如果你還沒有聽過 CRISPR，
那麼可以這麼簡單理解：在過去的四年裡，
科學家在細菌的免疫系統裡發現了一種可以在其他生物（植物、老鼠甚至人類）的體內編輯基因的工具。
有了 CRISPR，
以前需要長年累月才能完成的基因編輯工作，
現在只需要花上幾天的時間就能完成。
簡單介紹過後， 我們來說一說這種新銳的強大基因編輯工具是如何在植物、動物甚至人類的細胞內工作的。 它是如此的好用， 以至於我們可以精確的去根據我們的需要刪除或添加不必要的性狀。
僅僅在2016年， 研究者就用 CRISPR 幹成了一些令人吃驚的事情， 例如創造出不易變成褐色的蘑菇， 或者編輯老鼠的骨髓細胞來治療鐮刀型貧血症。 按照這個進度， CRISPR 也許有一 天能幫助我們開發出耐旱的作物， 更加強大的抗生素， 或者治療諸如囊性纖維化一類的遺傳疾病。 CRISPR 甚至還能讓我們清除整個攜帶瘧原蟲的蚊子種群，
2016年， 在中國科學家首次證實了我們能夠用 CRISPR 編輯人類胚胎細胞以後， 現在圍繞著 CRISPR 最大的噱頭在於我們是否可以借此改進一些人類的性狀（例如提升智力）。 但這些其實只是遙遠的願景。 由於編輯複雜的基因仍然有著種種不確定性， 有些人憧憬的“經過設計的寶寶”仍然是遙不可及的目標。 那麼 CRISPR 究竟有何神奇之處呢？它又是如何工作的昵？我們現在來具體聊一聊。
【CRISPR究竟是什麼？】
如果我們要瞭解 CRISPR 技術的由來， 我們必須回溯到1987年日本科學家在大腸桿菌的基因中發現一些不同尋常的重複性序列的時候。
然而長久以來CRISPR序列的功能依然是個迷， 一直到2007年一群營養學家在研究如何用鏈球菌制取優酪乳的時候， 揭示了這些奇怪的重複序列可能是細菌的免疫系統的重要一環。
細菌無時無刻不處在病毒的攻擊中， 也因此始終處在抗病毒酶的保護下。 在入侵的病毒被消 滅以後， 細菌的一些酶系統會參與進來掃除“戰場”剩下的病毒的基因， 將其切成小片段， 然後嵌入到這些細菌基因組上的 CRISPR 序列當中。 接下來的事情出乎所有人的預料：細菌利用這些儲存在 CRISPR 中的序列來對抗以後的病毒襲擊。
也就是說， 如果遇到同一種病毒的攻擊， 一種細菌自身的蛋白 Cas9 會被製造出來。 當 Cas9 遇到入侵的病毒的時候， 他們會識別病毒的RNA， 如果和儲存在 CRISPR 的序列一致， Cas9 就會切割病毒的RNA來消除入侵的威脅。
【CRISPR系統是如何引導基因編輯的？】
2011年， 加州大學伯克利學院的 Jennifer Doudna 和瑞典于默真大學的 Emmanuelle Charpentier 對於 CRISPR/Cas9 系統是如何工作的陷入迷茫中。 Cas9 酶是如何被 RNA 引導識別病毒序列的？這個酶又是如何知道從哪裡開始切割 DNA 的？
科學家很快發現他們可以用一段人工的 RNA 來“哄騙” Cas9蛋白， 而這個酶可以根據這段 RNA 的序列去匹配任意一段 DNA， 只要擁有和 RNA —樣的序列， 然後加以切割。 在2012年 的一篇里程碑式的論文裡， Doudna、Charpentier 和 Martin Jinek證明了他們可以用 CRISPR/Cas9 系統在任意的基因組裡的任意的位置進行切割。
現在， 即使這項技術的成功只在試管裡得到了證明， 但它暗示的前景卻不言而喻。
緊接著，波士頓博多研究所的 Feng Zhang（張鋒）於2013年2月在《科學》上以共同作者的身份發表 了一篇論文，證明了 CRISPR/Cas9 系統可以在老鼠或人類細胞中進行基因編輯。在同一期雜誌上，哈佛大學的 George Church 和他的團隊展示了不同的 CRISPR 技術如何可以被應用在編輯人類細胞上面。
到此為止，研究人員已經知道了 CRISPR/Cas9 系統是一個多功能的系統。不僅可以通過剪切來“沉默”某些基因，也可以通過修復酶來在剪切的位元點嵌入一些需要的片段（當然這個更難一點）。舉個例子，科學家可以讓Cas9酶剪除造成亨廷頓跳舞症的基因片段，然後用完好的基因來替代它。
其實基因編輯並不是一個全新的概念，許多年來已經有不少的技術被開發出來用於敲除基因。 讓 CRISPR 成為一種革命性的技術的原因在於它的精確性：Cas9酶會精確的移動到任何你想要它去的地方。此外，這個技術非常的廉價，操作也很簡便。在過去，改變一段基因可能需要幾星期甚至幾個月的時間，花費上千美元。現在只需要75美元和幾個小時即可。同時， CRISPR 技術被證明在任何物種的細胞內均可以起作用。
CRISPR 也因此成為了眾多熱點之一，在2011年，只有不到一百篇關於 CRISPR 應用的文章發表。到了2016年，數量卻超過了1000篇，內容涵蓋 CRISPR 的改進技術，新的基因修改技術，以及增加靶點精確性的技術。Doudna 說：“這個領域發展的如此之快，以至於我都有點跟不上了。我們很快就會發現，基因編輯會在醫學中得到應用。”
開發 CRISPR 技術的榮譽該歸於哪位科學家仍有爭議——究竟是 Doudna 在2012年的文章或者 Zhang 在2013年的文章更能代表這項技術的突破呢？圍繞這項技術的專利權，甚至引發了法律糾紛，因為這涉及數十億美元的利益。到了2017年2月15日，美國專利與商標局裁定對博多研究所2014年獲批的CRISPR-Cas9 專利不做更改。但最重要的是，CRISPR的時代已經到來。
【我們能用CRISPR做什麼?】
加州大學大衛斯分校副教授的 Paul Knoepfler 說，CRISPR 讓他感覺到好像是小孩走進了糖果店一樣。在最基礎的層面上，CRISPR讓研究者們很輕易的弄明白不同的基因在不同的物種中的作用——只需要敲除這個基因然後看其對性狀的影響就知道了。這個的重要性不言而喻：在我們2003年完整的描繪出人類基因組的時候，我們並不完全瞭解這些基因有些什麼功能。CRISPR 可以助力快速的基因篩選因此讓基因研究獲益。
但是基因編輯真正的樂趣，或者有一天成為真實的風險，在於編輯眾多植物和動物的基因。 Rodolphe Barrangou 近期在 Nature Biotechnology 發表的文章列舉了 CRISPR 未來幾項潛在的應用：
1. 將穀物“編輯”得更加富有營養：農業學家已經在研究如何用 CRISPR 技術來改造若干種穀物，將它們變得更加可口，或者有營養，或者能抵抗旱情和其他不利的耕種條件。他們也許還能用 CRISPR 消除花生裡引起過敏的物質。韓國的科學家正在研究 CRISPR 是否能幫助香蕉抵擋一種致命的真菌引起的疾病。一些科學家也發現了 CRISPR 可以用來培育出無角的奶牛，這是動物保育方面的一個重大進步。
在過去幾年，孟山都和杜邦一類的公司已經開始為 CRISPR 技術申請生產許可，希望能借此發展出新的穀物多樣性。雖然 CRISPR 暫時還不能取代傳統的轉基因技術，但是它代表了一 種多功能的新型工具，能夠更快的識別基因所代表的性狀。CRISPR 也可以讓科學家們以比傳統方法更加精確的在合適的位元點嵌入所需要的性狀。
“有了基因編輯技術，我們可以做到以前做不到的事情”，加州大學大衛斯分校的植物基因學家 Pamela Ronald 說。但是她對於這項技術的可靠性存在疑慮，因為產生新的生物多樣性仍然需要很多年的時間來驗證。
這項新的技術也可能引起爭議。現在對於幾種被 CRISPR 敲除過基因的作物的監管，比傳統的轉基因食品稍微輕一些。華盛頓的決策者們正在忙於辯論是否需要修改現有的監管條例。
2. 治療遺傳疾病的新工具：科學家們也可以用 CRISPR/Cas9 來編輯人類基因組，以敲除某 些治病基因，諸如亨廷頓舞蹈症和囊性纖維化等。也有科學家證明了 CRISPR 可以從 T 細胞中消除愛滋病毒的感染。
迄今為止，科學家們仍然只是在實驗室中測試了這些技術的可能性，而真正的臨床應用仍然還有很多的困難需要克服。比如說，Cas9 酶有時候會“走火”繼而在不該編輯的地方編輯了基因，這個在人類細胞中的後果可能是災難性的，比如癌症或者前所未見的疾病。過去幾年中， 在改良 CRISPR 的精確性方面有了長足的進步，但是科學家仍然呼籲在 CRISPR 的人體實驗上多加小心。此外，如何將基因編輯系統輸送到特定的細胞內依然是個難題。
3. 強大的新型抗生素和抗病毒藥物：一個非常嚴重的健康問題就是我們現在有越來越少的抗生素可以用了，因為越來越多的細菌在產生抗藥性，而且開發新的抗生素是個非常冗長的過程。但是 CRISPR 系統在理論上可以更加精確的消除細菌感染的威脅（當然，如何輸送 CRISPR 依然是個問題）。也有一些研究者在討論如何用 CRISPR 消滅愛滋病毒和皰疹病毒的威脅。
4. 改變整個種群的基因：科學家也證明了 CRISPR 可以在理論上修改整個種群的基因。這是一個新的叫做“基因驅動”的概念。它是這樣工作的：通常對於一個物種而言，比如說果 蠅，有著50%的幾率將某個基因傳遞給下一代。但是 CRISPR 可以把幾率提高到100%。通過“基因驅動”的技術，科學家可以確保整個種群的基因都被修改，並且傳遞到下一代。
5. 創造經過“設計”的嬰兒：這是最博眼球的一個。想到我們有一天會用 CRISPR 去編輯整個人類基因組來消除疾病，選擇有成為運動員潛力或者更高智力的嬰兒，這並不是一個牽強的想像。
但事實上，科學家們還不能做到這些。2015年四月，中國科學家在世界上首次嘗試在86個不能發育的人類受精卵中敲除一個會導致血液病的基因。結果是很糟糕的，只有71個受精卵存活了下來，其中又只有一小部分的基因被成功修改了。在很多情況下，CRISPR “走火”導致了成功編輯的和非成功編輯的細胞雜和在了一起。（這些細胞並不能發育成嬰兒，而是在實驗後被清理了）。
這一項嘗試僅僅是為了敲除某一個導致血液病的基因，並不涉及任何複雜的基因修改，比如提高智力一類。“我認為我們並不十分瞭解人類基因組是如何相互作用的，哪些基因會引發哪些性狀。” Doudna 告訴我的同事說，“這種情形會隨著時間變化”，她補充道。
【等一等，我們真的應該創造出經過設計的嬰兒嗎?】
鑒於基因編輯領域的很多問題，科學界呼盱暫緩CRISPR應用的速度。
在2015年12月，國際人類基因編輯峰會的組委會就警告研究者們也許該停止在臨床實驗中 用CRISPR編輯人類生殖細胞一即精子，卵子和胚胎一至少現在時機還不成熟，而且，我們 並不完全瞭解隨之帶來的一系列副作用。
此外，組委會告訴我們，人類社會也需要更多的時間來梳理基因編輯帶來的倫理學問題。比如說，假使我們編輯人類生殖細胞，那麼今後的每一代人類都無法退出這種編輯帶來的影響 了，因為基因編輯可能很難撤銷。並且基因編輯可能增強某一小個人類群體的某些能力，繼而造成極大的不公平。
與此同時，組委會並沒有完全排除用CRISPR編輯生殖細胞這一技術在未來的前景。研究者 依然可以用CRISPR在胚胎細胞和其他人類細胞中進行基因編輯，只要這些細胞並不會最終成為一個受孕的嬰兒。但即使這樣的尺度也讓諸如Francis Collins的一些科學家憂心忡忡。他們建議美國政府在未來不要資助人類胚胎細胞的基因編輯一類的研究。與此同時，英國、 瑞典和中國的科學家們卻正在編輯不可發育的人類胚胎細胞方面進行大力的推進。
但它暗示的前景卻不言而喻。緊接著，波士頓博多研究所的 Feng Zhang（張鋒）於2013年2月在《科學》上以共同作者的身份發表 了一篇論文，證明了 CRISPR/Cas9 系統可以在老鼠或人類細胞中進行基因編輯。在同一期雜誌上，哈佛大學的 George Church 和他的團隊展示了不同的 CRISPR 技術如何可以被應用在編輯人類細胞上面。
到此為止，研究人員已經知道了 CRISPR/Cas9 系統是一個多功能的系統。不僅可以通過剪切來“沉默”某些基因，也可以通過修復酶來在剪切的位元點嵌入一些需要的片段（當然這個更難一點）。舉個例子，科學家可以讓Cas9酶剪除造成亨廷頓跳舞症的基因片段，然後用完好的基因來替代它。
其實基因編輯並不是一個全新的概念，許多年來已經有不少的技術被開發出來用於敲除基因。 讓 CRISPR 成為一種革命性的技術的原因在於它的精確性：Cas9酶會精確的移動到任何你想要它去的地方。此外，這個技術非常的廉價，操作也很簡便。在過去，改變一段基因可能需要幾星期甚至幾個月的時間，花費上千美元。現在只需要75美元和幾個小時即可。同時， CRISPR 技術被證明在任何物種的細胞內均可以起作用。
CRISPR 也因此成為了眾多熱點之一，在2011年，只有不到一百篇關於 CRISPR 應用的文章發表。到了2016年，數量卻超過了1000篇，內容涵蓋 CRISPR 的改進技術，新的基因修改技術，以及增加靶點精確性的技術。Doudna 說：“這個領域發展的如此之快，以至於我都有點跟不上了。我們很快就會發現，基因編輯會在醫學中得到應用。”
開發 CRISPR 技術的榮譽該歸於哪位科學家仍有爭議——究竟是 Doudna 在2012年的文章或者 Zhang 在2013年的文章更能代表這項技術的突破呢？圍繞這項技術的專利權，甚至引發了法律糾紛，因為這涉及數十億美元的利益。到了2017年2月15日，美國專利與商標局裁定對博多研究所2014年獲批的CRISPR-Cas9 專利不做更改。但最重要的是，CRISPR的時代已經到來。
【我們能用CRISPR做什麼?】
加州大學大衛斯分校副教授的 Paul Knoepfler 說，CRISPR 讓他感覺到好像是小孩走進了糖果店一樣。在最基礎的層面上，CRISPR讓研究者們很輕易的弄明白不同的基因在不同的物種中的作用——只需要敲除這個基因然後看其對性狀的影響就知道了。這個的重要性不言而喻：在我們2003年完整的描繪出人類基因組的時候，我們並不完全瞭解這些基因有些什麼功能。CRISPR 可以助力快速的基因篩選因此讓基因研究獲益。
但是基因編輯真正的樂趣，或者有一天成為真實的風險，在於編輯眾多植物和動物的基因。 Rodolphe Barrangou 近期在 Nature Biotechnology 發表的文章列舉了 CRISPR 未來幾項潛在的應用：
1. 將穀物“編輯”得更加富有營養：農業學家已經在研究如何用 CRISPR 技術來改造若干種穀物，將它們變得更加可口，或者有營養，或者能抵抗旱情和其他不利的耕種條件。他們也許還能用 CRISPR 消除花生裡引起過敏的物質。韓國的科學家正在研究 CRISPR 是否能幫助香蕉抵擋一種致命的真菌引起的疾病。一些科學家也發現了 CRISPR 可以用來培育出無角的奶牛，這是動物保育方面的一個重大進步。
在過去幾年，孟山都和杜邦一類的公司已經開始為 CRISPR 技術申請生產許可，希望能借此發展出新的穀物多樣性。雖然 CRISPR 暫時還不能取代傳統的轉基因技術，但是它代表了一 種多功能的新型工具，能夠更快的識別基因所代表的性狀。CRISPR 也可以讓科學家們以比傳統方法更加精確的在合適的位元點嵌入所需要的性狀。
“有了基因編輯技術，我們可以做到以前做不到的事情”，加州大學大衛斯分校的植物基因學家 Pamela Ronald 說。但是她對於這項技術的可靠性存在疑慮，因為產生新的生物多樣性仍然需要很多年的時間來驗證。
這項新的技術也可能引起爭議。現在對於幾種被 CRISPR 敲除過基因的作物的監管，比傳統的轉基因食品稍微輕一些。華盛頓的決策者們正在忙於辯論是否需要修改現有的監管條例。
2. 治療遺傳疾病的新工具：科學家們也可以用 CRISPR/Cas9 來編輯人類基因組，以敲除某 些治病基因，諸如亨廷頓舞蹈症和囊性纖維化等。也有科學家證明了 CRISPR 可以從 T 細胞中消除愛滋病毒的感染。
迄今為止，科學家們仍然只是在實驗室中測試了這些技術的可能性，而真正的臨床應用仍然還有很多的困難需要克服。比如說，Cas9 酶有時候會“走火”繼而在不該編輯的地方編輯了基因，這個在人類細胞中的後果可能是災難性的，比如癌症或者前所未見的疾病。過去幾年中， 在改良 CRISPR 的精確性方面有了長足的進步，但是科學家仍然呼籲在 CRISPR 的人體實驗上多加小心。此外，如何將基因編輯系統輸送到特定的細胞內依然是個難題。
3. 強大的新型抗生素和抗病毒藥物：一個非常嚴重的健康問題就是我們現在有越來越少的抗生素可以用了，因為越來越多的細菌在產生抗藥性，而且開發新的抗生素是個非常冗長的過程。但是 CRISPR 系統在理論上可以更加精確的消除細菌感染的威脅（當然，如何輸送 CRISPR 依然是個問題）。也有一些研究者在討論如何用 CRISPR 消滅愛滋病毒和皰疹病毒的威脅。
4. 改變整個種群的基因：科學家也證明了 CRISPR 可以在理論上修改整個種群的基因。這是一個新的叫做“基因驅動”的概念。它是這樣工作的：通常對於一個物種而言，比如說果 蠅，有著50%的幾率將某個基因傳遞給下一代。但是 CRISPR 可以把幾率提高到100%。通過“基因驅動”的技術，科學家可以確保整個種群的基因都被修改，並且傳遞到下一代。
5. 創造經過“設計”的嬰兒：這是最博眼球的一個。想到我們有一天會用 CRISPR 去編輯整個人類基因組來消除疾病，選擇有成為運動員潛力或者更高智力的嬰兒，這並不是一個牽強的想像。
但事實上，科學家們還不能做到這些。2015年四月，中國科學家在世界上首次嘗試在86個不能發育的人類受精卵中敲除一個會導致血液病的基因。結果是很糟糕的，只有71個受精卵存活了下來，其中又只有一小部分的基因被成功修改了。在很多情況下，CRISPR “走火”導致了成功編輯的和非成功編輯的細胞雜和在了一起。（這些細胞並不能發育成嬰兒，而是在實驗後被清理了）。
這一項嘗試僅僅是為了敲除某一個導致血液病的基因，並不涉及任何複雜的基因修改，比如提高智力一類。“我認為我們並不十分瞭解人類基因組是如何相互作用的，哪些基因會引發哪些性狀。” Doudna 告訴我的同事說，“這種情形會隨著時間變化”，她補充道。
【等一等，我們真的應該創造出經過設計的嬰兒嗎?】
鑒於基因編輯領域的很多問題，科學界呼盱暫緩CRISPR應用的速度。
在2015年12月，國際人類基因編輯峰會的組委會就警告研究者們也許該停止在臨床實驗中 用CRISPR編輯人類生殖細胞一即精子，卵子和胚胎一至少現在時機還不成熟，而且，我們 並不完全瞭解隨之帶來的一系列副作用。
此外，組委會告訴我們，人類社會也需要更多的時間來梳理基因編輯帶來的倫理學問題。比如說，假使我們編輯人類生殖細胞，那麼今後的每一代人類都無法退出這種編輯帶來的影響 了，因為基因編輯可能很難撤銷。並且基因編輯可能增強某一小個人類群體的某些能力，繼而造成極大的不公平。
與此同時，組委會並沒有完全排除用CRISPR編輯生殖細胞這一技術在未來的前景。研究者 依然可以用CRISPR在胚胎細胞和其他人類細胞中進行基因編輯，只要這些細胞並不會最終成為一個受孕的嬰兒。但即使這樣的尺度也讓諸如Francis Collins的一些科學家憂心忡忡。他們建議美國政府在未來不要資助人類胚胎細胞的基因編輯一類的研究。與此同時，英國、 瑞典和中國的科學家們卻正在編輯不可發育的人類胚胎細胞方面進行大力的推進。