新套件让课堂上的 CRISPR 实验变得经济实惠且易于实现
基因编辑技术 CRISPR 是过去二十年生物学领域的重大突破之一。尽管学生们了解了剪切、粘贴和改变基因的能力，但他们很少有机会亲自使用这项技术来了解它。进入 CRISPRkit。斯坦福大学发明的这项产品包含在课堂上进行 CRISPR 实验所需的所有材料，每套约 2 美元（或整个教室的材料约 40 美元）。仅使用智能手机摄像头和CRISPRkit 网站即可分析结果。
虽然距离在全国范围内推广还有一段距离，但最近在《自然通讯》上发表的一篇论文引起了人们对 CRISPRkit 将现代生物学进步带入课堂的潜力的关注，该论文由工程学院和医学院生物工程副教授 Stanley Qi、Qi 实验室成员 Matthew Lau 和 Marvin Collins 等人撰写。
“我们的目标是让生物学普及化，”刘说。“需求就在那里——这可以作为一种模式，将这类机会带入课堂。”
尽早开始
这篇论文的共同第一作者马修·刘 (Matthew Lau) 在高中时参加了斯坦福大学的一个夏令营，之后就开始在齐实验室工作。2018 年，齐带他参加了纽约的一个生物技术会议，刘在那里看到了一张关于教育套件的海报，这套套件价格不菲。
这就是制作 DIY 套件的灵感来源——它可以吸引社区参与，并将科学带到学生手中。该团队专注于 CRISPR，因为它已经是 Qi 实验室研究的主要部分。
当初开始这个项目的时候，大二学生马文·柯林斯 (Marvin Collins) 还说道：“我们希望让这个项目尽可能地普及，这样来自不同社会经济背景的孩子都可以接触到生物工程和医学领域正在掀起波澜的激动人心的技术，而亲身实践的实验可以让他们体验到科学的真谛。”
该团队计划制作一个利用色素蛋白（在常规可见光下呈彩色的蛋白质）来形成色素的试剂盒。然后，实验将看看用户是否可以使用 CRISPR 关闭色素蛋白。团队成员很高兴尝试视觉方面，这可能会引起人们的兴趣，并有可能制作出可以混合颜色的试剂盒。
但在这一切成为现实之前，他们必须克服阻碍 CRISPR 进入课堂的障碍。CRISPR 通常需要使用专门的设备和需要特殊处理方法的生物危害性化学品，而且价格昂贵——单是移液器就需要 500 美元。齐说：“我们问自己，我们如何才能摆脱这些障碍，制造出如此便宜、如此安全的东西，让人们可以在厨房里做这个实验？”
尝试，尝试，再尝试
对于 Lau 和 Collins 来说，答案是进行大量实验。第一个计划是让该试剂盒使用 CRISPR 在试管中编辑色素：如果实验有效，颜色就会从红色变成透明。
Lau 说，第一个夏天有时令人沮丧。“大约有两周的时间我们无法让颜料熄灭，所以我们进行了很多故障排除。进行了很多优化。我做了大约 50 个单独的实验才让它发挥作用。” Collins 还参与了湿实验室实验，大部分时间都在幕后工作。
当 COVID-19 疫情爆发时，斯坦福大学建立了远程学习。刘飞回香港，但能够继续远程计算工作；他开发了 CRISPectra，这个网站允许试剂盒的用户上传他们的结果照片并接收定量数据。然而，对于柯林斯来说，回到他们在阿拉巴马州的家意味着他们不再能使用实验室设备。
“由于无法使用实验室，并且住在阿拉巴马州，所以我在设计套件时遇到了同样的问题，”柯林斯说。“因此，我利用这个机会充分利用了低技术环境。”柯林斯能够通过邮件获得材料，这让他们能够继续进行实验，并有助于发现潜在的问题和解决方法。
适用于高中教育的 CRISPRkit 概念和设计。图片来源：Nature Communications (2024)。DOI：10.1038/s41467-024-50767-2
与老师一起测试
2021 年，团队返回校园后，便准备在课堂上试用该试剂盒。通过与洛斯阿尔托斯高中和门洛高中的师生合作，他们继续优化试剂盒。例如，在一次测试失败后，他们将移液器换成了接种环（一种带有小环用于取样的仪器）。
齐、刘和柯林斯都回忆起在课堂上看到学生们真正使用他们的项目并对研究充满热情和好奇时是多么兴奋。
“我很紧张，不知道‘这东西在学生手中真的有用吗？’”齐说。“在 17 个小组中，有 15 个小组成功了，这让我很高兴。一名高中生甚至做了压力测试，多次重复实验以查看结果的一致性。那名学生帮助我们的奉献精神让我非常感动。”
“我们的研究对孩子们产生了直接影响，你可以看到他们很享受并且很投入，”柯林斯说。“这让我想起，如果没有热情分享知识并激励我的老师和导师，我自己也不会成为一名科学家——现在，我能够站在另一边，这很酷。”
受到这种兴奋的鼓舞，团队加倍努力让试剂盒真正普及——这意味着要考虑成本。齐说，这仍然是一个挑战，因为实验的一些关键试剂占试剂盒成本的约 80%。
令人高兴的是，齐先生能够与斯坦福大学生物工程学教授迈克尔·朱厄特 (Michael Jewett) 合作，他的实验室使用其中一种关键试剂。朱厄特的实验室通过细菌生产自己的试剂，因此柯林斯和朱厄特实验室成员布伦达·王 (Brenda Wang) 能够在内部生产并降低成本。当团队集思广益地考虑该试剂盒的其他潜在用途和变体时，他们始终牢记价格实惠。
CRISPRkit 的未来
尽管柯林斯已经从斯坦福大学毕业，但他们仍继续参与该项目。他们目前正在申请博士学位，并打算专注于无障碍研究，作为一名历史上代表性不足的黑人非二元科学家，这从一开始就对他们很重要。
柯林斯表示：“从可及性的角度来看，生物工程确实令人兴奋，如果我们正确地实施它并为其带来不同的视角，它就有可能解决世界各地不同社区所面临的重要问题。”
齐教授从研究物理学转向合成生物学，因为他看到了这一领域对人们生活的巨大积极影响。“这些技术通常停留在专家阅读的论文中。即使是基因编辑这样的技术，公众也可能需要五年以上才能了解它，而学生则需要十年才能了解它，”齐教授说。
“作为研究人员，我们可以把头埋在沙子里，但外联非常重要。这是对未来科学家、政策制定者和领导者的培训过程。”
齐教授还强调了让像刘教授和柯林斯这样的本科生研究人员参与进来的重要性。“对于这样的项目，研究生可能会认为发表一篇顶级论文很困难，所以他们可能不愿意投入时间。但本科生就像特立独行的人一样——他们敢于尝试新事物，并愿意因为自己的热情而付出努力。我们的目标是让全国各地的学生都能使用 CRISPRkit。”
刘教授即将进入斯坦福大学本科的最后一年。他和齐教授曾在会议和研讨会上发表演讲，表明此类项目，尤其是在生物学领域，有着巨大的需求。
尽管刘已经高中毕业好几年了，但他仍然特别意识到这对学生的重要性。“作为一名高中生，课本上学到的知识与实验中的理论工作之间存在巨大差距。但一旦你进入实验室并亲自做某事，情况就完全不同了，”他说。
“我们拥有的这个套件完美地体现了 CRISPR 在课堂上的能力。这只是第一步，”刘说。他打算继续努力使生物学民主化，并希望其他科学家也能为他们的研究寻求可及的推广。
“这个套件为我们提供了一个重要的机会，让我们能够以学生能够操作和理解的方式教授生物学知识——我希望这可以成为未来可能发生的事情的一个典范。”
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