对CRISPR基因编辑的常见类比是，它像分子剪刀一样工作，剪切DNA的选定部分。斯坦福大学生物工程助理教授Stanley Qi喜欢这个比喻，但他认为是时候把CRISPR重新想象成一把瑞士军刀了。

　　“CRISPR可以像切割器一样简单，也可以像调节器、编辑器、标记器或成像器一样高级。这个令人兴奋的领域正在涌现出许多应用，”齐说，他也是斯坦福医学院化学和系统生物学的助理教授，也是斯坦福化学- h研究所的学者。

　　然而，用于眼睛、肝脏和脑部疾病的基因治疗的许多不同的CRISPR系统或正在进行临床测试，它们的范围仍然有限，因为它们都有同样的缺陷:它们太大了，因此很难进入细胞、组织或生物体。

　　在9月3日发表在《分子细胞》上的一篇论文中，齐和他的合作者宣布了他们认为CRISPR向前迈出的重要一步:一种高效、多用途的迷你CRISPR系统。通常使用的CRISPR系统——其名称如Cas9和Cas12a表示各种版本的CRISPR相关(Cas)蛋白——由大约1000到1500个氨基酸组成，而他们的“CasMINI”有529个氨基酸。

　　研究人员在实验中证实，CasMINI可以像其强大的对手一样删除、激活和编辑遗传密码。它更小的尺寸意味着它应该更容易进入人体细胞和人体，使其成为治疗各种疾病的潜在工具，包括眼病、器官退化和一般的遗传疾病。

　　为了使系统尽可能小，研究人员决定从CRISPR蛋白Cas12f(也称为Cas14)开始，因为它只包含大约400到700个氨基酸。然而，像其他CRISPR蛋白一样，Cas12f自然地起源于古生菌——单细胞生物——这意味着它不太适合哺乳动物细胞，更不用说人类细胞或身体了。已知只有少数CRISPR蛋白在哺乳动物细胞中不经修饰而起作用。不幸的是，CAS12f不是其中之一。这对像Qi这样的生物工程师来说是一个诱人的挑战。

　　事实上，齐实验室的博士后学者、该论文的第一作者徐晓姝(音)在人类细胞中没有发现天然Cas12f的活性。Xu和Qi推测，问题在于人类基因组DNA比微生物DNA更复杂，更难以获取，这使得Cas12f很难在细胞中找到它的靶标。通过观察计算预测的Cas12f系统结构，她仔细选择了大约40个可能绕过这一限制的蛋白质突变，并建立了一次测试许多蛋白质变体的管道。理论上，一种有效的变体可以通过激活基因组中的绿色荧光蛋白(GFP)使人类细胞变绿。

　　“一开始，这个系统一年都不起作用，”徐说。“但经过生物工程的迭代，我们看到一些工程蛋白开始像魔法一样开启。它让我们真正认识到合成生物学和生物工程的力量。”

　　第一次成功的结果并不明显，但这让徐很兴奋，并鼓励她继续努力，因为这意味着这个系统是有效的。经过多次额外的迭代，她能够进一步提高蛋白质的性能。“我们一开始只看到两个细胞显示绿色信号，现在经过工程改造，几乎每个细胞在显微镜下都是绿色的，”徐说。

　　“在某个时刻，我不得不阻止她，”齐回忆说。“我说，‘现在还好。你建立了一个很好的系统。我们应该考虑如何将这种分子用于应用。”

　　除了蛋白质工程，研究人员还设计了引导Cas蛋白到达目标DNA的RNA。对这两种成分的修改对于使CasMINI系统在人体细胞中发挥作用至关重要。他们测试了CasMINI在实验室人类细胞中删除和编辑基因的能力，包括与HIV感染、抗肿瘤免疫反应和贫血相关的基因。它几乎对他们测试的每一个基因都起作用，在几个基因中产生了强烈的反应。

　　研究人员已经开始与其他科学家合作研究基因疗法。他们还对如何为RNA技术的进步做出贡献感兴趣，比如用于开发mRNA COVID-19疫苗的RNA技术，其中大小也可能是一个限制因素。

　　“这种设计这些系统的能力自CRISPR早期以来一直是该领域所期望的，我觉得我们为实现这一现实尽了自己的一份力量，”齐说。“这种工程方法可以提供广泛的帮助。这就是让我兴奋的地方——为新的可能性打开大门。”