《破解基因碼的人》，刻劃CRISPR-Cas9基因編輯
這是一本以2020年諾貝爾化學獎得主 – 珍妮佛‧道納(Jennifer Doudna) – 作為主軸的探索故事。
他曾擔任亞斯本研究院(Aspen Institute)執行長、CNN主席兼執行長和《時代雜誌》的編輯，著名的作品包括：《賈伯斯傳》、《達文西傳》及《馬斯克傳》等暢銷傳記，尚有《創新者們: 掀起數位革命的天才、怪傑和駭客》。
★註1: 亞斯本研究院是設立在華盛頓的非營利組織，旨在提高領導力，以宣揚領導與良好公共政策作為宗旨；鼓勵企業的領導者們透過互相交流與合作，做出跨領域的創新來產生互利。Netflix創辦人里德‧海斯汀(Reed Hastings)也曾參加過該組織的活動。
為什麼我會翻開這本書？
去年閱讀辛達塔‧穆克吉(Siddhartha Mukherjee)的《基因: 人類最親密的歷史》(The Gene: An Intimate History)，書中後半段有簡單提及珍妮佛‧道納與埃瑪紐埃爾‧夏彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)的故事，她們倆於2012年透過細菌的自我防衛系統，讓基因的突變並非隨機出現，重點是這個基因的剪切或修剪是可以進一步被人為操控的 – 也就是「基因編輯」(Gene Editing)。
雖然作者不是同一人，但在我心中，《破解基因碼的人》(The Code Breaker: Jennifer Doudna, Gene Editing and the Future of the Human Race)可以視為《基因: 人類最親密的歷史》這本的續集。
本書的主旨
作者艾薩克森說，『享受釐清一件事的喜悦』，秉持著好奇心向前探索，正是本書的目的。
他說當「我們」瞭解某件事情的來龍去脈，這過程中在心裏總會湧現一股喜悅，尤其當我們要瞭解的對象是「自己」時，此時喜悅更甚！他說道納非常享受這樣的喜悅，而我們讀者也能透過閱讀這本書同樣地樂在其中。
更重要的是，艾薩克森想要傳達基礎科學的重要性 – 我們應該跟著好奇心向前探索，而非為了實用價值去追尋某些特定目的；因為好奇心的驅使，有時候會以令人意想不到的方式，不經意地為後續的「創新」開啟門窗。
什麼是CRISPR？
CRISPR這個縮寫的意思是，「常間迴文重複序列叢集」(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR)，是由西班牙學者法蘭西斯可‧莫伊卡(Francisco Mojica)於2001年刻意發想出的措辭，讓CRISPR的讀音乾脆又清楚。
源於1986年的日本博士生石野良純，在大腸桿菌(Escherichia coli)的基因定序論文中，他們發現了一個特別規律的結構，某些序列以重複的型態排列，他們稱這些片段為「間隔」(Spacer)；而1990年就開始研究古菌的莫伊卡也發現了規律的間隔重複排列，之後在2001年他突發奇想刻意創造出「CRISPR」這個縮寫。莫伊卡持續著迷於那些「間隔」，在2003年某天他把大腸桿菌的間隔序列輸入到資料庫中計算分析，赫然發現這些間隔的片段與那些攻擊大腸桿菌的病毒序列吻合相符。是的，他意外發現了細菌有免疫系統的機制！
CRISPR是細菌的一種免疫系統，能記憶一段病毒的DNA碎片，當病毒再次入侵時就能鎖定它們，剪碎病毒的DNA；CRISPR就是細菌與病毒於自然界中幾十億年間的緊張軍備競賽下，所演化出來的產物。
★註2: 那些攻擊細菌或古菌的病毒被稱為噬菌體(bacteriophage)
★註3: CRISPR關聯酵素(CRISPR-associated protein)，則簡稱Cas酵素，其中較有名的是Cas9
珍妮佛‧道納
道納的父親是個書迷，總會從圖書館或二手書店帶本書回家給女兒看。在道納六年級的某天放學回家，她看到詹姆斯‧華生(James Watson)的《雙螺旋》(The Double Helix) – 發現DNA雙螺旋結構的故事，就是這本書啟發道納，讓她第一次真正思考這件事 – 女人可以成為科學家。
1986年道納跟隨傑克‧索斯達克(Jack Szostak)將研究重心轉換至RNA的領域，他們認為RNA的重要性勝過DNA，甚至可能是瞭解生命起源的關鍵；1995年底，道納與凱特(她的研究夥伴, 也是她丈夫)確定了RNA的分子結構，一如華生解開DNA雙螺旋結構那般，這份研究解釋了1980s年代的發現，說明RNA如何既能從扮演酵素的角色，又可自我裁切、剪接與複製；2006年，道納團隊證明病毒內切丁酶(dicer)的特定區域可以被取代，此研究結果則隱含科學家可以透過RNA干擾(RNA interference)去關閉各種基因。
至此，道納已是一位極出色的RNA結構生物學家。而也就在2006年稍晚，道納在加州柏克萊大學的同事吉莉安·班菲爾德(Jillian Banfield, 一位微生物學家)向她介紹了CRISPR，引她進入CRISPR的領域。道納團隊起初專注於研究被稱為Cas1的關聯酵素。
埃瑪紐埃爾‧夏彭蒂耶
夏彭蒂耶是一位遊走在世界各地的法國生物學家，2009年她也在研究CRISPR，不過焦點則擺在Cas9這個當時被認定為最有趣的關聯酵素。
當她還是學生在做研究時，她就視自己是一位科學家，她說：「我想要創造知識，而不只是學習知識。」她喜歡四處飄蕩的心與靈，研究生涯待過10個研究單位、出沒在5個國家中的7座城市，也反映出她抗拒束縛的事實，但也顯示出她習於尋找並適應不斷變化的環境，她確保了自己永遠不會陷入停滯。
2010年，夏彭蒂耶破解了tracrRNA(trans-activating CRISPR RNA, 反式激活CRISPR RNA)的兩個主要角色。首先，它促成crRNA(CRISPR RNA)的製造，那些曾入侵細菌的病毒遺傳密碼就是儲存於crRNA；第二，tracrRNA要成為一支鎖住入侵病毒的把手，以利crRNA瞄準正確部位，引導Cas9執行剪刀的工作。
夏彭蒂耶團隊拆解了CRISPR-Cas9系統，它僅動用了tracrRNA、crRNA及Cas9關聯酵素這三個元素，就完成了細菌對病毒的抵禦任務。此研究結果於2011年3月的《自然》(Nature)刊登，而過去科學界並沒想過CRISPR系統可能有兩種RNA分子共同參與。
2012年CRISPR-Cas9讓基因編輯刻劃出一個新時代
2011年春天，在波多黎各的一場微生物演講，道納認識了夏彭蒂耶。當兩人話題轉到Cas9時，夏彭蒂耶變得非常興奮。「我們必須確實找出它的運作機制，」她催促道納，「它到底是用什麼樣的機制切割 DNA？」當時科學界已知Cas9對於CRISPR的運作相當重要，但其真正的角色仍不明。而道納的嚴謹以及對細節的關注，也很吸引夏彭蒂耶。就這樣，在柏克萊的道納團隊與當時位在瑞典于默奧大學研究的夏彭蒂耶展開共事。這形成一個24小時運作的跨國團隊，美國實驗室做到白天一結束，立刻發電子郵件到歐洲，兩個團隊透過Skype電話聯絡，進一步決定後續的實驗步驟，歐洲這端完成實驗進度後，又再把最新結果發電郵至美國。
2011年秋天，tracrRNA重新回到故事主軸。道納團隊持續在進行試驗，想要判斷出兼任嚮導與tracrRNA以便夾住目標DNA的crRNA最小值，究竟crRNA與tracrRNA的哪個部分是裁切DNA的絕對必要部分？道納身為RNA的專家，在揭開RNA運作方式的過程中，有一種近似孩童般的喜悅。道納與團隊成員展開腦力激盪，他們的目標是要以工程手法做出一條單一的RNA分子，一邊擁有嚮導資訊，另一邊作為連接的把手，最後他們成功地人造出一種稱為「單一嚮導RNA」(single-guide RNA, sgRNA)的分子。此單一嚮導的分子立刻展現出自己的實力，證實它可以讓CRISPR-Cas9成為一個具備更多功能、更方便以及重新設定的基因編輯工具。這個由好奇心驅使的研究轉變為人類發明的一項工具！這份研究投稿至2012年的《科學》(Science)，短短20天隨即刊登，震撼科學界。
道納與夏彭蒂耶的合作有兩個重要進展：
- tracrRNA不但在創造crRNA引導工作上扮演了重要的角色。更重要的是，它把單一嚮導RNA與Cas9酵素結合在一起，並將這個結合物綁定到目標DNA上，讓裁切工作能順利進行。
- 將兩條RNA以融合的方式來結合，創造出單一嚮導RNA。
結語
CRISPR並不是第一個出現的基因編輯技術，所以它的價值在哪裡？在此之前，鋅指核酸酶(Zinc-finger nucleases, ZFNs)與類轉錄活化因子核酸酶(Transcription activator-like effector nucleases, TALENs)都可被用為基因組原位編輯，但此兩者在裁切一個不同的基因序列時，即使序列只有一點點的差異，都必須重新「建造一個新的蛋白質引導者」，將耗時2~3個月重新設計、組裝全新的酵素，技術較困難且又耗費時間。
反觀2012年出現的CRISPR，從頭到尾只需一把萬能酵素剪刀 – Cas9，加上一條單一嚮導RNA，就能切割所有的DNA。當目標基因不同，只要向提供RNA分子的公司重新訂購一條就好，不需要重新設計複雜的酵素，在成本端、難易度及效果方面都完勝先前的ZFNs與TALENs。CRISPR技術的普及讓更多實驗室與研究機構都能使用它，如今甚至在一般的大學實驗室就能進行。
我認為最精彩的莫過於書籍的前半部，講述道納的成長歷程、夏彭蒂耶的個性、CRISPR如何被發現，以及基因編輯的競賽與專利權訴訟，包括道納與張鋒(Feng Zhang)、喬治(George Church)等人馬的競合，艾薩克森對各路科學家都有相當細緻的刻寫與精彩的情節描述；而本書後半部則提及CRISPR的應用(甚至生物駭客-biohacker)、探討基因編輯的道德議題、講述2018年中國CRISPR寶寶，以及新冠肺炎疫苗研發的過程。
最後，艾薩克森總結，『好奇心是那些令我著迷之人的重要特色，從班傑明‧富蘭克林、阿爾伯特‧愛因斯坦，到史蒂芬‧賈伯斯與李奧納多‧達文西，……，他們的背後都有好奇心在推動。或許正是這樣的本能 – 好奇心，純粹的好奇心 – 將成為我們的救贖。』
[後記]
珍妮佛‧道納與埃瑪紐埃爾‧夏彭蒂耶一同獲頒2020年諾貝爾化學獎，來得之快絕對能留名青史，CRISPR-Cas9的重大發現僅不過才歷經短短8年，就讓她們兩人獲獎。
而頒給兩位女性科學家同樣具有重大歷史意義，自1911年居里夫人得獎開始，截至2020年為止，諾貝爾化學獎一共186位得主，只有5位女性。
其中最美好的道賀來自於道納的老師 – 傑克‧索斯達克，是他點燃了道納對RNA奇幻世界的熱情。「唯一一件比拿到諾貝爾獎更棒的事，」索斯達克說，「就是自己的學生也拿到了諾貝爾獎。」
是的，索斯達克與伊莉莎白‧布雷克本(Elizabeth Blackburn)及卡蘿·格萊德(Carol Greider)共同獲頒2009年諾貝爾生醫獎，表彰他們三位發現端粒和端粒酶與其如何保護染色體的開創性研究。(有關端粒，可以參見《端粒效應》，如何用科學延緩衰老？)
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