用CRISPR技術(shù)挑戰(zhàn)微生物群落

王小雨

通過改變腸道微生物群來應(yīng)對(duì)從免疫紊亂、精神疾病到氣候變化的一切問題？這位世界著名的生物化學(xué)家已為此做好準(zhǔn)備。

過去幾年里，微生物組研究風(fēng)靡全球，科學(xué)家希望它能幫助治療從免疫失調(diào)到精神疾病等的各種疾病。但具體如何發(fā)揮作用，我們才剛剛開始探索。2023年春天，加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家和基因編輯先驅(qū)詹妮弗 · 杜德納（Jennifer Doudna）加入了這項(xiàng)研究，她曾因共同發(fā)明CRISPR技術(shù)在2020年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。她的第一項(xiàng)任務(wù)是由加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所（IGI）牽頭，通過對(duì)我們體內(nèi)的微生物進(jìn)行基因編輯來微調(diào)我們的微生物組，以預(yù)防和治療兒童哮喘等疾病。哦，她還想通過在牛身上做同樣的事情來減緩氣候變化，因?yàn)榕Ｈ旱臏厥覛怏w排放量非常驚人。

腸道菌群是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，在此之前，對(duì)同一物種的所有微生物進(jìn)行編輯看似非常瘋狂，甚至是完全不可能的。平心而論，杜德納和她的合作者吉爾 · 班菲爾德（Jill Bayfield）仍然不太清楚它將如何發(fā)揮作用。但他們認(rèn)為這是可行的。2023年4月，由TED發(fā)起的“大膽計(jì)劃”（Audacious Project）投入7000萬美元資助這個(gè)項(xiàng)目。我的直覺是，這要么是一項(xiàng)輝煌的成就，要么是一場可怕的災(zāi)難，或者可能兩者兼而有之。輝煌是因?yàn)樗锌赡芤詷O具針對(duì)性和非侵入性的方式預(yù)防或治療疾病?？膳率且?yàn)?，嗯，你知道……把一堆配備了基因編輯系統(tǒng)的惰性病毒釋放到我們腸道微生物的重要生態(tài)系統(tǒng)中，會(huì)出什么問題呢？有鑒于此，我邀請(qǐng)詹妮弗 · 杜德納來我家，與她暢談微生物組醫(yī)學(xué)的未來。

你好！歡迎。你現(xiàn)在這么出名，我都有點(diǎn)想象你是由車隊(duì)護(hù)送出行的。你還自己開車嗎？

還是我自己開車。

要喝點(diǎn)什么嗎？水？咖啡？康普茶？你怎么看康普茶？

我對(duì)康普茶沒有看法。我通常喜歡簡單的東西。

我很好奇，因?yàn)槟阕罱难芯宽?xiàng)目是有關(guān)微生物組的。具體來說，你想對(duì)人類腸道中的細(xì)菌進(jìn)行基因工程改造。我不得不承認(rèn)，當(dāng)我第一次聽到這個(gè)消息時(shí)，我的第一反應(yīng)是：這是真的嗎？這太復(fù)雜了！

“我們”就是“我們的微生物組”，這一點(diǎn)已經(jīng)越來越清楚了。而這只是在過去十年左右的時(shí)間里才變得清晰起來。在此之前，人們認(rèn)為微生物是一個(gè)非常不同的生命王國，對(duì)它們的研究都是在實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿里一個(gè)一個(gè)培養(yǎng)出來的。但我們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到，它們無處不在。我們體內(nèi)的微生物比人體細(xì)胞還多！這太瘋狂了。

如今人們普遍認(rèn)為微生物組與很多事情都有關(guān)。比如消化系統(tǒng)疾病和肥胖，還有抑郁癥和焦慮癥，或者個(gè)體對(duì)抗癌藥物是否有反應(yīng)等等。所以，如果你想打獵的話，這個(gè)池塘里有很多鴨子。你為什么會(huì)選擇從兒童哮喘領(lǐng)域入手？

首先，哮喘是一種重要的疾病，我們希望在治療上取得進(jìn)展。我們正在與加州大學(xué)舊金山分校的一位優(yōu)秀科學(xué)家蘇 · 林奇（Sue Lynch）合作，她發(fā)現(xiàn)了一種分子會(huì)出現(xiàn)在哮喘兒童的腸道中，這是一種炎癥分子。

你想對(duì)產(chǎn)生這種分子的細(xì)菌進(jìn)行基因編輯嗎？讓它不再產(chǎn)生或者減少產(chǎn)生這種分子？

這就是我們的想法。用 CRISPR技術(shù)來抑制哮喘誘發(fā)分子的產(chǎn)生，同時(shí)保持腸道微生物群的其他部分不受影響。

加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家弄清楚為什么有些孩子體內(nèi)有更多這種分子了嗎？比如，知道是哪種細(xì)菌產(chǎn)生了這種分子嗎？以及是這些細(xì)菌中的哪種基因?qū)е碌模?/p>

是的，我們知道是哪種細(xì)菌，也知道相關(guān)的基因。目前不太清楚的是，這種基因編輯會(huì)對(duì)微生物群的其他部分產(chǎn)生什么影響。

為什么不直接修復(fù)它？如果你知道這種微生物會(huì)分泌有害物質(zhì)，而且這種有害物質(zhì)只出現(xiàn)在患有哮喘的孩子體內(nèi)，那為什么不直接阻止它呢？

是啊，這也許是絕對(duì)正確的答案。但微生物組與很多其他事物密切相關(guān)，所以這很復(fù)雜。比如，當(dāng)你改變微生物群其中一種分子的生產(chǎn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其他后果，這取決于某人的飲食習(xí)慣、基因構(gòu)成或?qū)ζ渌膊〉囊赘行浴Ａ私膺@些情況非常重要。因此，最初的目標(biāo)就是把CRISPR作為一種研究工具，嘗試回答這類問題。

實(shí)驗(yàn)室里有沒有辦法模擬所有的基因變異和飲食變異，以及它們將如何相互作用？

當(dāng)然有。

真的嗎？就像你能看到編輯微生物中的一個(gè)基因會(huì)如何影響只吃快餐的人和只吃羽衣甘藍(lán)的人？

是的，雖然要達(dá)到這種程度可能需要更長的時(shí)間。但是我們正在做的一件事，就是培養(yǎng)從嬰兒的糞便樣本中獲取的微生物。你可以做一些事情，我的意思是，比如你不能完全要求他們吃羽衣甘藍(lán)和巨無霸漢堡，但你肯定可以改變他們的食物來源，研究環(huán)境變化如何影響他們的行為等等。

為什么要編輯這些東西呢？為什么不通過改變飲食習(xí)慣或服用益生菌來增加腸道中有益微生物的數(shù)量呢？

你可以這么做。但這就像吃健康食物和服用藥物之間的區(qū)別一樣。服藥更為有效，更有特定效果。CRISPR也是一樣。與通過改變飲食習(xí)慣來操縱微生物組相比，CRISPR能對(duì)微生物組產(chǎn)生更具針對(duì)性、更有特效的影響。

這種基因編輯究竟是如何進(jìn)行的？通過喝飲料嗎，還是吃藥？

實(shí)際上，我們現(xiàn)在還沒有達(dá)到那種程度。我們還處在試圖找出哪些基因和哪些細(xì)菌可以操縱的階段。但從長遠(yuǎn)來看，這是一個(gè)很好的問題。如何在人類腸道環(huán)境中使用類似CRISPR這樣的基因編輯工具？首先，你必須能夠把這些編輯器植入能產(chǎn)生影響的細(xì)菌體內(nèi)。目前，IGI圍繞這個(gè)領(lǐng)域正在開展一個(gè)完整的研究項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)證明，不同種類的細(xì)菌吸收分子的方式各不相同。有些細(xì)菌通過打開膜上的小孔直接吸收分子，有些則需要病毒來引入分子。

好吧，我沒有太理解你說的“引入分子”是什么意思？

字面意思就是讓分子進(jìn)入細(xì)胞。如果這個(gè)分子是一個(gè)基因編輯器，那么它就能編輯基因。目前我們還處在初步探索階段。對(duì)于人類腸道中的所有微生物來說，它們是如何允許分子進(jìn)入的？答案是，不同的細(xì)菌有不同的方式。因此，我認(rèn)為未來需要了解哪些微生物需要被操縱，以及它們?nèi)绾尾拍茏詈玫匚者@些編輯分子。但理想情況是，應(yīng)該有一種口服的方法，比如服用藥片。

有什么辦法呢？我的意思是，你不會(huì)想給人的胃部做手術(shù)或者注射吧。

你可能聽說過糞便移植。但我想大多數(shù)人更愿意選擇另一種方法。

從另一端開始。

沒錯(cuò)，因此如果有辦法口服這些CRISPR分子，那就太棒了。但要想做到這一點(diǎn)，還得下一番功夫。當(dāng)然，最終我們還要了解基本的生物學(xué)原理，這些微生物是如何與更復(fù)雜的疾病聯(lián)系在一起的。例如，有證據(jù)表明，阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病實(shí)際上與微生物組有著非常密切的聯(lián)系，而這種聯(lián)系的方式仍有待發(fā)現(xiàn)。實(shí)際上，我們有一個(gè)單獨(dú)受資助的項(xiàng)目，專門研究神經(jīng)退行性疾病。該項(xiàng)目主要研究亨廷頓氏病，而不是阿爾茨海默病，但想象一下，如果你能使用基于CRISPR的微生物組靶向形式來保護(hù)那些還沒有患上亨廷頓氏病或阿爾茨海默病的人，那將是多么神奇的事情。這真的很棒。

我并非危言聳聽，但我的理解是，微生物群就像生態(tài)系統(tǒng)：其中既有有益的物種，也有有害的物種，兩者處于平衡狀態(tài)。如果你對(duì)其中一類物種進(jìn)行基因編輯，不就有可能打破這種微妙的平衡嗎？

我們已經(jīng)在使用抗生素之類的藥物，這些藥物會(huì)殺死微生物群中的多種細(xì)菌，包括導(dǎo)致你生病的細(xì)菌，也包括其他細(xì)菌。而CRISPR則更安全，因?yàn)樗木_性使這個(gè)技術(shù)可以只針對(duì)一種特定的細(xì)菌，而不是同時(shí)針對(duì)所有的細(xì)菌。不僅如此，還能針對(duì)特定細(xì)菌的特定基因。

沒錯(cuò)，但微生物也會(huì)做一些人類不會(huì)做的事，它們之間會(huì)共享基因。你怎么知道你植入一種微生物的基因不會(huì)給另一種微生物帶來問題呢？

所以我們才要在實(shí)驗(yàn)室里測試這些東西，看看會(huì)發(fā)生什么。

好的，但現(xiàn)實(shí)中，我們還無法培養(yǎng)出腸道中的大多數(shù)微生物，是嗎？這就意味著，即使在實(shí)驗(yàn)室做了所有工作之后，仍然會(huì)有一些未知因素。是不是到了某個(gè)時(shí)候，你就不得不說：從目前的情況來看，這似乎是安全的？

在開發(fā)任何類型的新療法時(shí)，實(shí)驗(yàn)室模型只能幫你完成部分工作。有了微生物組，我們能在實(shí)驗(yàn)室里做的事情就越來越復(fù)雜。通過在微生物的原生群落和更接近其原生環(huán)境的條件下培養(yǎng)微生物，其行為更接近于在人類系統(tǒng)中看到的行為，但它永遠(yuǎn)不可能完全相同。在某些情況下，我們已經(jīng)知道健康狀態(tài)是什么樣的——一個(gè)人的微生物群會(huì)產(chǎn)生一種炎癥化合物，而另一個(gè)人的微生物群則不會(huì)。有了這些信息，再加上我們?cè)谌找婢_的腸道微生物組模型中開展的實(shí)驗(yàn)工作，有助于我們充滿信心地向前邁進(jìn)。

讓我們換個(gè)話題。這個(gè)項(xiàng)目還有一部分研究是關(guān)于氣候變化的。具體來說，人們發(fā)現(xiàn)，給牛喂食一種特殊的海藻，可以使它們打出的“甲烷嗝”減少80%。當(dāng)然，獲取和運(yùn)輸這么多海藻并不現(xiàn)實(shí)。因此，我們的想法是改變小牛的微生物群來達(dá)到同樣效果，對(duì)嗎？

是的，而且最好是一次性治療。比如，如果你能在小牛出生時(shí)就控制其瘤胃中的微生物群，并保持這種狀態(tài)，就能顯著減少甲烷排放。這將產(chǎn)生巨大的影響。事實(shí)上，我很震驚地發(fā)現(xiàn)，每年全球甲烷排放量的三分之一來自農(nóng)業(yè)，而且主要是養(yǎng)牛業(yè)。

人們不是已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向植物肉類了嗎？

所以你有“不可能的食物”。其他人正試圖找到替代牛肉的食物來源，但現(xiàn)實(shí)中這不會(huì)很快發(fā)生。如果讓我猜，這也不會(huì)完全實(shí)現(xiàn)。因此，如果有另一種選擇，既能養(yǎng)牛，又很環(huán)保，那就再好不過了。

你真的知道是哪些微生物參與了牛瘤胃中甲烷的產(chǎn)生嗎？需要做出哪些改變才能模擬海藻飲食的效果？

這也是我們必須要弄清楚的部分問題。調(diào)節(jié)飲食更多是在宏觀層面上，你可以看到你正在做出的改變，但在微觀層面上，你不知道這些改變是什么。在更深的層次上，我們希望了解：產(chǎn)生甲烷的基因是什么？我們可以通過操縱哪些基因來實(shí)現(xiàn)真正的改變？

為什么要通過微生物組來做這件事？你可以對(duì)牛進(jìn)行基因改造，對(duì)嗎？

這也是一種可能性。但要進(jìn)行必要的研究，培育出新的牛種，然后弄清楚這將如何影響甲烷的實(shí)際生產(chǎn)，但這需要很長的時(shí)間。從微生物組入手是一種更快捷的方法。而現(xiàn)在，我們需要加快在氣候問題上的研究。

說到拯救地球，有兩種理念：巫師和先知。粗略地說，巫師是把技術(shù)視為解決方案的人。而先知?jiǎng)t認(rèn)為我們應(yīng)該回歸簡樸生活?？梢岳斫鉃?，你正在采取一種技術(shù)方法來解決氣候變化問題。你試圖用魔法來解決它。你是這么看的嗎？

你知道，我認(rèn)為在一個(gè)完美的世界里（但我們并不可能生活在這個(gè)世界），我們所有人都應(yīng)減少溫室氣體排放。同時(shí)，我們也會(huì)推進(jìn)應(yīng)對(duì)氣候變化的技術(shù)。但我認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)情況是，人類并不想倒退。這不是人類的天性。因此，我認(rèn)為解決氣候變化問題絕對(duì)需要技術(shù)。這些技術(shù)會(huì)帶來新的問題嗎？很可能會(huì)，但我們必須應(yīng)對(duì)。坦率地說，我認(rèn)為用其他方法來解決氣候變化問題是不現(xiàn)實(shí)的。

我知道你真的不想公開談?wù)撨@個(gè)問題，但現(xiàn)在市面上有很多益生元和益生菌產(chǎn)品。你認(rèn)為這是一個(gè)好的發(fā)展方向嗎？還是說這基本上都是騙局？

我不打算回答這個(gè)問題。因?yàn)樽鳛橐幻茖W(xué)家，我還沒有掌握充足的數(shù)據(jù)。