Jennifer Doudna因共同发现多功能基因组编辑平台 CRISPR/Cas9 而获得2020 年诺贝尔化学奖。自发现以来的十年里，CRISPR 技术的工具箱已经爆炸式增长，就像为好奇心驱动的科学提供火箭燃料。它也越来越成为许多生物技术公司的基础技术。
在这次谈话中，Doudna 与 a16z 的普通合伙人Vijay Pande聊天。此前，他是斯坦福大学的教授，负责生物物理学系。在此期间，他还创立了Folding@Home项目和 Globavir Biosciences。
潘德和杜德纳努力解决科学家在这个转折点面临的问题。您如何识别将为工程生物学带来更多机会的发现？随着 CRISPR 工具的成熟，将会发生什么？生物工程的未来是什么样的，科学家们有什么责任确保这些工具被负责任地使用？
在此过程中，Doudna 谈到了她正在努力解决的问题、令她惊讶的事情以及可能永远无法设计的事情。
注意：本次采访最初是作为Bio Eats World的一集发布的。为清晰起见，对成绩单进行了轻微编辑。你可以在这里收听完整的剧集。
VIJAY PANDE：对于我们设计生物学的能力，以及利用我们所学并创造新疗法、新事物和合成生物学的能力，我们感到非常兴奋。产品和公司方面真的是开花结果。同时，如果我们没有那些基础研究，我们可能不会有现在的情况。鉴于你所看到的弧线，你站在哪里，我们应该如何考虑这种平衡？
JENNIFER DOUDNA： 很高兴来到这里。
我认为你提出了一个很好的观点。也就是说，我们如何在基础科学与工程或重点应用科学之间取得适当的平衡？你知道，我一直在做你所谓的好奇心驱动的科学。越来越多地，我发现自己面临着我们正在努力解决的问题或挑战，这些问题或挑战就在边缘。您会问自己，我们是否足够了解这现在是一个工程问题，或者是否仍然需要进行非常重要的基础工作，这些工作可能非常有利，但可能不会持续几年？
他只是对我们做科学的方式感到震惊。他的话是手工的。
维杰：是的。你知道，这是一个棘手的问题。我认为其中一部分也只是时间尺度。当我想到基础研究时，我想到了 CRISPR 的发现和发明，几乎类似于晶体管的发现和发明，实际上只是现在——50 年后——你可以将 100 亿、500 亿个晶体管封装在一个芯片，你可以做这些令人兴奋的事情。所以你不能指望得到立竿见影的回报，即使是10年的基本工作回报。
另一方面，正是这些重大发现，比如 CRISPR，比如晶体管，才真正能够带来这些巨大的转变。所以自然要平衡。生物学的大部分内容都是发现。有很多东西要学，有很多东西要发现，比方说，在物理学中，你可以在理论上做更多的事情并推动它，甚至与你可以在原则上磨砺出更多东西的工程学相比。
生物的产业化会是什么样子？
VIJAY：我真的很好奇我们如何将发现过程从艺术转变为工业化过程。我们可以将发现工业化吗？我们现在在哪里，你认为我们可以去哪里？
詹妮弗：是的，这是一个很好的问题。这让我想起了曾经有一位来自谷歌的访客来到伯克利的实验室。他想参观一个正在工作的实验生物学实验室。他只是对我们做科学的方式感到震惊。他的话是手工的。他说：“这在我看来是手工制作的。”他说，“我认为你们可以做很多事情来自动化你的工作以及这个和那个。”
但最终，将我们正在做的工作自动化或工业化并不是那么容易，真的。现在，当然，在某些方面，这只是通过计算的力量发生的，拥有更多的程序员和认为计算参与生物学的人是一个巨大的优势。这确实产生了非常积极的影响。但是生物学有一些东西是随机的，你还不能真正预测。
现在，时不时地发生一些事情，让我想，“嗯，也许我们正处于真正变革的风口浪尖。”例如，最近宣布的关于能够准确计算预测蛋白质折叠的工作。这看起来真的是一个非常有趣的进步，可以彻底改变这个领域，对吧？所以你可以想象这种事情也可以扩展到其他方向。也许最终将功能分配给基因会变得容易得多，因为我们将拥有足够的预测信息，如果你将所有这些信息输入正确的算法，你会得到非常有限的可能性，这会让你的实验工作很多更容易或更强大。
VIJAY：这里的一件事是自动化的方面是非常核心的。你会变成像 Tecan 这样的大机器人或类似的东西。它相当昂贵。这仅适用于特定类型的高通量工作流程。而很多生物学是 N 等于五个或可能很多重复。但不是 5,000 或 500 万。
我很好奇，就像我们在过去 20 年、25 年中在套件中看到的创新一样，套件是否既可以作为试剂，又可以作为驱动小型桌面机器人（如 Opentrons）的软件。那个桌面机器人可能相当于这里的个人电脑，因为它可以快速灵活地做事，而且因为它包含在套件中，带有试剂和驱动它的软件，然后人们将建立在套件上，工具包上的工具包，等等。你终于得到了一些有用的东西。
因为我认为也许你的意思是，如果你有一个大机器人，如果你必须做小端，那也不会更快，对吧？这可能比手动移液更费力。你认为这是朝着正确的方向越来越近吗？
我想，我怎么能真正捍卫这与人类健康有关的事情呢？
JENNIFER：我正在努力思考真正的瓶颈在我自己的研究领域中的哪些地方。这真的是两个和一个机器人无法解决的问题，至少在我们得到能够独立思考的机器人之前，可能是因为这真的是在直觉的层面上。那里有很多很多想法，但只有其中一些是好的。所以，你如何弄清楚你将花时间去追求什么。所以，还是有这个问题。
但是一旦你有了一个好主意，然后只是通过实验，我认为这就是在实验室中拥有灵活、小型且不是超级昂贵的机器人真正能够实现的地方。我不得不说，你知道，我们与许多 [机器人] 合作过……是的，正如你所说，它通常是一个大盒子，旨在完成一种任务。至少根据我的经验，他们通常非常挑剔。
所以，你必须花费相当多的时间来完成你想要做的任何事情，甚至可能培训一个人或雇用一个负责运行该机器人的人。然后你可能会运行它几个月，然后决定，“哦，现在我想改变我的实验，做一些不同的事情，但现在机器人不适合那个，”对吗？我认为如果有一种方法可以让小型机器人很容易适应不同的任务，并且可以非常准确地完成它们……我想可能是你有个别小型、不太昂贵的机器人擅长某种类型任务，并且您有一个不同的机器人来进行不同类型的测试，这可能会起作用。我认为这可能真的很有帮助。
VIJAY：嗯，我认为这就是工业化[适用]的地方。如果你正在建造一家鞋厂，你就会制造鞋子。你可能会做出稍微不同的鞋子，但你不会制作泰迪熊或类似的东西。然而，你必须非常灵活，下周，或者第二天，或者类似的事情，你可能会做一个完全不同的实验。我认为我们需要的正是这种普遍性。但是，你知道，也许最令人兴奋的一点是这种转变。我看到很多人正在从进行基本的好奇心驱动研究转向应用研究。
JENNIFER：从很多方面来说，这确实突出了我多年来在自己的实验室所做的很多事情，从我开始研究核糖体结构的教师生涯开始。你知道，这真的把我们最终带入了 RNA 干扰和病毒中的 RNA 分子的领域，这些病毒是控制感染细胞翻译的机器的一部分。然后从那里到 CRISPR。
在我的实验室中，这些项目始终是从以下角度构建的：这是如何工作的？你知道，从分子的角度来看，这是如何工作的，无论是底层分子的实际结构还是它们的酶促或生化行为？这也是我们处理 CRISPR 的方式。对我们来说，一开始这看起来就像是细菌中的一种适应性免疫系统，它以某种方式受到 RNA 的指导。那么这是如何工作的呢？这是一个从这个非常基本的问题开始的项目。
关于从生物学到工具的飞跃
VIJAY：在研究细菌的适应性免疫系统与改造基因组的能力之间，与为以前无法成药的事物开发新的治疗方法之间似乎存在很大差距。你是如何开始看到这种点点滴滴的联系的？
JENNIFER：坦率地说，当我们在十几年前开始这项工作时，我当然没想到会这样。事实上，一开始我对从事这项工作有点沉默，因为我得到了 NIH 和霍华德休斯医学研究所的资助。我想，我怎么能真正捍卫这与人类健康有关的事情呢？而现在，众所周知，它与人类健康息息相关。它始于这些非常基本的问题，即这种免疫系统如何工作？然后是关于一种特定蛋白质 Cas9 的一个非常具体的问题，它显然被认为是某些细菌 CRISPR 免疫系统的核心参与者。
然后从这些生化数据中可以明显看出，这种酶作为 RNA 引导的 DNA 切割器，可以被引导切割所需的 DNA 序列。这一概念与基因组编辑中正在进行的所有其他工作很好地融合在一起，因为人们正在寻找一种方法来切割细胞中的 DNA，从而产生双链断裂，从而诱导细胞通过引入顺序的变化。所以，这里我们有这个可编程的切肉刀，所以你可以告诉它去哪里进行切割。这与使用早期技术进行的基因组工程的所有工作完美融合。只是这是一种更简单的方法。
为工程而生
VIJAY：自然选择带来的有趣的事情之一是，[CRISPR 系统] 似乎被进化为可进化的。我想到了伴侣和帮助蛋白质做事的东西。引入工程思维或方法的标志之一是您可以进行迭代改进。情况会逐年好转。通常，这种改进几乎就像复利一样复利，您可以感觉到从“现在是好奇的时候”到“现在是工程师的时候”的转变。
JENNIFER：嗯，从工程的角度来看，CRISPR 令人兴奋的一件事是，它被证明是一个非常易于修改的系统。我认为你提出了一个非常好的观点，即大自然无论如何都会以这种方式设置事物。我们在天然的 CRISPR 生物学中看到了这一点，因为这些酶的大量集合在不同的细菌中进化，它们看起来非常不同，并且具有一系列活动。所以，很明显，大自然正在为它们的原生环境调整和微调这些蛋白质。在我的脑海中，我对整个工具箱的愿景是围绕这种 RNA 引导机制构建的，它添加了各种有趣的不同化学活动，允许这些类型的操作和基因组。
它们看起来都非常有趣。因此，我们很难弄清楚我们想把精力集中在哪里，以及是否值得研究下一个 CRISPR 系统，而不是把我们的网络撒向不同的方向。
2013 年，来自不同研究小组的一连串出版物表明你可以使用 Cas9 非人类细胞，你可以用它来改造斑马鱼。使用 CRISPR/Cas9 系统提出了许多非常有趣的原理发现证明，清楚地表明这将成为进行各种科学的变革性工具。不仅是基础研究——通过能够探测基因功能、以靶向方式和细胞进行基因敲除而实现的各种研究——而且坦率地说，还可以以非常实用的方式使用它。即，例如，在可以修复镰状细胞突变的基因中进行校正突变，诸如此类。
我的心态已经在思考，我们如何使用这些？它们显然是有趣的酶。它们显然在研究领域具有实用性。这只是从我们最初的想法中无限扩展。那就是：我们是否可以使用这些来进行诊断或使用它们来检测不同种类的病毒 RNA，本质上是利用它们在自然界中的作用，但在体外环境中作为研究工具进行呢？但我认为那里还有很多跑道。
维杰：是的，绝对的。
认识下一个可工程系统
VIJAY：我很好奇你对生物学中下一个可以设计的东西有什么感觉。有什么让你兴奋的事情吗？或者，您是否会为人们提供一些提示，让他们甚至可以识别它？
詹妮弗：嗯，这很难。这是其中之一，你要么在灯柱下寻找看起来像你已经知道的东西，要么你正在做基础工作，无论什么主题，但你要注意，你知道，“如果我碰巧遇到了一些看起来很有用或可以设计的东西，我会把它放在一边。
因此，伯克利的Jillian Banfield长期以来一直在研究细菌宏基因组。这基本上意味着能够从微生物中获取 DNA 序列并将它们缝合在一起，因此我们知道它们的整个基因组是什么样子。然后，您通过进行各种分析来学习基础生物学。实际上，她是最早通过这种方式接触到 CRISPR 序列的人之一。
正如你可以想象的那样，她在她的工作中遇到了各种非常有趣的观察结果。我们面临的挑战之一是她经常来找我说，“嘿，我有这个非常酷的观察结果，你知道，你怎么看？”它们看起来都非常有趣。因此，我们很难弄清楚我们想把精力集中在哪里，以及是否值得研究下一个 CRISPR 系统，而不是把我们的网络撒向不同的方向。在某种程度上，我们试图两者都做，但我对此感到很挣扎。要弄清楚下一个重大洞察力或技术将从何而来并不容易。
有时当这种情况发生时，人们也会得到隧道视力，对吧？每个人都开始朝着一个方向努力。然而，那里可能有一些非常有趣的东西，人群并不关注，但实际上非常非常重要。
维杰：是的。好吧，我很想测试一个关于你的假设，看看你的想法。您应该随意将其完全击落，它只会让我心碎，仅此而已。关于生物学的真正有趣的标志之一是模块化。你知道，从氨基酸到蛋白质，再到复合物，从大的东西到细胞、细胞器、组织和器官等等，在许多尺度上都有一种模块化。而且，你可以弄乱氨基酸或弄乱蛋白质，或者你可以做不同规模的事情。这样，并不是所有的东西都必须一个个原子地重新设计。您可以重新设计零件等，因此模块化是其中的一部分。然后你可以开始使用这些构建块并以有趣的方式将它们组合在一起，我们显然已经以许多不同的方式看到了这一点。那么，自然选择的各个方面是否真的推动了这里的工程能力，或者你能想到他们反对的时候吗？因为它不一定是这样的。
詹妮弗：对。不，不一定是这样。当你问这个问题时，我在回想我们与核糖体的共同历史。因为，你知道，早在 1980 年代，当人们发现这些催化 RNA 时，就能够设计出自然界中没有的东西，这让人们非常兴奋。我现在想，如果你回头看，对核糖体进行大量工程以使它们做的事情与你在自然界中发现的不同并不是那么容易。然后如果你自然地看，我们也会发现没有大量不同类型的核糖体。
VIJAY：与酶相比，酶具有很大的多样性。
詹妮弗：没错。所以，我认为这是你的假设成立的一个例子。然后，对于 CRISPR，它在某种程度上是相反的，因为我们在自然界中看到了大量非常多样化的 CRISPR/Cas 蛋白形式。它们具有相同的机制，但它们的工作方式略有不同。所以我认为这是一致的，至少与我们在实验室中发现的想法是一致的，大自然也发现这是一个非常柔韧的平台，用于在细胞中操纵 DNA，或者在某些情况下是 RNA。
维杰：是的。我一直在寻找我们感觉自己已经完成转变的那一刻。那一刻对于引入合作者或考虑投入研究资金来进行风险投资非常重要。你怎么知道我们找到了那个时刻？几乎听起来你必须尝试一些事情。
我的意思是，地球上最重要的催化机制之一，核糖体，是一种核酶。所以，你可能对它寄予厚望。但不一定是这样。只要你会读、写、编辑、修改，你就可以开始制作变体并开始尝试做这些事情。当事情发生时，有些事情会被设计出来。我想你会看到它是否抓住了。我们在科学和初创公司中看到了这一点，只有人们开始涌入并意识到这里确实有一些东西。
詹妮弗：是的。好吧，我会告诉你一点。当我们在 2000 年代中后期开始研究 CRISPR 蛋白质时，我们开始意识到这些可能是非常有用的用于研究目的的酶。所以，我与风险投资家的第一个电话是在电话中我向他描述了我们拥有的这些 CRISPR/Cas 蛋白质的数据，这些蛋白质可以以非常精确的方式结合和切割 RNA，以及你如何能够使用这种活动是检测特定 RNA 序列的一种方式。你知道，我们在电话上花了一个小时讨论“什么是杀手级应用？”并没有真正凝固。有一些想法，但它并没有真正凝胶化，你将如何修改这样的蛋白质以使其更有用？这不是很清楚。所以，我从那个电话中走出来想，“好吧，好吧，这可能还没有到有机会向很多方向扩展的地步。”
这和 Cas9 有很大不同，对吧？因为你马上就知道了，你不需要问任何人。就像，是的，这显然将是非常有用的东西。那么问题是，你能在多大程度上设计它来做不同的事情？而且，就像你说的那样，随着人们开始进入一个领域，他们开始在自己的项目中获得牵引力，你会看到指数级的增长。当你看到科学中发生这种情况时，这真的很令人兴奋。在过去的几年里，我们在成像技术领域以及癌症免疫疗法领域也看到了它，那里有很多机会和很多人投入其中。我很好奇你是如何看待这个问题的，同样，戴着你的 VC 帽子。
像 CRISPR 这样的技术，通常来自左派领域，因为它们来自基本的好奇心驱动的科学。
但有时当这种情况发生时，人们也会得到隧道视野，对吧？每个人都开始朝着一个方向努力。然而，那里可能有一些非常有趣的东西，人群并不关注，但实际上非常非常重要。那么，当您在某个领域看到这种指数级的狂热时，您如何看待这一点，但您却有一种感觉，也许我们错过了一些东西？
VIJAY：这是一个非常难的问题。像任何事情一样，你用投资组合来处理它，对吧？无论是在你的实验室里做不同事情的研究生和博士后的投资组合，还是美元的投资组合，或者公司的投资组合，想法的投资组合。我认为一些最令人兴奋的事情是逆向的事情。但是，话虽如此，这一切都取决于数据是否证实以及是否真的存在某些东西。我最强大的导师一直强加给我的一件事是，作为 PI 或投资者，我们必须有一定的品味，对吧？有一些猜测的感觉，对兴趣在哪里，甚至我们的好奇心在哪里有一些直觉，对吧？
詹妮弗：我完全同意。对一个非常真实的项目的直觉是无法量化的。
选择你的方向
VIJAY ：你知道，你现在是许多初创公司的创始人或联合创始人。你学到了什么样的教训，或者你会给那些想追随你的人提供什么建议？尤其是考虑到我们可以做的所有事情，我们甚至在几年前都做不到。这对您对公司建设的看法有何影响？
JENNIFER：所以，Vijay，实际上我现在正在努力解决这个问题，因为有很多机会建立在 CRISPR 生物学和技术的一些工作之上，这些工作可能已经为公司做好了准备。就像，CRISPR 的挑战之一是整个交付问题。您如何将 CRISPR 分子递送到细胞中，无论是在植物中，还是在人体中？这是个问题，对吧？这是一个尚未真正以全面方式解决的问题。那么，这是一个工程问题吗？是的。但它是否也需要一些基本的发现？我想答案可能是肯定的。所以，你有点需要。
那么，这是在公司中做得更好还是在学术实验室中做得更好？同样，答案可能是两者兼而有之。然后，它试图弄清楚你如何解析这样的挑战并建立一个公司团队，比如说，围绕它和合适的人。理想情况下，对于这样的事情，你会和正确的投资者一起做，他们承认，“是的，这不是一个短期问题。过一段时间就会解决的。”希望您在其中建立了一些短期目标，以便从公司的角度来看，您可以获得牵引力。但是你必须有一个愿意真正投入研发工作以取得突破的团队。
负责任地前进
VIJAY：所以，想想这个世界，也许是 10 年、20 年后。你会想到工程化的 CRISPR，以许多不同的方式工程化生物学的其余部分。我们可以谈论医疗保健，我们可以谈论能源和气候变化，我们可以谈论以可持续、健康的方式养活地球上的 100 亿人。当我想到世界面临的许多挑战时，它们在某种程度上本质上是生物学的，或者可以通过我们正在做的各种工程生物学技术来解决。
我很好奇你如何看待我们可以做的事情的原则，因为另一面也可能很可怕，对吧？人们可以用这种强大的力量做的事情——他们可能想做与我们描述的相反的事情。我很好奇你对我们应该如何处理这种新权力的指导原则有何看法。
詹妮弗：酷。哇。维杰，你最后给了我一个艰难的决定。好吧，我确实认为解决方案的一部分来自积极参与。我大力支持科学家，尤其是学术科学家与学术象牙塔之外的人的透明度和参与度。我认为这非常重要。老实说，在过去的几年里，我用 CRISPR 思考了那里的所有挑战，这当然对我很有帮助。就像你说的，它有很多科学机会，那么哪些是最重要的呢？这是一个问题。但也只是确保技术以高效而不是破坏性的方式发展，对吧？所以，就我自己而言，我认为这真的是要尽可能广泛地参与，但也要寻找建立协同效应的方法。
让我们以气候变化为例。这可能是我们现在全人类面临的巨大生存威胁。用生物解决方案解决这个问题是否合适？绝对地。所以，那么问题是如何做到这一点。回到 CRISPR 的例子，我正在考虑的方式是与专注于土壤微生物组的同事合作。从土壤和农业的角度来看，您可以通过哪些方式操纵土壤微生物以增强碳捕获，同时提高粮食产量并应对气候变化问题？所以，这是一个领域。现在，这是我的工作吗？这是不对的？但我希望让其他人能够做到这一点，召集小组，让人们意识到这项技术有哪些机会可以应用于他们正在解决的问题。
维杰：是的。你知道，当我想到这个问题时，我认为我的北极星正在尝试做我们认为可以与现有生物学保持一致的事情。所以，你想想化石燃料，你把所有这些东西从地下抽出来，然后你就有了所有这些残留的废物，也许我们已经转向塑料，它变成了不同类型的废物。
但是生物学的关键原则之一是循环性质的事物，其中主要输入是来自太阳的能量，但其余部分继续进行，因为总会有未知的未知数。但如果我们能坚持这种一致，我们就有机会。让我对 CRISPR 或其他生物工程技术真正感到兴奋的是，它感觉就像是与自然保持一致的最大希望，因为我们正在以一种希望更自然的方式来做这件事。
詹妮弗：不，这很有趣。它回到了这个问题，工程生物是自然的还是不自然的？我的意思是，你是对的。如果你正在使用工程学来获得如果它们有足够的时间进化就会存在的有机体，那么只是你不想等待一百万年，对吧？
维杰：完全正确。你只是有点像冰壶一样射击它，以保持它以正确的方式进行，但没有什么极端的。
所以就在最后一分钟左右，CRISPR 是一种在公众中广为人知的技术的例子。我认为人们听到了很多不同的事情。我很好奇您是否希望公众更好地了解您所做的科学？
JENNIFER：嗯，我想它在某种程度上回到了我们开始的地方。我认为重要的是要了解像 CRISPR 这样的技术往往来自左领域，因为它们来自基本的好奇心驱动的科学。因此，支持这种工作真的很重要，与正在接受这些发现并应用它们的人一起。这样的东西不只是被创造出来的，对吧？它必须通过更随机的基础科学过程来揭示。
识别下一代 CRISPR 级生物学技术的帖子首先出现在Future上。
原文： https://future.com/doudna-next-crispr-technology-to-engineer-biology/