究人员已经使用光遗传学技术来部分逆转失明,并在使用光遗传学的临床试验中发现了有希望的结果,这是对色素性视网膜炎的患者,这是一组破坏了视网膜细胞的遗传疾病。在小鼠研究中,该技术已被用来操纵心跳并调节便秘小鼠的肠运动。

自然仍然对我们仍然持有哪些未被发现的技术?

根据2018年的一项研究,人们仅占所有生物的0.01%,但在我们在地球上短暂的时间内损失了所有野生哺乳动物的83%和一半的植物。通过歼灭自然,人类可能会在没有想象的新的,有力和改变人生的技术上失去新的,有力和改变人生的技术。

毕竟,没有人可以预见到从自然中得出的三个开创性过程的发现可能会改变科学的方式。

Marc Zimmer,康涅狄格学院化学教授

本文根据Creative Commons许可从对话中重新发布。阅读原始文章。

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