利用crispr - snp芯片绕过遗传瓶颈

自1983年发明以来，全球的基因组实验室一直在使用聚合酶链反应(PCR)来扩增DNA。从那以后，这一领域几乎没有什么全新的技术被发明出来。为了使基因组学领域“民主化”，Cardea Bio开发了CRISPR-SNP-Chip，这是一种能够直接检测许多生物分子的系统，使用最低限度的处理样本。

我们采访了Cardea Bio的首席执行官，迈克尔Heltzen,Kiana Aran博士他向首席科学官(chief science officer)透露了更多关于SNP-Chip的发展，以及它是如何在最近的一项检测镰状细胞病和肌萎缩性侧索硬化症(ALS)的研究中被使用的。

莫莉·坎贝尔(主持人):对于我们的读者可能不熟悉，你能解释一下snp芯片是如何工作的以及这项技术是如何开发的吗?

Michael Heltzen (MH):CRISPR-SNP-Chip(简称SNP-Chip)是一种运行在卡迪安晶体管和基础设施上的crispr驱动系统。卡迪安晶体管是基于石墨烯的场效应晶体管(get)，它使用分子生物学位作为晶体管门，在活分子信号和计算机电路之间形成直接链接。之所以选择纳米材料石墨烯，是因为它具有很高的生物相容性，而且它是一种近乎完美的导体，使系统具有生命科学中从未见过的时间分辨率(检测速度)。当一个目标分子出现在样品中时，它会与固定在表面的捕获机制(分子门)结合，改变晶体管的电基线轮廓。然后，这个电信号被高速阅读器数字化，并输入计算机软件，近乎实时地解释信号。Cardean基础设施和芯片可用于近实时直接检测多种生物分子，如DNA、RNA和蛋白质的相互作用，包括RNA结合蛋白和其他无法检测到的相互作用。在SNP芯片的情况下，捕获分子是用导向RNA (gRNA)固定在表面的CRISPR-Cas复合物，该导向RNA对感兴趣的SNP目标具有高度特异性。当这个cas复合物在样本基因组中找到它的目标时，它就会与它结合，在石墨烯表面产生一个电信号，可以在连接的计算机上读取。如果目标SNP不存在于样本基因组中，就不会有完美的结合事件，这可以在信号剖面中看到。

与其他基因检测技术(如PCR和测序)相比，SNP-Chip只需要最少处理的样本(例如，来自血液、唾液或植物材料)即可工作，这些技术需要更多的时间和装备精良的实验室，并配备训练有素的技术人员来执行复杂的样本准备和测量过程。因此，SNP-Chip是第一种不存在DNA扩增带来的问题和瓶颈，也不需要昂贵的光学检测仪器的基因检测方法。

MC:你能谈谈最新研究使用snp芯片检测镰状细胞病和渐冻症的基本原理吗?

MH:镰状细胞病和渐冻症都是由同一现象引起的人类遗传疾病:单核苷酸多态性(SNPs)，即人类基因组各个区域的个体碱基对在个体之间存在差异。虽然许多snp没有显着的表型效应，但其他snp有引起疾病的潜力。镰状细胞病和肌萎缩性侧索硬化症是这些snp诱发的疾病中最普遍、最严重和研究最充分的两种。研究镰状细胞和ALS的snp芯片使我们的研究产生了更大的影响，并使我们有机会测试我们的技术在没有DNA扩增的情况下区分纯合和杂合样本的能力。这两种疾病都是更多制药公司CRISPR基因编辑工作的早期目标，因此也是该技术用于基因组工程质量保证工作的相关用例。

MC:在自然生物医学工程在这项研究中，SNP芯片能够在没有DNA扩增的情况下区分含有两个健康SNP副本的纯合子样本和与疾病相关的SNP。为什么这是一个重大的发展?

MH:对于大多数遗传学家来说，在不需要设备齐全且昂贵的DNA实验室的情况下获得单个DNA碱基对的分辨率几乎是不可思议的，因为这可能会导致未来DNA洞察和其他任何数据洞察一样正常。

通过PCR和其他DNA样本准备，基因组样本在产生信号并记录之前是自身的代理信号，例如，测序基因组或PCR测试过程也可能需要几天时间。SNP- chip在未来将能够手持，并能在一小时内提供重要SNP突变存在或不存在的答案。这将使医生和基因疗法开发人员能够获得他们所需的答案和可操作的见解，从而为许多疾病提供和开发解决方案，并挽救生命，这是我们今天无法做到的。

就像snp组成的一样50%的已知突变会导致遗传疾病年代，通过grna重新编程SNP-Chip来识别不同疾病标志物的能力是一个相对简单的过程，只需要简单地设计特定的grna来与每种疾病的特定snp结合。因此，大多数分子生物学家都能做到。因此，几乎任何遗传疾病都可以通过snp芯片检测到，只要gRNA可以被设计来寻找目标。此外，SNP芯片不仅局限于人类诊断，还可以用于任何感兴趣的遗传物质的SNP检测，用于广泛的应用，如农业和环境监测的基因分型。消除放大的需要意味着检测可以在需要的地方快速完成，只需最少的设备和处理，将解决方案带到最需要的地方。

MC: snp芯片“为诊断和研究应用开辟了一系列新的可能性”。你能扩展一下这些可能性是什么吗，在医学遗传学和其他领域?

Kiana Aran (KA):在芯片上检测snp的能力不仅触及人类健康遗传学的核心，还为我们提供了有价值和可操作的见解，如农业、工业生物过程甚至进化变化，如赋予抗生素耐药性的突变或突变病毒。通过消除对扩增和大型光学仪器的需求，SNP- chip将使用于这些目的的SNP基因分型易于获得。我们希望这篇论文能激励全世界的科学家探索SNP-Chip检测基因变异的能力。

MC:开发一种基于crispr的医疗设备有什么挑战吗?

MH:CRISPR和gfet是新技术。当我们依靠一种方法或技术来了解某人的健康时，安全是至关重要的。让一项新技术成熟到满足人类安全标准所需的一致性水平，需要在优化和扩展方面付出巨大努力。SNP-Chip建立在Cardea基础设施上，可以满足所需的规模。在考虑将SNP-Chip和相关技术应用于医疗环境之前，还需要进一步优化、安全测试和满足FDA规定的所有要求。crispr芯片和snp芯片只用于研究，比如www.CRISPRqc.com作为早期的例子。

主持人:你说过:“我相信这是自1983年PCR发明以来，遗传学领域最大的技术突破。”是什么使这一突破成为可能?

MH:首先，很少有全新的DNA检测技术被发明出来因为PCR扩增(因为这是大多数技术的基础)，这本身就是一个发人深省的观点，我们在大流行中拥有的最好和最新的技术来自80年代。

SNP-Chip的出现可以看作是多个不同技术浪潮的汇聚;正是半导体、数字网络、基因组学和基因编辑等领域的并行进步，才使这样一项突破性的发明成为可能。当这些技术被发明出来的时候，没有人能想象到能够以一种如此有效的方式将它们结合在一起，以至于我们能够使用DNA扩增来解决问题。通过将CRISPR与石墨烯半导体相结合，我们实现了直接访问和交互，使我们能够将生物学与高度敏感的测量技术直接配对，从而深入到我们称之为进化的3B年研发过程中。

MC: snp芯片将如何“民主化”遗传学?

MH:以前对基因突变和变异的检测依赖于仅在DNA实验室中发现的效率非常低的光学技术(如PCR检测、测序)，因为它们需要漫长的扩增步骤、复杂的生物试剂使用和由技术训练有素的专家完成的过程。我们的SNP-Chip技术绕过了所有这些瓶颈，允许snp的数字化、直接和准确检测，只需最少的样品处理，无需放大步骤。这样一来，snp芯片为检测基因变异打开了一扇更快速、更简单、更容易获得的大门。随着时间的推移，这意味着每个人都可以在任何地方这样做。

MC: crispr - snp芯片的下一步是什么?

MH:SNP-Chip和CRISPR-Chip为成千上万的用例和可能性打开了大门，Cardea不可能独自开发所有这些应用。通过创新伙伴计划Cardea为组织创建了一个工具，可以使用这些技术来构建横跨农业、生命科学研究、国防、环境监测、人类健康等领域的新颖、颠覆市场的产品。在不久的将来，Cardea的合作伙伴将能够开始在相同的芯片和相同的样品上结合DNA、RNA和蛋白质测量，这样就打开了理解系统生物学的大门。

Michael Heltzen和Kiana Aran接受了科技网络科学作家Molly Campbell的采访188金宝搏备用