：《科学美国人》评选2014年十大科技成就

预测哪个科学发现能改变未来世界，说实话，是个愚蠢的游戏。谁知道未来会怎样？然而，每年都有那么一大串新发现，比如最快最便宜的基因组编辑工具的到来，让我们激动得不能自持。

跟以往一样，今年的《科学美国人》评选出最震撼的十大成就，包含了对活细胞重新编程和渲染实验室动物让其透明的工具；用声波和唾液赋予电子能量的方法；能纠正视觉缺陷的手机屏幕；在超导体研究领域产生重要影响的乐高玩具那样的原子结构，等等。

一、基因精灵

——基于细菌“记忆”的DNA编辑技术可能颠覆医学界，但也有“失控”隐忧

上世纪70年代，基因工程勃兴。生产胰岛素的博野基因技术公司，对大肠杆菌基因进行修改，使之变成了一个人工合成基因。在实验室，研究人员使用转基因老鼠来研究疾病。但早期的方法有两大局限——不精确和难以规模化。

到了上世纪90年代，研究人员克服了第一个局限，他们可以剪切DNA特殊位置的蛋白质，这对随机在细胞中插入DNA并希望产生有用的突变来说，是个巨大的进步。然而，他们还得为每个目标DNA序列设计并定制一个全新的蛋白质，这个工作是个消耗时间且十分艰巨的工作。

此后两年，一群来自瑞典和加州的大学研究人员在细胞的遗传机制中发现，科学家可以用前所未有的速度编辑基因组。不久，哈佛大学和麻省理工学院的科学家团队证明，该技术可以用于进行多个细胞基因修改。

已经加速了的基因修改技术，对遗传学和医学领域产生了深刻和有益的影响。科学家可以在几个星期内改实验室动物基因，此前这工作需要一年完成。其他研究人员用该技术探讨治疗艾滋病、老年痴呆症和精神分裂症等疾病。然而，该技术使基因改造如此容易和便宜，一些伦理学家预计可能会产生很多负面影响。

这个技术叫做CRISPR，日本研究人员在上世纪80年代后期研究这个技术。该技术作为基因编辑工具获得成功的迹象并没有显现，直到窦德娜和夏邦吉埃的团队找到解决方案——利用一个叫做Cas9的蛋白质。

两位科学家2011年在波多黎各的一次科学会议上碰面。他们有很多相似之处，他们的团队都在研究细菌如何防御病毒，所做工作都确认了细菌能够用对过去侵入者的DNA产生的“记忆”来防止再次被病毒攻击的机制。

会后不久，两位科学家决定“会师”，夏邦吉埃实验室寻找链球菌属细菌所使用单个蛋白质Cas9来切碎穿透细胞壁的病毒的证据，而窦德娜则让伯克利实验室投入寻找Cas9工作的机制。两个实验室都意识到Cas9可能对基因编辑有帮助，基因编辑是用酶作为分子剪刀的基因工程，能够在DNA双螺旋的特殊位置找到突破口，之后细胞可以修复这个突破口，有时合并科学家放置在细胞核中的新的基因材料。

当两位科学家开始合作，最先进改变基因的技术是自定义一种可以找到并剪切所需DNA目标的酶。换句话说，每一个基因修改，科学家必须专门制作一个新的蛋白质。

但他们俩意识到，Cas9作为用在免疫系统中的链球菌属酶，能雇佣RNA来将之导向到目标DNA。Cas9-RNA结合体可以用弹开DNA的方法探测目的地，看起来很随机，直到找到最有希望的位置为止。

这种弹跳是Cas9酶每次在搜索同样的DNA序列的“信号”，Cas9会在RNA和DNA分子相匹配的时候实施“剪裁”，基因编辑有可能由此变得更简单、更便宜、更高效。

经过几个月的合作之后，这个团队取得重大突破。有一天两人会面讨论一个想法，他们认为在链球菌属细菌中，Cas9使用了两个RNA引导其到侵略者DNA的正确位置。但如何能简化这两个使者，而不损害其作为单独使者时具有的有效性？

他们最终实现了预期目标，当2012年8月17日该成果发表出来的时候，全世界该领域的科学家立刻意识到其巨大的革命性潜力。

去年，研究人员将CRISPR·Cas9用在比细菌更复杂的植物和动物细胞上，在哈佛大学，遗传学家乔治·丘奇用CRISPR技术改变了人类细胞的基因，为治疗疾病带来全新的可能性。

不足为奇的是，大量资金涌入这项工作。艾迪塔维尔医药公司以4300万美元的风险投资来发展一个基于CRISPR的新药。今年4月，在巴塞尔和伦敦投资2500万美元的CRISPR治疗公司也在瞄准类似目标。为实验室提供实验用品的公司则已经转型成为为全球用途提供用CRISPR技术改造或定制的小鼠、大鼠和兔子了。

如果客户需要一个实验用小鼠来研究帕金森疾病与新的可疑基因或特殊突变之间的关系，他会有好几种选择。从事CRISPR技术的科学家可以将目标基因关闭来采用一个突变，或者关闭这个基因然后在这个位置插入人类基因。与此前的基因编辑技术不同，CRISPR技术使得研究人员能快速地对细胞同时进行多个基因修改。

在投入商用之前，研究人员和企业家对新技术的应用抱有很多美好的期待。比如，可以在怀孕早期调整可能出现的唐氏综合症异常染色体，或者把灭绝了的生物重新“唤醒”。

有人觉得这很可怕，这一点也不奇怪。7月份，哈佛团队发表的用CRISPR技术消除蚊子的论文引发了强烈讨论。伯克利创新基因计划组里，窦德娜专门召集了一个小组，研究CRISPR技术应用的伦理问题。

6月份，麻省理工学院的研究人员报告说，用CRISPR技术治愈了成年小鼠的酪蛋白血症，这是一种罕见肝脏疾病。

8月份，斯坦普大学的病毒学家卡迈勒·哈利利和他的同事使用CRISPR技术，从几个人类细胞中切除了导致艾滋病的HIV病毒，被感染的细胞转换成了未感染的细胞，且未受感染的细胞液受到了CRISPR的保护，“你可以称它为基因疫苗。”哈利利说，“如果两年前你问我，能否精确地从人类细胞中切除HIV病毒？我会说这是一个艰巨的任务，但是现在，我们做到了。”

二、可重新编辑的细胞

——通过挤压来控制它们

如果能按照我们的“命令”来制造细胞，它们可能制造胰岛素、攻克肿瘤或者做其他有助于人类的事情。但是“劫持”一个细胞并不那么容易。目前的方法是用

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