撰文 | 西蒙·梅金（Simon Makin）
翻譯 | 巢栩嘉
在新冠疫情暴發初期，樣本檢測主要基於靈敏的聚合酶鏈式反應（PCR）技術，但從檢測到獲得結果通常需要數天時間。之後有了更快速的檢測方式，讓任何人可以在任何地方使用，但靈敏性卻大打折扣。如今一項新研究正在為一種既快又準的診斷測試鋪平道路：它既能像新冠快速檢測試劑一樣便捷，又能像PCR技術一樣準確。
現今，研究人員會採用CRISPR基因編輯技術來識別病原體（如引發新冠疫情的新冠病毒）的遺傳物質。但是，這類檢測大多都需要透過“預擴增”來增加病毒核酸的數量，而實現這一過程通常需要特定的裝置，操作人員也需要經過一定的培訓。
近期，一項發表於《自然·通訊》（Nature Communications）的研究表明，一些基於CRISPR技術的測試可以檢測基因片段（包括新冠病毒、危險的細菌和癌症中的基因突變），且無需預擴增就能實現PCR級的靈敏度。
CRISPR技術中會使用一些能附著在RNA分子上的切割酶，這些RNA分子可以與目標基因序列（例如作為檢測物件的病原體的序列）相匹配。RNA會“引導”酶到達目標序列，並激活酶去切割序列。一些CRISPR酶的變體在切割目標序列後，還可以繼續活動：它們一旦被啟用，可以繼續切割附近的單鏈DNA（ssDNA）。研究人員可以利用這種行為，讓酶在切割ssDNA時觸發一次熒光閃爍，從而確認目標病原體是否存在。
不過在這樣的設定中，每個目標DNA或RNA分子僅能啟用一個切割酶。為了提高訊號強度，論文的資深作者、澳大利亞新南威爾士大學（University of New South Wales）的生物醫學工程師埃娃·M.戈爾迪斯（Ewa M. Goldys）和同事創造出了一些微小的DNA“奈米環”。這是一種環狀的短單鏈序列，可以附著在目標序列的兩端。當它們呈環狀時，不會啟用CRISPR酶，但被切割後會展開成能被CRISPR酶識別的線性DNA。這種鏈式反應進而可以啟用更多的酶。戈爾迪斯說：“即使只存在幾個目標分子，也可以很容易檢測到。”
這種策略使得基於CRISPR的檢測技術的靈敏度提高了100萬倍。美國麻省理工學院（MIT）的生物學家喬納森·古滕伯格（Jonathan Gootenberg）參與開發了一種早期的CRISPR診斷系統，他說：“去掉預擴增步驟，可以使化學過程更加優雅、簡單，更適合於即時檢測系統。”這種新方法可以做成廉價的測試套裝，類似於目前新冠快速檢測中的試紙條——單個製造成本僅為幾美元。
利用基於奈米環的測試系統，科學家可以檢測新冠病毒和致胃潰瘍的幽門螺旋桿菌（Helicobacter pylori）的遺傳物質。此外，他們還能檢測在小鼠血液和人體血漿中迴圈的腫瘤DNA。這種測試可以在15分鐘內完成，而PCR通常需要至少一個小時。戈爾迪斯說：“相信我們已經創造出了一種有望取代PCR的技術。”
研究團隊正在與一些商業夥伴合作，將這一技術用於病毒診斷和檢測水中的寄生蟲。不過雖然首個產品是一盒通用奈米環，研究人員可以將其新增到現有的CRISPR測試中，以提高靈敏度。這些DNA奈米環攜帶有引導RNA，一旦這些DNA奈米環與目標序列結合，並受到酶的切割展開後，這些引導RNA就會鎖定它們，引發進一步的反應。
目前最大的障礙是同時檢測多個目標，而在醫療應用中這種特性很必要，它可以檢查測試的功能是否正常。古滕伯格說，這可能很難實現，不過他們正在研究。“我們不知道如何應對這一挑戰，”戈爾迪斯說，“但我們會嘗試。”
本文選自《環球科學》2024年7月刊前沿
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