高端生物技术源于大自然的“工具箱”

无论是新的还是改进的技术，都是现代科学研究和发现的驱动力。它们让科学家比以前更快地完成实验，并且在几乎所有科学领域都大放异彩。

生物学的三大高端技术，——基因编辑、荧光蛋白、光遗传学，都是受大自然的启发。生物分子工具已经为细菌、水母和藻类服务了数百万年，现在正被广泛用于医学和生物研究。可以说，它们直接或间接地改变了人们的日常生活，甚至是生活。

以及它的“防御系统”。

细菌和病毒相互争斗。他们在不断的生化战争中，争夺稀缺的资源。

CRISPR-Cas系统是军火库中的重要设备，由随着时间的推移从敌对病毒中收集的短而重复的DNA组成，它与一种叫做Cas的蛋白质配对，这种蛋白质可以像剪刀一样切割病毒DNA。在自然界中，当细菌受到其DNA储存在CRISPR“档案”中的病毒攻击时，CRISPR-Cas系统会对病毒进行追逐、切割和破坏。

科学家们拿起这种“武器”并将其用于科学目的，取得了突破性的成果。加州大学伯克利分校的生物化学家詹妮弗多尔纳(Jennifer Dorner)和法国微生物学家伊曼纽尔夏潘蒂尔(Emmanuel Charpantier)因开发CRISPR-Cas作为基因编辑技术而获得2020年诺贝尔化学奖。

众所周知，人类基因组计划给出了一个几乎完整的基因序列，并为科学家对所有其他生物进行测序提供了模板。然而，在CRISPR-Cas出现之前，研究人员没有工具可以轻松访问和编辑生物体中的基因。现在，CRISPR-Cas让过去需要几个月甚至几年、花费几十万美元的实验室工作，在不到一周的时间内完成，只需要几百美元。

一万多种遗传病只由一种基因突变引起，称为单基因病。它们影响数百万人，镰状细胞性贫血、囊性纤维化和亨廷顿氏病是这些疾病中最著名的。它们是CRISPR治疗的主要目标。修复或替换一个有缺陷的基因要简单得多，从现在开始，人们不需要纠正多个基因错误。

水母“点亮”微观世界。

维多利亚水母在北太平洋漫无目的地漂流。这种生物没有大脑、肛门和毒刺，因此不太可能引发任何生物技术革命。

但恰恰相反，它的伞的外围大约有300个发光器官，发出绿色的光点。这些光点，就像黑暗中闪烁的信号，改变了科学的运作方式。

这种生物发光来自一种叫做水母发光蛋白的物质和一种叫做绿色荧光蛋白或绿色荧光蛋白的荧光分子。在现代生物技术中，绿色荧光蛋白就像一个“分子灯泡”，它可以与其他蛋白质整合，使研究人员能够跟踪它们，并查看蛋白质何时何地在活细胞中产生。

现在，荧光蛋白技术每天都在成千上万的实验室中使用，并因此获得了2008年和2014年的两项诺贝尔奖。科学家还在更多物种中发现了荧光蛋白。

当研究人员创造出表达绿色荧光蛋白的转基因新冠肺炎病毒时，这项技术再次证明了它的实用性。当病毒进入呼吸系统并与具有毛发状结构的表面细胞结合时，产生的荧光可以追踪病毒的路径。

海藻眼中的光明与黑暗。

当依赖阳光的藻类被放在黑暗房间的大鱼缸里时，它们会漫无目的地游泳。但是如果你打开灯，水藻会向光游去。这些是单细胞鞭毛虫。它们没有眼睛，但它们有一种叫做眼点的结构，可以区分光明和黑暗。眼睛覆盖着一种叫做通道视紫红质的光敏蛋白。

近二十年前，研究人员发现，当他们通过基因将这些视紫红质通道蛋白插入任何生物体的神经细胞时，用蓝光照射视紫红质通道蛋白会导致神经元的激活。这是一种叫做光遗传学的技术。当一束精准的蓝光照射到这些神经元时，视紫红质通道就会打开，钙离子就会涌入神经元，神经元就会被激发。

利用这一工具，科学家可以有选择地反复刺激神经元组，从而确切知道哪些神经元要治疗特定的障碍和疾病。现在，光遗传学被认为是治疗阿尔茨海默病和帕金森病等致命脑部疾病的关键。

此外，光遗传学不仅对理解大脑有用。研究人员利用这项技术部分逆转了失明，并在治疗色素性视网膜炎的临床试验中看到了希望。

科学家认为，除了以上三个重要的技术手段外，大量未被发现的技术应该保存在大自然的“工具箱”中。