张锋教授团队开发新冠病毒CRISPR检测技术

张锋教授团队开发新冠病毒CRISPR检测技术
2020年02月15日 09:35 新浪科技综合

  来源:学术经纬

  今日,麻省理工学院(MIT)的麦戈文脑科学研究所(McGovern Institute for Brain Research)宣布,张锋教授团队利用基于CRISPR的技术,开发了一种检测新冠病毒RNA的方法。它仅需纯化的核酸分子样本,通过简单的三步,就能在1个小时的时间里完成检测。由于这项技术还比较初步,尚未在真实患者样本中做过检测,因此科学家们也强调,这个方法目前不能用于临床上对新冠病毒感染的诊断。

  火眼金睛的福尔摩斯

  在相关的论文中,张锋教授团队指出,面对新型冠状病毒的爆发,目前主要的检测手段是qPCR。但我们也需要意识到,qPCR所需的试剂和设备并不总是容易获得。在一定程度上,这也会影响到疾病诊断的速度。为了推进对疾病的诊断,研究人员们也正在开发新型的诊断工具。他们在论文中描述的工具,便是在这个前提下诞生的。

  这个工具利用的是张锋教授团队在2017年于《科学》杂志上发表的SHERLOCK技术。这个技术与夏洛克·福尔摩斯同名,实则为“Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing”技术的缩写。从名字上看,它具有特异的高灵敏度。

▲本研究基于2017年《科学》杂志上的一项研究(图片来源:参考资料[4])
▲本研究基于2017年《科学》杂志上的一项研究(图片来源:参考资料[4])

  而基于CRISPR技术诞生的它,也的确有着福尔摩斯般的“火眼金睛”。在2017年的《科学》论文中,研究人员们指出,这套系统无论对RNA还是DNA,灵敏度都达到了单分子级。

  检测新冠病毒的技术原理

  从原理上看,这项技术并不难理解。SHERLOCK的核心是一种叫做Cas13a的酶和与其结合的向导RNA。根据新冠病毒的RNA序列,研究人员们精心设计了两种向导RNA,一种识别新冠病毒的S基因,另一种识别Orf1ab基因。为了最大程度提高检测的准确率,科学家们挑选的都是最具新冠病毒特异性的序列。这样一来,其他呼吸道病毒基因组带来的干扰也能被降到最低。

  基于这个设计,理论上说,只要样本里有新冠病毒所对应的RNA,向导RNA就能对其进行精准的识别,并激活与其结合的Cas13a蛋白。Cas13a是一种很有趣的酶,一旦被激活,它就会不分青红皂白,疯狂切开它所遇到的任何其他RNA分子。也正是利用这种特性,研究人员们在样本里还会添加一种通过RNA相连接的特殊分子。一旦Cas13a得到激活,这种特殊分子上的RNA就会被切断。这样一来,通过确认这些分子有没有被切断,我们就能知道最初的样本里有没有新冠病毒的存在。

▲通过确认这些分子有没有被切断,我们就能知道最初的样本里有没有新冠病毒的存在(图片来源:参考资料[3])
  ▲通过确认这些分子有没有被切断,我们就能知道最初的样本里有没有新冠病毒的存在(图片来源:参考资料[3])

  一般来说,后续的检测工作并不需要太多繁琐的步骤,所需的仅仅是一些能够特异识别“完整分子”和“切断分子”的试纸。如果样本里不存在新冠病毒,那么试纸标识“完整分子”的较低位置上,就会出现一条条带;相反,如果样本里真的有新冠病毒对应的RNA,那么在代表“切断分子”的较高位置上,会出现另一条条带。通过条带位置的不同,我们很容易就能确认新冠病毒的存在与否。

▲通过条带的不同位置,我们可以判断有没有新冠病毒的存在(图片来源:参考资料[1])
▲通过条带的不同位置,我们可以判断有没有新冠病毒的存在(图片来源:参考资料[1])

  简单三步,仅需1个小时

  张锋教授团队也介绍了进行这项检测的步骤。完整流程可点击文末“阅读原文/Read More”,这里仅列出一些关键信息:

  利用常规的同温扩增技术,对提取的核酸样本进行扩增。这一步需要25分钟,维持42摄氏度。

  在样本里加入Cas13蛋白,向导RNA,以及起到报告作用的特殊分子。然后在37摄氏度下,继续反应30分钟

  使用试纸对第二步里获得的样本进行检测。这一步大约需要2分钟的反应。

  研究人员们表示,在测试中,他们能够稳定检测出新冠病毒的序列,而且灵敏度很高——每微升里仅需100个拷贝,乃至10个拷贝,都可以被检测出来。

  总结

  总体来看,研究人员们指出,仅仅从患者体内分离纯化出RNA,再利用上述这些步骤,就有望在1个小时内进行诊断,而无需复杂的各种设备。任何有意测试这项技术的科研人员,都可以在线申请材料(https://www.addgene.org/91909/,或sherlock@broadinstitute.org)。

  但他们也一再强调,这一技术尚未用在患者的样本上,所以没有得到验证,不可直接用于临床诊断。他们也将与其他研究人员们合作,不断在线更新最新的技术指导。

  值得一提的是,世界卫生组织在本周针对新冠病毒的研究大会上,明确指出“开发准确并且使用简便的诊断检测”是当务之急。我们也期待这一技术能早日得到验证,协助病患的诊断。

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