认识下一代 CRISPR 级生物学技术

詹妮弗·杜德娜赢得了 2020诺贝尔化学奖 表彰她共同发现的多功能基因组编辑平台 CRISPR/Cas9。 自发现以来的十年里，CRISPR 技术的工具箱已经爆炸式增长，就像好奇心驱动的科学的火箭燃料一样。 它也日益成为许多生物技术公司的基础技术。

在这次对话中，Doudna 与 a16z 普通合伙人聊天 维杰·潘德（Vijay Pande）。 此前，他是斯坦福大学的教授，主管生物物理学系。 在此期间，他还创立了 项目和 Globavir Biosciences。 

潘德和杜德纳正在努力解决科学家在这一转折点面临的问题。 您如何认识到一项将为以下领域带来更多机会的发现： 工程生物学？ 随着 CRISPR 工具的成熟，会发生什么？ 生物工程的未来是什么样子？科学家有什么责任来确保这些工具得到负责任的使用？

一路上，杜德娜谈到了她所面临的困难、令她惊讶的事情以及可能永远无法解决的问题。

注：本次采访最初作为一集发表 生物吃世界. 为清晰起见，对成绩单进行了轻微编辑。 你可以听完整集 此处.

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VIJAY PANDE：我们对生物学进行工程设计以及利用我们所学到的知识创造新疗法、新事物和合成生物学的能力感到非常兴奋。 产品和公司方面确实正在蓬勃发展。 同时，如果我们没有基础研究，我们可能不会达到现在的水平。 考虑到您所看到的情况以及您的立场，我们应该如何考虑这种平衡？

JENNIFER DOUDNA：很高兴来到这里。 

我认为你提出了一个很好的观点。 也就是说，我们如何在基础科学和工程或重点应用科学之间取得适当的平衡？ 你知道，我一直在做你所谓的好奇心驱动的科学。 我越来越发现自己面临着我们正在努力解决的问题或挑战，而这些问题或挑战就处于这些问题或挑战的边缘。 你会问自己，我们是否足够了解这现在是一个工程问题，或者是否仍然需要进行真正重要的基础性工作，这些工作可能非常有利，但可能不会持续几年？

他只是对我们从事科学研究的方式感到震惊。 他的说法是“手工”。 

维杰：是的。 你知道，这是一个棘手的问题。 我认为其中一部分也只是时间尺度。 当我想到基础研究时，我想到的是 CRISPR 的发现和发明，几乎类似于晶体管，只有现在——50 年后——当你可以在一个芯片上封装 10 亿、50 亿个晶体管时，你就可以做这些令人兴奋的事情。 因此，你不能指望立即获得回报，即使是 10 年的基本工作回报。 

另一方面，正是像 CRISPR、晶体管这样的重大发现，才真正能够带来这些巨大的转变。 所以自然要有个平衡。 生物学的大部分内容都是发现。 与物理学相比，有太多东西需要学习，有太多东西需要发现，在物理学中，你可以在理论上做更多的事情并驱动它，甚至与工程学相比，在工程学中，你可以更多地从原理上研究事物。 

生物产业化会是什么样子？

VIJAY：我真的很好奇我们如何才能将发现过程从艺术转变为工业化过程。 我们可以将发现产业化吗？ 我们现在处于什么阶段？您认为我们可以走向何方？

詹妮弗：是的，这是一个很好的问题。 这让我想起有一次，我有一位来自谷歌的访客来到伯克利实验室。 他想参观一个正在运行的实验生物学实验室。 他对我们从事科学研究的方式感到有点震惊。 他的说法是“手工”。 他说：“这对我来说看起来很手工。” 他说：“我认为你们可以做很多事情来自动化你们的工作以及这个那个。” 

但归根结底，要使我们正在做的工作自动化或工业化并不是那么容易。 现在，当然，在某些方面，这只是通过计算的力量而发生的，并且拥有更多的程序员和人们以计算方式参与生物学是一个巨大的优势。 这确实产生了非常积极的影响。 但生物学中有些随机的事情你还无法真正预测。

现在，时不时地发生一些事情让我想，“嗯，也许我们正处于真正变革的风口浪尖。” 例如，最近宣布的关于能够通过计算准确预测蛋白质折叠的工作。 这看起来确实是一个非常有趣的进步，可以彻底改变这个领域，对吧？ 所以你可以想象这种事情也可以扩展到其他方向。 也许最终将功能分配给基因变得更加容易，因为我们将拥有足够的预测信息 如果你将所有这些输入到正确的算法中，你会得到非常有限的可能性，这使得你的实验工作变得更加容易或更稳健。

VIJAY：这里的一件事是，自动化方面是相当核心的。 你会变得像一个像 Tecan 之类的大机器人。 这是相当昂贵的。 这仅适用于特定类型的高吞吐量工作流程。 而很多生物学是 N 等于 5,000 或​​者可能有很多重复。 但不是五千或五百万。 

我很好奇，就像过去 20、25 年我们在套件中看到的创新一样，套件是否既可以是试剂，又可以是驱动小型桌面机器人（如 Opentrons）的软件。 那个桌面机器人可能相当于这里的个人电脑，因为它可以快速、灵活地做事，而且因为它是在套件中，带有试剂和驱动它的软件，所以人们将在套件上构建，套件上的套件，等等。 你终于得到了一些有用的东西。 

因为我认为也许您要表达的观点是，如果您有一个大型机器人，那么如果您必须完成小任务，那么速度不会更快，对吧？ 这可能比手动移液需要更多工作。 您认为这正在朝着正确的方向靠近吗？

我想，我该如何真正捍卫这与人类健康有关的事情呢？

JENNIFER：我正在尝试思考真正的瓶颈在我自己的研究领域。 这实际上是两个和一个机器人无法解决的问题，至少在我们得到能够独立思考的机器人之前，可能是这样，因为这确实是在直觉的层面上。 有很多很多的想法，但只有其中一些是好的。 那么，你如何知道你要花时间去追求什么。 所以，还是有这个问题。 

但是，一旦你有了一个好主意，然后只需完成实验，我认为这就是在实验室中拥有灵活、小型且不是超级昂贵的机器人真正可以实现的地方。 我不得不说，你知道，我们已经与许多[机器人]合作过……是的，正如你所说，它通常是一个大盒子，里面装有旨在执行一种类型任务的东西。 至少根据我的经验，他们通常非常挑剔。

因此，你必须花费相当多的时间来让整个事情与你想做的事情一起工作，甚至可能培训一个人或雇用一个负责运行该机器人的人。 然后你可能会运行几个月，然后决定，“哦，现在我想改变我的实验，做一些不同的事情，但现在机器人不适合这样做，”对吗？ 我认为，如果有一种方法可以让小型机器人能够轻松适应不同的任务，并且可以非常准确地完成这些任务……我想可能是这样的情况，你拥有单独的小型、不太昂贵的机器人，它们擅长执行任务。 某些类型的任务，并且您有不同的机器人来进行不同类型的测试，这可能会起作用。 我认为这可能真的很有帮助。

VIJAY：嗯，我认为这就是工业化[适用]的地方。 如果你要建一家鞋厂，你就要生产鞋子。 你可能会制作略有不同的鞋子，但你不会制作泰迪熊或类似的东西。 然而，你必须非常灵活，你可能会在下周、第二天或类似的事情上做一个完全不同的实验。 我认为我们需要的是这种普遍性。 但是，你知道，也许最令人兴奋的一点就是这种转变。 我看到很多人从好奇心驱动的基础研究转向应用研究。

詹妮弗：从很多方面来说，这确实强调了我多年来在自己的实验室所做的很多事情，从我开始我的教师生涯开始研究核糖体的结构开始。 你知道，这最终让我们进入了病毒中的 RNA 干扰和 RNA 分子领域，它们是控制受感染细胞翻译的机制的一部分。 然后从那里到 CRISPR。 

在我的实验室中，这些项目始终是从以下角度构建的：这是如何运作的？ 您知道，从分子角度来看这是如何工作的，无论是底层分子的实际结构还是它们的酶促或生化行为？ 这也是我们研究 CRISPR 的方式。 对我们来说，一开始这看起来确实像细菌中的适应性免疫系统，以某种方式由 RNA 引导。 那么它是如何运作的呢？ 这个项目很大程度上是从这个非常基本的问题开始的。

从生物学到工具的飞跃

VIJAY：从研究细菌的适应性免疫系统到改造基因组的能力，到为以前无法​​成药的事物开发新型疗法之间，似乎存在着巨大的差距。 您是如何开始看到这些点之间的联系的？

JENNIFER：坦率地说，当我们在大约十几年前开始这项工作时，我当然没有想到它会像现在这样发展。 事实上，一开始我对从事这项工作有点犹豫，因为我正在接受美国国立卫生研究院和霍华德休斯医学研究所的资助。 我想，我该如何真正捍卫这与人类健康有关的事情呢？ 而现在，众所周知，它与人类的健康息息相关。 首先是一些非常基本的问题：免疫系统如何运作？ 然后是关于一种特定蛋白质 Cas9 的非常具体的问题，该蛋白质显然是某些细菌 CRISPR 免疫系统的核心参与者。

从这些生化数据中可以明显看出，这种酶作为 RNA 引导的 DNA 切割器，可以直接切割所需的 DNA 序列。 这个概念与基因组编辑领域正在进行的所有其他工作很好地融合在一起，因为人们正在寻找在细胞中切割 DNA 的方法，从而产生双链断裂，从而通过引入序列变化来诱导细胞修复 DNA。 所以，我们有一把可编程的切肉刀，这样你就可以告诉它去哪里切割。 这与使用早期技术进行基因组工程的所有工作完美地融合在一起。 只是这是一种更简单的方法。

为工程而生

VIJAY：自然选择产生的事物的有趣之处之一是，[CRISPR 系统] 似乎已经进化为可进化的。 我想到了伴侣和帮助蛋白质发挥作用的东西。 引入工程思维或方法的标志之一是可以进行迭代改进。 情况一年比一年好一点。 通常，这种改进几乎就像复利一样，你可以感觉到从“这是好奇的时间”到“这是设计的时间”的转变。

JENNIFER：嗯，从工程角度来看，CRISPR 令人兴奋的事情之一是它被证明是一个非常适合修改的系统。 我认为你说得很好，大自然无论如何都会这样安排事情。 我们在天然 CRISPR 生物学中看到了这一点，因为在不同的细菌中进化出了大量的这些酶，它们看起来彼此非常不同，并且具有一系列的活性。 因此，很明显，大自然正在根据其天然环境对这些蛋白质进行调整和微调。 在我看来，我对整个工具箱的愿景是围绕这种 RNA 引导机制构建的，它添加了各种有趣的不同化学活性，允许这些类型的操作和基因组。

他们看起来都很有趣。 因此，我们很难弄清楚我们应该把精力集中在哪里，以及是否值得致力于下一个 CRISPR 系统，而不是把我们的网络撒向不同的方向。

在2013年， 级联出版物 那一年，不同小组发表的研究表明，你可以使用 Cas9 来改造人类细胞，你可以用它来改造斑马鱼。 使用 CRISPR/Cas9 系统提出了许多非常有趣的原理发现证明，这些发现清楚地表明这将成为进行各种科学研究的变革性工具。 不仅是基础研究——通过探测基因功能、以有针对性的方式和细胞进行基因敲除而实现的研究——而且坦率地说，还以一种非常实用的方式使用它。 也就是说，例如，c纠正性突变 修复镰状细胞突变的基因，诸如此类。 

我的心态已经在思考，我们如何使用这些？ 它们显然是有趣的酶。 它们显然在研究领域具有实用性。 这只是从我们最初的想法无限扩展出来的。 那是：我们可以用这些来做吗 诊断 或者用它们来检测不同种类的病毒RNA，本质上是利用它们在自然界中的作用，但在体外环境中作为研究工具？ 但我认为那里还有很多跑道。

维杰：是的，绝对是。 

认识下一个可工程系统

VIJAY：我很好奇你对生物学中接下来的可工程化事物有何了解。 有什么让你兴奋的事情吗？ 或者您是否会向人们提供如何识别这一点的提示？

詹妮弗：嗯，这很难。 这是其中一件事，你要么在路灯柱下寻找那些看起来像你已经知道的东西，要么你正在做基础工作，无论什么主题，但你要留意，你知道，“如果我碰巧遇到一些看起来有用或可设计的东西，我会把它放在一边。” 

所以， 吉莉安班菲尔德 伯克利分校长期以来一直致力于细菌宏基因组研究。 这基本上意味着能够从微生物中获取 DNA 序列并将它们重新缝合在一起，这样我们就知道它们的整个基因组是什么样子。 然后，您通过进行各种分析来学习基础生物学。 她实际上是最早通过做这种事情发现 CRISPR 序列的人之一。

正如你可以想象的那样，她在工作中遇到了各种非常有趣的观察结果。 我们面临的挑战之一是，她经常来找我说：“嘿，我有一个非常酷的观察结果，你知道，你觉得怎么样？” 它们看起来都很有趣。 因此，我们很难弄清楚我们应该把精力集中在哪里，以及是否值得致力于下一个 CRISPR 系统，而不是朝不同的方向撒网。 在某种程度上，我们试图两者兼顾，但我对此很挣扎。 弄清楚下一个重大见解或技术将来自哪里并不是一件容易的事。

有时当这种情况发生时，人们也会出现视野狭窄，对吗？ 每个人都开始朝一个方向努力。 然而，那里可能有一些非常有趣的东西，人们没有关注，但实际上非常非常重要。

维杰：是的。 好吧，我很想在你身上测试一个假设，看看你的想法。 你应该随意彻底击落这件事，这只会让我心碎，仅此而已。 生物学真正有趣的标志之一是模块化。 你知道，从氨基酸到蛋白质，到复合物，从大的东西到细胞、细胞器、组织和器官等等，在许多尺度上都存在某种模块化。 而且，你可以扰乱氨基酸或扰乱蛋白质，或者你可以以不同的规模做事情。 这样一来，一切都不必如此 逐个原子地重新设计。 您可以重新设计零件等，因此模块化是其中之一。 然后你可以开始使用这些构建块并以有趣的方式将它们组合在一起，我们显然已经以多种不同的方式看到了这一点。 那么，自然选择的各个方面是否真的推动了这里的工程能力，或者您能想到它们相互对立的时候吗？ 因为事实并非一定如此。

詹妮弗：对。 不，情况不一定如此。 当你问这个问题时，我正在回想起我们共同的核糖体历史。 因为，你知道，早在 1980 世纪 XNUMX 年代，当人们发现这些催化 RNA 时，人们对能够设计出自然界中未发现的东西感到非常兴奋。 我想现在，如果你回顾过去，对核糖体进行大量工程改造，让它们做与你在自然界中发现的不同的事情，并不是那么容易。 如果你自然地观察，我们还会发现并不存在大量不同类型的核糖体。

VIJAY：与酶相比，酶具有很大的多样性。

詹妮弗：没错。 所以，我认为这是你的假设成立的一个例子。 然后，对于 CRISPR，从某种意义上说，情况正好相反，我们在自然界中看到了大量非常不同形式的 CRISPR/Cas 蛋白。 它们具有相同的机制，但工作方式略有不同。 所以我认为这至少与我们在实验室中发现的想法是一致的，即大自然也发现这是一个非常灵活的平台，可以在细胞中操纵 DNA（或在某些情况下是 RNA）。

维杰：是的。 我一直在寻找我们感觉已经完成转变的那一刻。 对于引入合作者或考虑投入研究资金进行风险投资来说，这一时刻非常重要。 你怎么知道我们已经找到了那个时刻？ 听起来你必须尝试一些事情。 

我的意思是，地球上最重要的催化机制之一核糖体是核酶。 所以，你可能对它抱有很高的期望。 但事实并非如此。 只要你会读、写、编辑、修改，你就可以开始制作变体并开始尝试做这些事情。 当事情发生时，有些事情就会被设计出来。 我想你会看看它是否会被抓住。 我们在科学和初创公司中看到了这一点，人们开始蜂拥而至并意识到这里确实有东西。

詹妮弗：是的。 好吧，我会告诉你一点。 早在 2000 年代中后期我们开始研究 CRISPR 蛋白时，我们就开始意识到这些酶可能是用于研究目的非常有用的酶。 因此，我与风险投资家打的第一个电话是，我向他描述了我们掌握的这些 CRISPR/Cas 蛋白的数据，这些蛋白可以以非常快的速度结合和切割 RNA。 精确的方式，以及如何使用该活动作为检测特定 RNA 序列的方法。 你知道，我们在电话里花了一个小时讨论“这个杀手级应用程序是什么？” 并没有什么真正凝结的。 有一些想法，但它并没有真正凝胶化，你如何修改这样的蛋白质以使其更有用？ 还不太清楚。 所以，我在听完电话后想，“好吧，可能还没有到有机会向很多方向扩张的时候。”

这与 Cas9 有很大不同，对吧？ 因为你立刻就知道了，你不需要问任何人。 就像，是的，这显然会是非常有用的东西。 那么问题是，你可以在多大范围内设计它来完成不同的事情？ 而且，就像你说的，当人们开始进入一个领域，他们开始在自己的项目中受到关注，你就会看到指数级增长。 当你看到科学领域发生这样的事情时，真的很令人兴奋。 过去几年，我们在成像技术领域以及癌症免疫疗法领域也看到了这种情况，那里有很多机会，很多人都投入其中。 我很好奇身为风险投资家的你是如何看待这个问题的。

像 CRISPR 这样的技术往往来自左领域，因为它们来自好奇心驱动的基础科学。

但有时当这种情况发生时，人们也会出现视野狭窄，对吧？ 每个人都开始朝一个方向努力。 然而，那里可能有一些非常有趣的东西，人们没有关注，但实际上非常非常重要。 那么，当你看到某个领​​域出现这种指数式的疯狂，但又感觉我们可能错过了一些东西时，你会怎么想？

维杰：这是一个很难回答的问题。 就像任何事情一样，你用投资组合来处理它，对吧？ 无论是实验室里做不同事情的研究生和博士后的组合，还是美元的组合，或者公司的组合，想法的组合。 我认为一些最令人兴奋的事情就是逆向的事情。 但是，话虽如此，一切都取决于数据是否证实以及是否确实存在某些东西。 我最坚强的导师总是强加给我的一件事是，作为 PI 或投资者，我们必须有一定的品味，对吗？ 对兴趣在哪里，甚至我们的好奇心在哪里，有一些猜测、一些直觉，对吗？

詹妮弗：我完全同意。 对于一个非常真实的项目，有一些无法量化的直觉。

选择你的方向

维杰：你知道，你现在已经是许多初创公司的创始人或联合创始人了。 你学到了什么样的教训，或者你会给那些在你身后想要追随这些脚步的人什么建议？ 尤其 考虑到我们可以做的所有事情，即使在几年前我们也无法做到。 这对您对公司建设的看法有何影响？

JENNIFER：所以，Vijay，我现在实际上正在努力解决这个问题，因为基于 CRISPR 生物学和技术的一些工作，有很多机会可以为公司做好准备。 例如，CRISPR 的挑战之一就是整个递送问题。 如何将 CRISPR 分子传递到细胞中，无论是在植物中还是在人体中？ 这是一个问题，对吧？ 这是一个尚未真正得到全面解决的问题。 那么，这是一个工程问题吗？ 是的。 但这是否也需要一些根本性的发现？ 我想答案可能是肯定的。 所以，你两者都需要。 

那么，是在公司中完成更好，还是在学术实验室中完成更好？ 同样，答案可能是两者兼而有之。 然后，它试图弄清楚如何解析这样的挑战，并围绕它与合适的人员建立一个公司团队。 理想情况下，对于类似的事情，你应该与合适的投资者一起做，他们承认，“是的，这不是一个短期问题。 过一段时间就会解决的。” 希望您在那里建立了一些短期目标，以便从公司的角度来看，您可以获得牵引力。 但你必须拥有一支愿意真正投入研发努力以取得突破的团队。

负责任地前进

VIJAY：所以，想想这个世界，也许 10 年、20 年后。 你会想到工程化的 CRISPR，以多种不同的方式工程化其余的生物学。 我们可以谈论医疗保健，我们可以谈论能源和气候变化，我们可以谈论以可持续、健康的方式养活地球上 10 亿人。 当我思考世界面临的许多挑战时，它们在某种程度上本质上是生物学的，或者可以通过我们正在做的各种工程生物学技术来解决。 

我很好奇你如何看待处理我们能做的事情的原则，因为另一方面也可能很可怕，对吧？ 人们可以利用这种强大的力量做一些事情——而且他们可能想做与我们描述的相反的事情。 我很好奇你对我们应该如何处理这种新权力的指导原则有何看法。

詹妮弗：酷。 哇。 维杰，你最后给了我一个艰难的决定。 嗯，我确实认为解决这个问题的部分方法来自于积极参与。 我是一个大力支持者 透明度 和 订婚 科学家，尤其是学术科学家，与学术象牙塔之外的人。 我认为这非常重要。 老实说，过去几年 CRISPR 所面临的所有挑战对我来说确实很有帮助。 并且喜欢 你说，它有很多科学机会，那么哪些是最值得关注的呢？ 这是一个问题。 但同时也要确保技术以富有成效而非破坏性的方式前进，对吗？ 因此，就我自己而言，我认为这实际上是要尽可能广泛地参与，但也要寻找建立协同效应的方法。

让我们以气候变化为例。 这可能是我们现在全人类面临的巨大生存威胁。 用生物解决方案来解决这个问题是否合适？ 绝对地。 那么，接下来的问题是如何做到这一点。 回到 CRISPR 的例子，我思考这个问题的方式是 与同事一起工作 专注于土壤微生物组。 从土壤和农业的角度来看，可以通过哪些方法操纵土壤微生物来增强碳捕获，同时提高粮食产量并应对气候变化问题？ 所以，这是一个领域。 现在，这是我的工作吗？ 这是不对的？ 但我希望其他人能够这样做，召集小组，让人们意识到这项技术有哪些机会可以应用于他们正在解决的问题。

维杰：是的。 你知道，当我思考这个问题时，我认为北极星对我来说正在尝试做我们认为可以与现有生物学保持一致的事情。 所以，你想想化石燃料，你把所有这些东西从地下抽出来，然后你就会得到所有这些残留的废物，也许我们已经把它们变成了塑料，变成了不同类型的废物。 

但生物学的关键原理之一是事物的循环性质，其中主要输入是来自太阳的能量，但其余部分会继续移动，因为总会有未知的未知数。 但如果我们能够坚持这种一致性，我们就有机会。 CRISPR 或其他生物工程技术让我真正兴奋的是，它感觉像是与自然保持一致的最佳希望，因为我们希望以更自然的方式做到这一点。

詹妮弗：不，这很有趣。 这又回到了这个问题：工程生物体是天然的还是非天然的？ 我的意思是，你是对的。 如果你使用工程学来获得如果有足够的时间进化就会存在的生物体，那么你只是不想等待一百万年，对吗？

维杰：完全正确。 你只是稍微沿着一点点射击，就像冰壶一样，以保持它以正确的方式进行，但不要极端。

因此，就在最后一刻左右，CRISPR 成为了公众广泛熟知的技术的一个例子。 我认为人们对此有很多不同的看法。 我很好奇您是否希望公众更好地理解您所做的科学？

詹妮弗：嗯，我想在某种程度上，这又回到了我们开始的地方。 我认为重要的是要了解像 CRISPR 这样的技术往往来自于好奇心驱动的基础科学，从某种意义上说，它们是左领域的。 因此，与那些正在利用这些发现并应用它们的人们一起支持此类工作确实很重要。 像这样的东西不会被创造出来，对吧？ 它必须通过更加随机的基础科学过程来揭示。

发表于六月28，2022