一种被细菌用于杀死攻击性病毒的微型分子机器，可能会改变科学家编辑植物、动物和真菌DNA的方式，给基因工程带来彻底变革。这种蛋白质名为Cas9，是一种更加精确地切割DNA片段的方式。
洛克菲勒大学的鲁斯亚诺·马拉芬妮（Luciano Marraffini）表示：“这可以大大地加速生物技术所有领域进行探索发现的速度，包括医学上的基因治疗、农产品的改良、能源生产微生物的工程等。”
生物科技革命创造的抗贫血药促红细胞生成素（EPO）、用于治疗多发性硬化症的干扰素以及孟山都公司（Monsanto）的Roundup Ready转基因大豆等农作物，都以相对原始的办法为基础——将来自一个有机体的基因插入另一个有机体。在过去10年里，部分生物科学家一直在吹捧一种名为“合成生物学”（Synthetic biology）的新办法，可以进行更多基因改变，使活体变得更类似于可进行工程设计的机器。这种对细菌和原始藻类DNA进行模块化改变的能力，为我们带来了各种药物以及Amyris 和LS9等生物燃料公司。不过要找出如何在更复杂有机体的基因组中进行改变，一直是个难题。
尽管人们可以将一个物种的某个基因插入到另一个物种，但要对特定位置的遗传密码进行切割从而实现真正的修订，就要难得多。目前有两种技术可以这样做，它们都入选了《科学》（Science）评选的2012年最佳创新；美国国立卫生研究院（NIH）院长弗兰西斯·柯林斯（Francis Collins）在一篇博客文章中写道，这些发明“正展现出一些诱人的、治疗人类疾病的新可能性”。但是，其中一种方法——锌指核酸酶（zinc finger nucleases）的成本达到每次编辑6,000美元；另一种方法——类转录激活因子效应物核酸酶（Transcription activator-like effector nuclease, TALEN）的效率只有Cas9的五分之一。
哈佛大学的乔治·丘奇（George Church）表示：“它像野火一样在所有知道这项技术的人当中扩散，这项技术无疑是非常诱人的。你很容易就能进入这个领域，开始做大量的试验。”
最初，丹尼斯克公司（Danisco，现在属于杜邦集团旗下）科学家费利佩·霍瓦斯（Phillipe Horvath）和罗多尔夫·巴兰格（Rodolphe Barrangou）希望找到更好的酸奶生产方法。用于培养乳类的细菌尤其容易受到那些能够杀死它们的病毒的感染，生产率因而被降低。几十年来，研究人员们都知道，细菌的整个DNA链条上分布着奇怪和重复的DNA序列，即“规律间隔的短回文重复序列”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，简称CRISPR）。霍瓦斯和巴兰格经过研究推知，这些正是细菌所存下的“疑犯照片”。
细菌持续跟踪着那些可能会攻击它们的病毒的遗传密码片段，并且它们会在遭受那些病毒攻击时以某种方法利用这些代码将其杀死。CRISPR是一种原始的免疫机制。霍瓦斯认为，这种发现可以用于创造更能抵抗感染的细菌，这将在生产酸奶甚至生产药物的过程中派上用场。但他很快意识到另一个问题：不知道为何，细菌可以瞄准遗传密码中的特定片段。如果科学家可以掌握这种能力，他们将获得编辑DNA的新方式。
霍瓦斯和巴兰格的论文引发了一场竞赛——看谁能最快找出这种细菌神秘的秘密武器。显然，当中存在某种DNA切割酶，一种能够切割遗传物质的蛋白质。
瑞典于默奥大学（Umea University）的艾曼纽·夏邦杰（Emmanuelle Charpentier）已经找到了一种可能蛋白质的线索。在一个科学会议上，她与加州大学伯克利分校霍华德·休斯医学研究院研究员珍妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）建立起了友谊。她们横跨大西洋的合作之所以能够持续推进，部分原因在于杜德娜实验室的一位科学家马丁·吉内克（Martin Jinek），和夏邦杰其中一位同行克里兹托夫·齐林斯克（Krzysztof Chylinsk）说同一种波兰方言。他们将这个新发现的蛋白质命名为CRISPR关联系统9（CRISPR-associated system 9），即Cas9。
在去年夏天一篇于《科学》杂志刊登的论文上，他们发现细菌将Cas9与遗传物质结合，从而创造了攻击病毒的“归巢分子”（homing molecules）。细菌就像人类和几乎所有其他生物一样，将其遗传密码存在一个DNA分子库内。需要使用时，有机体将DNA复制到名为RNA的相关分子。Cas9可以与一份RNA转录本配对，瞄准一个配对的DNA序列并将其切割。这会杀死病毒，但科学家将其用以在他们锁定的位置精确切割DNA。其结果与其说像是用文字处理器，不如说是电影剪片人拼接影片的生物实验室版。
丘奇和他的同事向我们证明，他们可以使用该系统一次性地对一个细胞的DNA进行多个编辑，更厉害的是，还可以对此实现工业化应用。丘奇实验室一位曾经的一位学生郑峰（Feng Zheng，音）也获得了成功，并希望将之用于更好地理解大脑。这两项结果都公布在了1月份的《科学》杂志上。杜德娜的论文已经被电子期刊eLife所接受。杜德娜已经建立一家名为Caribou Biosciences的公司，用以将其研究成果商业化。
丘奇指出，在短期内，Cas9的潜力在于可将其用于以一种前人所无法做到的方式研究基因学。比方说，位于一个基因内部或前后的DNA发生三种变化可能导致疾病。目前，很难直接研究这些变化。不过现在，丘奇表示，你可以从某个已经确定DNA序列的人身上提取出一枚细胞（这是他现在正通过自己的个人基因组项目所做的事。之后，你可以培养出所谓的诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell），这种细胞的行为非常类似于胚胎中的细胞。之后你就可以使用Cas9来一一改变所有这些DNA变化。
西北大学的埃里克·宋提莫尔（Erik Sontheimer）表示，同时进行所有这些操作的能力“真的可以颠覆一切”。研究人员可以将基因相同的细胞进行比对，以找到单一、特定的变异。这在开发新药的过程中将非常有用。
最近，在互联网上出现一阵骚动，因为部分媒体将丘奇接受一家德国报纸的采访断章取义，听起来像是他正试图克隆尼安德特人。他并没有这样说。不过这是一种可以用于将尼安德特人（甚至猛犸象）带到现代的技术；尽管由于时间问题，它们的实际DNA已经丢失。丘奇已经表示，理论上可以通过改变人类或者大象干细胞的基因以匹配其“史前亲戚”（分别指尼安德特人和猛犸象），从而实现这一点。如果你希望将冰河世纪的动物带到现代，Cas9可能是实现方式之一。
任何此类发现都有很长的路要走。现在，科学家主要在实验室的培养皿将这项技术应用于细胞，而不是整个有机体。而且，从实验室到临床治疗也是一条很长的路。Sangamo Biosciences公司花了十多年时间一直在努力将早期的锌指核酸酶技术商业化，用于生产药物。将Cas9从实验室应用到现实可能也需要这么长的时间。不多这并没有降低其吸引力。
