杜克大學的研究人員設計出了一種方法，通過結(jié)合一種細菌的病毒防御系統(tǒng)及花對于陽光的反應，只需撥動光開關(guān)就可以在實驗室培養(yǎng)皿中以任何模式在任何的特異位點激活基因。

能夠利用光在特異的位點激活基因，研究人員可以更好地研究基因的功能，構(gòu)建出復雜的生長組織系統(tǒng)，并有可能最終實現(xiàn)科幻小說般的治療技術(shù)。

這項由杜克大學生物醫(yī)學工程學助理教授Charles Gersbach領(lǐng)導的研究，發(fā)布在2月9日的《自然化學生物學》（Nature Chemical Biology）雜志上。

研究的主要作者、杜克大學博士生Lauren Polstein說：“這一技術(shù)使得科學家可以挑選出所有染色體上的任何基因，利用光線來開啟或關(guān)閉它，其有潛力改變遺傳工程能夠做到的事情。利用光線來做這件事情的優(yōu)點在于，通過改變光強度我們可以快速、輕易地控制開啟或關(guān)閉基因的時間以及基因激活的水平。我們還可以通過以特異的方式進行光照來靶向基因開啟的位點，例如讓光線通過模板。”

這一新技術(shù)利用了一種叫做CRISPR/Cas9的新興遺傳工程系統(tǒng)來靶向特異基因。CRISPR/Cas9被發(fā)現(xiàn)是細菌用來鑒別病毒入侵物以及切割病毒DNA的一種系統(tǒng)，研究人員借用了它來精確地靶向特異的遺傳序列。

杜克大學的科學家隨后轉(zhuǎn)向了這一進化樹的另一分支：使得這一系統(tǒng)能夠被光線激活。

在許多植物中，有兩種蛋白會在存在光線的情況下鎖定在一起，使得植物能夠感知日照時間決定諸如開花等生物學功能。通過讓CRISPR/Cas9系統(tǒng)連接其中的一種蛋白，并將基因激活蛋白與另一個蛋白連接，只需向細胞照射藍光，研究小組就可以開啟或關(guān)閉幾個不同的基因。

Gersbach說：“這些光敏互作蛋白獨立存在于植物中。我們要做的就是讓CRISPR和激活子與它們其中的一個相連接。這建立在我們和其他人開發(fā)的相似系統(tǒng)之上，現(xiàn)在我們利用了CRISPR來靶向特異的基因。相比于其他的技術(shù)它更容易、快速且廉價。”

Gersbach預計這一新型的光激活基因調(diào)控系統(tǒng)將具有廣泛的潛在應用。

研究人員可以從染色體DNA中基因的自然位置嚴格、精確地控制它的活性水平，這將使得研究人員能夠更準確地解讀基因的作用。這一光誘導系統(tǒng)還能夠更好地控制干細胞培養(yǎng)物如何分化為各種類型的組織。并且通過構(gòu)建不同的基因表達模式，Gersbach希望這一系統(tǒng)能夠被用于組織工程中。

Gersbach說：“當前組織工程的一個局限之處在于：標準的方法可以生成一塊骨、軟骨或是肌肉，但卻并不是組織自然看起來的樣子。在組織中幾種細胞類型混合在一起，界面之間存在組織梯度，有血管和神經(jīng)穿過它們。我們想在空間上控制細胞群中不同組織生成的位置，這種方法構(gòu)建出的多組織結(jié)構(gòu)有可能可以更好地代表正常的生理狀況。”

那時對于如何應用光誘導遺傳工程會有更多前瞻性的想法。

Gersbach 說：“有可能可以通過皮膚來照亮細胞，控制它們的功能，例如生長出血管或是再生出組織來。沿著這條路遠遠地走下去，你可以想象在電影《星際迷航》（Star Trek）中看到的裝置，你用閃光燈照照傷口，它就會愈合。顯然當前還不可能做到這一點，但這一能夠更好地控制生物系統(tǒng)的技術(shù)有可能推動我們朝著這一方向前進。”