基因編輯產(chǎn)品有了“人臉識別” 傳統(tǒng)方法難以應(yīng)對基因編輯“井噴”

基因組編輯技術(shù)為動(dòng)植物遺傳改良提供了革命性遺傳操作工具。但在基因組編輯過程中，通常需要將外源載體導(dǎo)入生物體細(xì)胞內(nèi)，在基因組編輯完成后，再篩選出不含外源成分的材料個(gè)體。

隨著基因編輯產(chǎn)品大規(guī)模商業(yè)化的不斷逼近，如何檢測這些外源成分成為各國政府加強(qiáng)管理的一個(gè)重要技術(shù)前提。

近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋團(tuán)隊(duì)與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院中國水稻研究所研究員王克劍團(tuán)隊(duì)合作，在《中國科學(xué)—生命科學(xué)》發(fā)布了一種對外源成分進(jìn)行精確分析的工具。它不依賴傳統(tǒng)的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)等分子檢測手段，可一次性完成對4萬多種不同外源成分序列的檢測。

傳統(tǒng)方法難以應(yīng)對基因編輯“井噴”

中國科學(xué)院院士曹曉風(fēng)表示，基因組編輯技術(shù)有望帶來新一輪農(nóng)業(yè)科技革命，世界各國在這一研究與應(yīng)用領(lǐng)域正展開激烈角逐。

“生物技術(shù)是推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力，是提升國家農(nóng)業(yè)競爭力的戰(zhàn)略利器。基因組編輯作為新興的革命性技術(shù)，有望顛覆傳統(tǒng)農(nóng)作物育種模式，具有巨大的發(fā)展?jié)摿徒?jīng)濟(jì)價(jià)值。”中國工程院院士萬建民指出。

萬建民說，美國、日本、加拿大、澳大利亞、巴西、阿根廷等多個(gè)國家已陸續(xù)出臺多項(xiàng)基因組編輯產(chǎn)品安全管理政策，將不引入外源成分的基因組編輯作物等同于常規(guī)育種作物進(jìn)行管理，簡化基因編輯作物的審批流程，并積極推進(jìn)基因編輯產(chǎn)業(yè)的全球化布局。

曹曉風(fēng)強(qiáng)調(diào)，這其中，有無外源成分是基因組編輯產(chǎn)品是否需要接受政府監(jiān)管的主要依據(jù)。

王克劍告訴《中國科學(xué)報(bào)》，外源成分檢測主要采用PCR等分子檢測手段。但是，基于PCR的檢測方法需要已知外源片段序列才能設(shè)計(jì)擴(kuò)增引物，一次只能對少數(shù)幾個(gè)完整的外源成分進(jìn)行檢測。“在外源片段序列未知或在體內(nèi)出現(xiàn)變異等情況下，基于PCR的方法將無法對其進(jìn)行有效檢測，導(dǎo)致漏檢。”

另外，基于PCR的檢測方法易受實(shí)驗(yàn)條件的影響，導(dǎo)致假陽性或假陰性情況的發(fā)生。

“為應(yīng)對未來幾年全球基因編輯產(chǎn)品即將呈現(xiàn)的‘井噴’態(tài)勢，急需建立一套科學(xué)嚴(yán)格的基因編輯產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)，以此保障基因編輯產(chǎn)品的安全。”萬建民說。

實(shí)現(xiàn)外源成分的自動(dòng)識別

這種對外源成分進(jìn)行精確分析的工具被稱為外源成分探測器(FED)。

王克劍介紹，美國國立生物技術(shù)信息中心和addgene等生物數(shù)據(jù)庫收集了各國科研人員遞交的不同物種的各類載體序列信息。“我們把相關(guān)數(shù)據(jù)下載后整理歸類，建立了外源成分?jǐn)?shù)據(jù)庫。”

目前，研究團(tuán)隊(duì)建立的外源成分?jǐn)?shù)據(jù)庫中有46695種不同外源成分序列的信息。FED可以將被檢測產(chǎn)品的全基因組序列直接和該數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對，從而找出是否有相同或相似的外源成分。

因此，不同于傳統(tǒng)的PCR檢測，F(xiàn)ED可在外源成分信息未知的情況下，一次性完成對46695種不同外源成分序列的檢測。同時(shí)，F(xiàn)ED還可精確鑒定出外源成分的片段長度及在基因組上的插入位置。

“這個(gè)方法就像在人臉識別系統(tǒng)中錄入每一個(gè)人的頭像，以后就可以自動(dòng)采樣識別人臉。大數(shù)據(jù)識別操作簡單、識別精準(zhǔn)、效率高。”王克劍說，而傳統(tǒng)的PCR方法是針對每一個(gè)人臉的特征進(jìn)行局部檢查，需要個(gè)性化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢查后再核對一致性。

曹曉風(fēng)指出，該基因編輯外源成分檢測分析平臺，從全基因組水平對動(dòng)植物基因組編輯產(chǎn)品的外源成分進(jìn)行鑒定分析，猶如給基因組編輯產(chǎn)品的監(jiān)管配上最先進(jìn)的“人臉識別”技術(shù)，通過基因組大數(shù)據(jù)分析使外源成分無所遁形。

實(shí)時(shí)更新的檢測分析平臺

目前，F(xiàn)ED已經(jīng)內(nèi)置了24種植物和13種動(dòng)物的參考基因組信息，有望為全球基因組編輯生物的應(yīng)用和安全監(jiān)管提供重要工具平臺。王克劍告訴《中國科學(xué)報(bào)》，外源成分?jǐn)?shù)據(jù)庫的信息還在不斷更新。

萬建民說，這一基因編輯產(chǎn)品外源成分檢測分析平臺，從全基因組水平對常見外源成分進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，且該平臺內(nèi)置的外源成分?jǐn)?shù)據(jù)庫可以根據(jù)全球最新研究進(jìn)展進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，有力保障了基因編輯產(chǎn)品不受外源成分的污染。該檢測分析平臺還實(shí)現(xiàn)了基因編輯外源成分檢測從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)鑒定到大數(shù)據(jù)智能分析的迭代升級，具有高精度、高通量和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，為基因編輯產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化提供安全保障，為基因編輯產(chǎn)品監(jiān)管政策制定提供科學(xué)依據(jù)。

曹曉風(fēng)說，該檢測分析平臺具有超高通量、準(zhǔn)確率高、兼容性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，還可不斷延展，接納來自全球的更新數(shù)據(jù)。該檢測方法有望顛覆傳統(tǒng)外源成分監(jiān)管手段，為全球基因組編輯監(jiān)管體系建設(shè)賦能，加速推動(dòng)基因組編輯產(chǎn)品的安全、有序上市。(李晨)