人類(lèi)首次在國(guó)際空間站微重力環(huán)境中開(kāi)展CRISPR診斷研究

在太空任務(wù)中監(jiān)測(cè)宇航員的健康狀況面臨諸多挑戰(zhàn)，其中包括快速評(píng)估乘員的健康狀況。靈敏的基因診斷對(duì)于檢查航天員和航天器環(huán)境至關(guān)重要。CRISPR-Cas12a與等溫?cái)U(kuò)增相結(jié)合，已被證明是一種有前途的生物傳感系統(tǒng)，可用于快速、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)基因組目標(biāo)。然而，基于CRISPR診斷的效率和靈敏度還從未在微重力環(huán)境中進(jìn)行過(guò)測(cè)試。宇航員在國(guó)際空間站上首次測(cè)試了使用重組酶聚合酶擴(kuò)增（RPA）結(jié)合Cas12a的附帶裂解活性進(jìn)行基因診斷。宇航員探索了擴(kuò)增和未擴(kuò)增靶DNA的檢測(cè)靈敏度。通過(guò)將RPA與Cas12a結(jié)合，研究鑒定了渺摩爾級(jí)（attomolar）的靶標(biāo)。進(jìn)一步還評(píng)估了反應(yīng)長(zhǎng)期儲(chǔ)存后的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，基于CRISPR的檢測(cè)是在微重力環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)基因診斷的有力工具，并可進(jìn)一步用于長(zhǎng)期的太空努力，以改善宇航員的健康和福祉。
研究亮點(diǎn)
1.基于CRISPR的基因診斷技術(shù)成功應(yīng)用于微重力環(huán)境。
2.將Cas12a附帶活性與重組酶聚合酶擴(kuò)增（RPA）相結(jié)合，可檢測(cè)到渺摩爾級(jí)（attomolar）濃度的DNA。
3.冷凍長(zhǎng)期儲(chǔ)存后保持檢測(cè)穩(wěn)定性，因此可用于長(zhǎng)期太空任務(wù)。

研究背景
基因診斷可加深對(duì)空間飛行任務(wù)期間環(huán)境條件的了解，并在宇航員的治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。如果沒(méi)有對(duì)不同樣本進(jìn)行機(jī)載基因檢測(cè)的手段，只能在著陸后進(jìn)行調(diào)查，這既不及時(shí)，也可能造成偏差。此外，機(jī)載基因診斷可有利于食品安全和可持續(xù)太空農(nóng)業(yè)，特別是用于分析潛在的植物病原體和監(jiān)測(cè)微生物組的發(fā)展。

最近的幾項(xiàng)研究建立了飛行基因診斷方法。聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和納米孔測(cè)序在國(guó)際空間站（ISS）上成功運(yùn)行。使用16S測(cè)序進(jìn)行細(xì)菌分析和拭子到測(cè)序儀實(shí)驗(yàn)也已完成。
近年來(lái)，基于CRISPR-Cas的技術(shù)在基因診斷領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)革命。這些系統(tǒng)包括CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）陣列和Cas（CRISPR相關(guān)）蛋白。CRISPR陣列被轉(zhuǎn)錄并加工成短向?qū)�RNA（gRNA）序列，與Cas蛋白結(jié)合并引導(dǎo)它們到達(dá)基因組靶點(diǎn)，然后以精確高效的方式裂解靶點(diǎn)。這種利用gRNA將DNA或RNA切割蛋白引導(dǎo)至特定基因組位點(diǎn)的能力使CRISPR-Cas系統(tǒng)成為一種多功能、強(qiáng)大的基因組編輯工具。這已在整個(gè)生命樹(shù)中得到證實(shí)，最近還在微重力環(huán)境中得到證實(shí)。

除了各種基因組編輯應(yīng)用外，特定的Cas蛋白，如Cas12a和Cas13，還具有附帶功能：在靶標(biāo)檢測(cè)和裂解后，這些蛋白分別不加區(qū)分地裂解單鏈DNA（ssDNA）或單鏈RNA（ssRNA）。利用這一功能開(kāi)發(fā)了基于ssDNA探針的靈敏特異的DNA檢測(cè)測(cè)定DETECTR和利用Cas13感知RNA分子的SHERLOCK。DETECTR探針由連接熒光團(tuán)和淬滅劑的短ssDNA序列組成。識(shí)別靶標(biāo)后，Cas12裂解ssDNA探針，從淬滅劑中釋放熒光團(tuán)，產(chǎn)生熒光信號(hào)（圖1a）。該技術(shù)已被FDA批準(zhǔn)用于SARS-CoV2的檢測(cè)。

實(shí)時(shí)PCR（RT-PCR）被廣泛用于基因診斷，但它需要專(zhuān)業(yè)的設(shè)備和合格的人員。RT-PCR將擴(kuò)增和熒光檢測(cè)結(jié)合在一起，而DETECTR和SHERLOCK則采用單獨(dú)的擴(kuò)增步驟，然后進(jìn)行檢測(cè)。PCR是DNA擴(kuò)增的黃金標(biāo)準(zhǔn)方法，已被證明可與Cas12a基因鑒定檢測(cè)結(jié)合使用。然而，對(duì)于DNA的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，兩種等溫?cái)U(kuò)增方法是Cas12a的常規(guī)使用方法：(a)環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增（LAMP）和(b)重組酶聚合酶擴(kuò)增（RPA）。

2022年4月8日，首次私人軌道太空飛行從卡納維拉爾角起飛前往國(guó)際空間站。以色列宇航員Eytan Stibbe參加了這次飛行，以完成 "Rakia "任務(wù)，其中包括數(shù)十項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。作為此次任務(wù)的一部分，宇航員測(cè)試了微重力環(huán)境下Cas12a和RPA擴(kuò)增的附帶活性（圖1c）。我們以生命樹(shù)不同分支的三種生物為目標(biāo)：大腸埃希氏菌、釀酒酵母和梭形芽孢桿菌。該研究結(jié)果表明，基于CRISPR的高精度基因診斷可以在微重力環(huán)境下進(jìn)行。在太空中快速輕松地檢測(cè)遺傳物質(zhì)的能力可作為未來(lái)太空旅行任務(wù)的寶貴工具。

研究結(jié)果：
編者注：該研究首次在外太空成功實(shí)現(xiàn)了CRISPR診斷測(cè)試，預(yù)示著不久將來(lái)該技術(shù)可能會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，其次隨著未來(lái)太空移民，任何星球應(yīng)該也能開(kāi)展CRISPR診斷。

文獻(xiàn)來(lái)源：
Alon DM,Mittelman K,Stibbe E,Countryman S,Stodieck L,Doraisingam S,Leal Martin DM,Hamo ER,Pines G,Burstein D.CRISPR-based genetic diagnostics in microgravity.Biosens Bioelectron.2023 Jul 5;237:115479.doi:10.1016/j.bios.2023.115479.Online ahead of print.