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CRISPR/Cas基因剪刀将永远改变我们的农业和我们盘子里的食物——这是一件好事。经过几次切割，野生植物就会变成庄稼。
使用CRISPR/Cas开发新的抗旱玉米品种的工作已经在进行中。世界上已经有31%的玉米是转基因的。图片来源：安德烈亚斯·波瑟尔特
简而言之
·历史性时刻。CRISPR/Cas基因剪刀的发现是近几十年来最重要的科学突破之一。
·CRISPR/Cas。这种新方法不仅出奇地易于使用，而且比以前的基因剪刀更省时、更便宜。
·做梦都想不到的可能性。植物的特征可以有针对性地改变。育种的不良影响被逆转。
·粮食危机。基因剪刀具有巨大的潜力，可以
使作物更能抵抗气候变化，而且速度非常快。
我是斜杠青年，一个PE背景的杂食性学者！♥
ge命并非每天都在发生，亲眼目睹它们是一种荣幸。柏林墙的倒塌对德国来说是一件大事，我们这些年长的人可能仍然记得起鸡皮疙瘩。在这种情况下，一切似乎都是可能的，但是，当然，并非所有的希望都能实现。几年来，生物学一直处于类似的情况。2012 年，首次描述了一种非常有效的细菌分子剪刀，它可以很容易地改变所有生物体中的 DNA、遗传信息：CRISPR/Cas 基因剪刀。
2020 年，首次发现 CRISPR/Cas 系统的两位研究人员 Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 获得了诺贝尔化学奖。这是正确的：CRISPR/Cas无疑是21世纪迄今为止生物学中最重要的发现。
由细菌制成的工具
与ge命一样，CRISPR/Cas的情况并不顺利。自 1960 年代以来，细菌一直是用于阐明分子遗传学基本原理的生物。在认为他们已经了解了基本机制之后，在过去的30年里，大多数研究人员都专注于人类，动物或植物细胞。
图片来源：由AI生成
·不可能的食物：它看起来像血，尝起来像肉，但以植物为基础。该汉堡是基因转移的产物。
·转基因玉米、大豆、棉花：玉米、大豆和棉花耐受除草剂，甚至形成杀虫剂，在经济上名列前茅。如今，它们主导着全球市场：全球74%的大豆和31%的玉米是转基因的。
·黄金大米：β-胡萝卜素（维生素原A）含量较高的大米在技术上是一种轰动，因为β-胡萝卜素通常是在叶子中形成的。研究人员将这一过程转移到了米粒上。
·星形红宝石和红宝石：在 1960 年代末，放射性辐照被用来触发这些葡萄柚粉红色果肉的突变。今天的硬粒小麦和大麦的很大一部分是通过这种诱变方法生产的。这些植物不需要贴上转基因的标签。
...和基因工程的失败。图片来源：由AI生成
·Flavr Savr 番茄：从基因上讲，一切都有效，但在经济上却行不通。1994 年，抗糊状番茄在美国获得批准，并于 1997 年再次存档，但在此之前，孟山都获得了专利和方法。
·防冻菌：一种转基因细菌应该可以保护草莓免受霜冻。然而，“Ice-minus”被降水冲刷下来，即使在使用中也被证明是不切实际的。
·条纹牵牛花：1990年，科隆的研究人员在牵牛花的田间实验中经历了一场公关灾难。转基因矮牵牛花不是普通的，而是突然被条纹化了。对许多人来说，这证明了基因工程的不可预测性;另一方面，对于研究人员来说，它表明了超越基因的力量，即表观遗传学。
·先天马铃薯：不瘀伤、保质期长、致癌天冬酰胺含量少的马铃薯？听起来不错，但从未真正起步：过敏怀疑。
更令人惊讶的是，细菌使用分子剪刀来对抗细菌病毒等病原体，即所谓的噬菌体。对于细菌方法的生物技术来说，特别有用的是它的剪刀由两部分组成：负责切割功能的蛋白质Cas9和核糖核酸基质，即向导RNA（gRNA）。
这种 gRNA 定义了切割发生在基因组中的位置。也就是说，您可以通过更改 gRNA 相对容易地更换剪刀。切割蛋白始终保持不变，只有 gRNA 适应基因组中要改变的位置。同时在基因组中产生多个变化同样容易——在这种情况下，您将多个 gRNA 与 Cas9 蛋白一起使用，而不仅仅是一个。
便宜又有效的剪刀
CRISPR/Cas的发现对植物研究和农业来说是一个福音。尽管我们已经使用其他分子剪刀工作了 30 年，并且很早就知道使用此类工具可以实现什么，但 CRISPR/Cas 的简单性和效率才是最重要的。基因剪刀加快了这一过程并大大降低了成本：17年前，以25,000欧元的价格制造DNA剪刀需要四分之三年的时间，而使用CRISPR / Cas，只需20欧元，并且由于gRNA的简单处理，只需不到一天的时间。
CRISPR/Cas无疑是21世纪迄今为止生物学中最重要的发现
剪刀经过生化编程，可以精确地切割您想要关闭的基因。通过细胞修复切口通常会导致界面发生变化。然后，这些变化会导致编码特定特性的蛋白质的功能丧失。
第一个应用实例
但是，遗传信息的破坏如何才能产生进步呢？好吧，许多对野外植物有益的性状在农作物中是不可取的。例如，如果你用又长又细的秸秆做成又短又粗的秸秆，那么田间的谷物可以更好地抵御风暴。
就豆类而言，如果你防止皮肤在成熟时爆裂以分发种子，你可以更好地收获。也可以关闭蛋白质，这些蛋白质是不受欢迎的入侵者（如白粉病）的重要对接位点。通过这种方式，可以防止感染，从而大大减少杀虫剂的使用。
由德国盖特斯莱本莱布尼茨植物遗传学和作物植物研究所 （IPK） 的 CRISPR/Cas 编辑的幼苗培养皿。IPK研究了适合未来。图片来源：盖蒂图片社
CRISPR/Cas 已被用于生产抗白粉病的小麦、番茄和草莓品种。此外，还可以获得对人类具有更健康脂肪酸成分的大豆油，并且很快将提供无麸质小麦，以便帮助患有乳糜泻（一种自身免疫性疾病）的患者。
耐热和耐应力
CRISPR/Cas在植物育种方面还有其他有前途的应用：如果我们将来不种植耐热和耐盐的作物，全球变暖将导致作物产量下降。实际上，为我们高度繁殖的作物提供这些性状是相对困难的，但有许多耐热和耐逆的野生植物。有了CRISPR/Cas，我们现在掌握了一种工具，可以通过有针对性的修饰将野生植物变成农作物。
通过这种方式，研究人员能够通过一些同时突变从野生植物、水稻和番茄中生产出栽培品种，而不像经典育种那样需要很多年。从埃塞俄比亚种植的矮粟等野生植物中，可以在很短的时间内开发出新的耐热作物。
CRISPR/Cas还使有吸引力的基因从野生植物转移到栽培植物变得更加容易：基因在染色体上线性排列，这意味着许多性状只能一起转移。出于这个原因，育种者往往不得不接受，除了抗病性等积极性状外，苦味物质等负面性状也被杂交。
有科研团队最近成功地使用CRISPR / Cas改变了染色体的结构，从而首次改变了基因的序列。因此，人类现在掌握了一种全新的技术，可以在染色体之间交换基因或将它们转移到染色体上，从而在育种过程中将阴性性状与阳性性状分开。
巧妙的免疫系统
CRISPR如何在细菌中起作用？CRISPR 代表成簇的规则间隔短回文重复序列。这些是 DNA 的片段，其中四个组成部分，即碱基（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶）以这样一种方式排列，即它们形成回文，即可以前后读取。细菌使用这些回文来标记有关它们被感染的病原体的信息片段。
这种对感染的反应是它们免疫防御的一部分：当细菌被病毒感染时，它们会用酶分解其遗传信息，并将这些片段沉积在它们自身细菌基因组的特定区域，即所谓的CRISPR基因座。在这些片段之间，放置了重复的序列，即回文。
细菌的基因组现在也包含病毒基因组的一部分。这些特殊的DNA片段首先用于产生gRNA。然后，它们与蛋白质Cas9形成切割酶。如果对已知的噬菌体有新的感染，则其身份会根据其遗传信息被这种 gRNA 和 Cas9 复合物识别并立即切割。gRNA引导酶并“告诉”它病毒的哪些遗传信息将被破坏。
由于gRNA实际上是特定病原体遗传信息的反映，因此具有这种特定gRNA和切割酶组合的细菌在感染时都有量身定制的武器。因此，CRISPR/Cas是一种非常有效的细菌免疫系统：通过这个系统，细菌可以防止噬菌体的增殖，并对它们曾经面对的病原体产生抗药性。科学史上的一个悖论是，就功能而言，更复杂的人类免疫系统的机制可以比更简单的细菌系统早几十年来解释。
基因工程的重新评估
但CRISPR/Cas不是很危险吗？遗传物质的变化，突变，在自然界中无时无刻不在发生：单个谷物田的植物每一种都以一百种或更多的自然突变来区分。当研究人员用CRISPR / Cas切割DNA时，修复切割会导致遗传信息的进一步改变。然而，这与自然突变没有任何区别。
因此，回想起来，无论是根据突变的数量还是类型，都不可能将基因编辑的植物与天然植物区分开来。当然，与经典培育品种一样，此类植物在用于农业之前必须对消费者进行安全性测试。然而，没有迹象表明这些植物会以任何方式构成特别的威胁。
回想起来，不可能将基因编辑的植物与自然植物区分开来
在许多国家，基因编辑植物现在以与传统品种相同的方式进行分类和栽培。在欧盟，基因编辑作物等同于转基因作物，这相当于事实上禁止在欧洲种植，因为在这些条件下种植将带来巨大的成本。
毫无疑问，当涉及到CRISPR / Cas在植物育种中的应用时，机会大大大于风险。我们现在必须面对未来的挑战：我们希望大幅减少农药消耗，我们需要能够更好地应对高温和盐碱化的作物，以避免由于不可阻挡的全球变暖而导致大规模作物崩溃。CRISPR/Cas在未来也应该能够在欧洲为此做出重要贡献
结论
CRISPR/Cas是一对基因剪刀，最早是在细菌上发现的。它是许多细菌免疫系统的一部分。这些“剪刀”的发现是一个偶然的发现，但它将彻底改变植物研究和农业。这是第一次有可能以有针对性的方式修改基因。这加速了植物的基因操作，使它们更便宜。在农业中，CRISPR/Cas可用于快速使作物适应干旱、高温和盐碱化，还可以使食物具有新的特性。CRISPR/Cas引起的突变与自然突变难以区分。欧盟应该重新考虑审批程序和种植禁令：否则气候变化将导致产量损失。
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