2020年諾貝爾化學獎授予美國科學家Jennifer Doudna和法國科學家Emmanuelle Charpentier，表彰她們在基因研究方麵的卓越貢獻。
這兩位女科學家在2012年發表的“CRISPR-Cas9”基因編輯技術被認為是發現DNA雙螺旋結構以來生物學上最重要的發現，引起轟動，那一篇論文被許多人稱之為神聖(divine)論文。
許多獲得諾貝爾獎的研究都是純理論的，比如楊振寧的“宇稱不守恒理論”就是毫無實用價值的東西。而這兩位的研究不僅有理論上的重大突破，還有巨大的現實意義，使基因編輯成為現實。
基因工程是一個非常複雜的東西，這裏簡單說一下，不知道說不說得清楚，歡迎基因工程方麵的專家指證。
先複習一下基因常識：
我們都知道基因是遺傳信息載體，而DNA(脫氧核糖核酸)又是基因載體，基因是DNA長鏈中的一個區段，一個DNA分子包含幾個至幾千個基因。每個基因包含成千上萬個堿基對序列，基因的遺傳信息就藏在這些堿基對序列中。
DNA是雙螺旋結構，有兩條鏈，兩個鏈條中間由A、T、G、C四個堿基配對連接，看起來就像一個扭曲的梯子。DNA分子很長，纏到一起就形成染色體(染色以後可以在顯微鏡下看見)。
人類有23對染色體，有兩個副本，從父母那裏各繼承了一套副本。因此DNA的兩條鏈中的一條攜帶著父親的基因，另一條攜帶著母親的基因，子女的基因就是父母雙方基因的組合。
基因的功能隻有一個，那就是儲存製造蛋白質的藍本/說明書(instructions)，人體有大約2.0-2.5萬個基因，與之相應也有2萬多種蛋白質。蛋白質決定人體各部的特征和功能，諸如身高、眼睛顏色、頭發類型、免疫力等等，是遺傳的基本單位。而製作蛋白質的信息又由基因代碼編寫，基因代碼就是DNA鏈條上的堿基對序列。
計算機的代碼由「0、1」兩個數組成，文字、圖像、視頻，任何東西最後都要轉換成0和1計算機才能夠識別。而基因的代碼由「A、T、G、C」四個堿基組合，人類DNA有的30億個堿基對，所以基因代碼比計算機代碼複雜多了。更重要的是我們知道計算機代碼的語法，而卻不知道基因代碼語法，計算機語言是人類創造的，基因語言是物種億萬年進化形成的。人類要徹底解讀基因代碼還任重道遠。
下麵談一下基因工程：
世上的物種千差萬別，但歸根結底就是一個差別：基因差別。
所有的生物都來自於同一個生命祖先，這個祖先的後代為了適應各自的生存環境而產生了基因突變，有了新的基因組合，逐漸分化形成了不同的物種，這是自然基因工程。所謂的物種進化過程就是基因改變過程。據說世界上所有藍眼睛的人都來自於同一個祖先，這個祖先的一次基因突變失去了部分眼睛色素。
自從有了人類以後，就有了人工基因工程，人類開始了有目的性的雜交育種，把雞變成肉雞、蛋雞、鬥雞各種類，更是雜交出各種各樣的狗貓等寵物。這種改變基因的過程並不需要科技知識，隻要憑觀察和經驗就行了。
1865年奧地利牧師孟德爾發表了他對植物雜交實驗的結果。孟德爾用皺皮豌豆和光皮豌豆做雜交實驗，注意到雜交後代有些是光皮，有些是皺皮，還有些是半光半皺，有些皺皮到了第三代又變成了光皮。經過八年的雜交實驗和觀察，他摸清楚了這之間的關係，提出了遺傳因子的概念，闡述了顯性遺傳、隱性遺傳、和隔代遺傳的概念。雖然孟德爾還不知道遺傳因子的結構和存在方式，但卻準確的闡述了遺傳規律，奠定了現代遺傳學基礎。
由於豌豆要一年才能得到結果，時間拖得太長，後來美國遺傳學家摩根改用果蠅做實驗，果蠅繁殖速度快，而且果蠅眼睛顏色的遺傳特征明顯，便於觀察。摩根觀察到了基因變異現象，發現了遺傳學的連鎖互換規律，進一步完善孟德爾遺傳學。
但由於人們不知道遺傳基因的結構，以上的所有遺傳學研究都集中在雜交育種上，通過多代篩選，不斷的改變父母的搭配來得到所需個體。比如中國水稻專家袁隆平把耐旱水稻和高產水稻雜交而得到既耐旱又高產的水稻，這不是什麽科學實驗，就是重複的雜交育種，要花很長時間。
直到1953年，美國分子生物學家沃森和英國物理學家克裏克提出著名的DNA雙螺旋結構模型，發現DNA是基因載體並確定了基因的結構。這個劃時代的發現使遺傳學進入分子遺傳學時代。這兩人1962年獲得諾貝爾生理學醫學獎。
知道了基因的分子和化學結構，接下來就是繪製人類基因圖和解讀基因密碼。這項工程可不容易，人類基因有30億個堿基對，要何年何月才能全部搞清？
1990年，由美國牽頭發起了全球合作的《人類基因組計劃》(human genome project)，這是一項規模宏大，跨國跨學科項目。出乎人們的預料，這個項目進展神速，比預定計劃提前三年完成，僅用十年時間就繪製出了人類基因圖和DNA的所有堿基排序，雖然大部分功能還不清楚。
這次成功除了國際合作，參與的科研機構多以外，更主要的是私企的競爭。有一個美國科學家(Craig Venter)成立了一家公司，利用一種叫做“散彈槍測序”技術和高速計算機，能夠一次測試幾千個堿基對，解破基因的速度大大的加快。這下引起了學術界的恐慌，怕這家夥申請專利，今後使用他發現的基因就要交費。所以參加《人類基因組項目》的各研究所也拚盡全力加速繪製基圖譜，搶先發表，雙方展開激烈競爭。
後來美國克林頓總統和英國首相聯名呼籲不要把人類基因譜私有化和財產化，應全部對外公開。最後這家公司響應號召，沒有申請基因專利。聽說這家公司和其他相關生物公司的市值一下損失了500億美元，等於白幹了。
自從發現了DNA的雙螺旋結構以後，美國的生物和農業科技公司就一直在研究轉基因農作物，想通過改變基因培養出高產、耐早、防病蟲的農作物。過去都是采用雜交育種，但這太慢了，如今直接植入相關基因就行了，比如把兩種細胞溶到一起，染色體人工配對等。這些都在實驗室進行，出結果很快。
但這種方法有一個問題，無法精確控製基因插入，隨機性很強，往往會產生怪胎，所以隻運用於動物和植物，而沒用在人身上。
基因結構的發現給遺傳病患者帶來了希望，我們都知道遺傳病就是基因病變和缺失造成的。我們現在已經知道了人類所有的基因，而且已經找出主要遺傳病的病變基因，甚至知道哪個堿基發生了病變，下一步就是切下壞基因，換上好基因。
但問題就在這裏，怎麽才能切換病變基因？總不能用剪刀剪下舊基因，再用線縫上新基因吧？這一直是困擾分子生物學家的難題。
直到本文開頭提到的那兩位女科學家發現了精準切割DNA的CRISPR-Cas9技術，這才使基因編輯成為可能，下麵就談談這個發現。
基因編輯：
人們早就注意到DNA裏隻有1%是基因，那麽剩下的99%DNA片斷是幹什麽的？有些DNA片斷提供輔助功能，但絕大部分DNA片斷的功能仍然不清楚。
1987年，日本微生物學家石野良純發現DNA中有一種重複出現的特殊片段，根據其結構取名為CRISPR(這是一長串英文名字的縮寫)，但不知道其功能。
2005年，一個生產酸奶酵母的公司苦於酵母生產過程中常出現病毒感染，就自己研發抗病毒的酵母菌。一個研究員注意到有些酵母對病毒有免疫力。進一步研究發現那些有免疫力的酵母有一個共同點，就是它們的CRISPR區段裏含有病毒的DNA片段。這些外來的病毒DNA對酵母的功能沒有影響，反而提高了酵母對病毒的免疫力。
這個發現公布後，引起了前麵提到的那兩位女科學家的關注，在一次學術會議上兩人聊起這個話題，並決定聯手研究這一課題。
她們的研究得出了幾個重大發現：
首先，DNA不僅是基因載體，還是一個數據庫，儲存大量外來信息。DNA中的CRISPR就是儲存病毒信息的地方。
第二，一旦有外來DNA入侵，寄主的免疫係統就到數據庫裏去查詢比較，如果發現外來的DNA與CRISPR裏儲存的病毒DNA相同，就知道這是病毒入侵，立即殺死。原來CRISPR是病毒黑名單，記錄入侵的敵人，準備好了殺敵武器。
第三，這個殺死病毒的武器是一個與CRISPR伴生的酶，叫做Cas。酶是一種蛋白質，其功能就是分解物質。Cas酶有個特點，可以精準的切割DNA鏈條，所以又叫剪刀酶或核酸酶。
通過一係列研究，這兩個女科學家終於搞明白了酵母菌的免疫機理：被病毒功擊過的酵母菌記住了病毒的DNA，當病毒再次入侵時就會將其抓住，然後調動剪刀酶把病毒DNA剪斷。
這個發現讓她們產生了一個想法，可不可以用剪刀酶Cas去切割病變的癌症基因，從而達到治療癌症和遺傳病的目的？
但如何才能把病變基因的位置告訴Cas？
談這個問題要先說一下RNA，RNA和DNA的結構相似，但隻有一條鏈，RNA也可以攜帶基因。RNA和DNA的功能區別是：DNA儲存基因信息，RNA運輸基因信息。
RNA就是個傳遞信息的使者。當需要製造蛋白質時，細胞就將儲存在DNA內的相關基因轉錄成一份RNA，由RNA把製造蛋白質的信息送到蛋白質工廠照本生產。
同樣的，當酵母菌被病毒感染時，酵母菌就將儲存有病毒DNA的CRISPR轉錄成RNA，RNA再將信息轉交給CRISPR的專用殺手Cas，告訴Cas暗殺目標。
如果我們能夠設計一種RNA，讓這種RNA傳遞假信息，告訴Cas某個病變基因是入侵的病毒，Cas就會剪掉這段基因，這不就達到切割病變基因的目的了嗎！
這是一個好主意啊！現在已經可以在實驗室培植RNA，可以合成攜帶任何基因編碼的RNA，為什麽不試試呢？這兩位女科學家就開始做這方麵的實驗，按照CRISPR的結構設計RNA，並在RNA裏加入需要切割的病變基因序列，然後把RNA注射到體內。結果正如所料，這個體外合成的RNA找到了CRISPR的專用殺手Cas，Cas遵循RNA的指令，精準切斷目標基因，呼啦！大功告成！
壞的基因片段被剪掉了，接下來就是插入新的基因片段。幸運的是大多數情況下不需要這一步，DNA會自動修複。遺傳病一般都是來自於父母一方，所以隻需要剪掉DNA雙鏈的一條就行了。比如剪掉來自父方的病變基因，與之相對應的母方基因就會根據自身的結構複製一段補上。這樣一來，父體的病變基因就被母體的正常基因取代，神奇吧？
當然也有些情況需要人工修複斷裂的DNA，現在也有了修複方法，那是專業知識，這裏就不多述了。
以上就是這兩位女科學家的發明：體外合成RNA來指引Cas找到切割目標。
這項發明使人們有了精準切換基因的工具，前景無限。這樣下去人類可以根據自己的意願修改基因，身高、智力、膚色、長像、壽命都可以改，改了以後還可以傳給後代。不過這也有些恐怖，如果不加以控製，不知道會產生什麽後果，會不會搞出一個Frankenstein？
前一段時間有個中國教授用CRISPR-Cas9技術對兩名嬰兒進行基因改造，而使其獲得了艾滋病的天生抗性。此做法引起了學術界震撼和指責，那個教授還被判了三年刑。這也引起了人們對修改人類基因所帶來的安全和倫理問題的爭論。
這項發明還引出了其他應用，比如新冠RNA疫苗。傳統的滅活疫苗是把病毒殺死後注射人體，人體的免疫係統發現新冠病毒外表的冠狀蛋白後就會產生相應的抗體。而RNA疫苗不使用病毒本身，而是把病毒冠狀蛋白的基因轉錄到RNA，再把RNA注射入人體，讓RNA通知細胞的蛋白質工廠生產冠狀蛋白，製造假病毒。RNA疫苗的優點是可以預估病毒的變化來設計疫苗，而不用慢慢等待病毒變種的出現。而且修改RNA的設計可以在電腦上輕鬆完成，改變幾個編碼而已，幾分鍾的事。
順便說一句，美國在網上就可以訂購RNA，也可以免費下載各種基因編碼。要不要自己試一下基因編輯，把自己變成高白帥？國外就有瘋狂的年輕人這麽幹過，叫生物黑客(biohacking)。
