陳嘉杰、陳摯、孟長樂 （深圳大學）

雙諾獎之約：光鑷技術和CRISPR基因編輯的融合

自從阿什金發明光鑷以來，光學操作技術已經成為遠程操作納米物質的強大工具，并在2018年，因其對生物系統的開創性貢獻，被授予諾貝爾物理學獎。經典的光鑷主要依賴于光的動量變換，因此需要高數值孔徑（NA）物鏡和高功率激光，但光的衍射也限制了操作精度。

幸運的是，與納米等離子體光學、電場、或溫度場等領域的跨學科結合新技術已經有效地解決了這些限制，為粒子分析和操縱提供了新的機會。其中，利用光熱效應的光鑷“光熱鑷”，也可以在微米尺度范圍內操縱納米粒子。與傳統的光鑷相比，光熱鑷技術需要較低的激光功率密度（10-100 μW/μm2），減少了對被操作的生物樣品的不利光學影響，并擴展了可操控粒子范圍，使其成為生物檢測的一個極佳工具。

可操控從微米到納米尺度的生物顆粒，包括細菌和活細胞，單鏈和雙鏈DNA分子（ss-和dsDNA），以及蛋白質（光學學報, 2023, 43(14): 1400001）。然而，光鑷在液體介質中仍不具有生物分子原位識別能力。

值得注意的是，聚類規則間隔短回文重復（CRISPR）系統在基因編輯領域取得了重大突破，并在2020年獲得了諾貝爾化學獎。它由一個CRISPR相關（Cas）核酸酶蛋白和一個目標DNA序列互補的引導RNA（crRNA）組成。當在一定的溫度條件下（~37℃）被匹配的目標DNA（ssDNA或dsDNA）特異性激活時，可以觸發反式切割，作用于周圍單鏈DNA分子。其對于基因的“單堿基突變”具備極高的分辨能力，已被廣泛應用于生物檢測領域。然而，該類方法的靈敏度往往受到復雜樣本中目標DNA的低豐度的限制。

所以，納米“光熱鑷”作為一種新興的創新技術，在納米顆粒的原位操作領域應用很廣，但對于生物分子特異性識別的技術尚不完善，尤其在單核苷酸多態性（SNP）的精確檢測方面的不足，阻礙了其在單分子檢測與治療領域的突破。能否發明一種新型的檢測技術，既能彌補CRISPR生物傳感的不足，又能上光鑷具備生物分子識別的能力呢？

答案是肯定的，近日，來自深圳大學物理與光電工程學院，光電子器件與系統教育部/廣東省重點實驗室，生物光子學研究中心陳嘉杰特聘研究員、邵永紅教授、張晗教授與香港中文大學生物醫學工程系何浩培教授的研究團隊首次將“光熱鑷”技術與CRISPR基因編輯技術進行了融合。基于CRISPR基因編輯技術中的單堿基特異性識別能力，以及光熱鑷技術對生物分子的精準操控，開發了一種新型生物檢測技術，即CRISPR增強的納米光熱鑷（CRONT）。

該成果以“CRISPR-powered optothermal nanotweezers: Diverse bio-nanoparticle manipulation and single nucleotide identification”為題發表在Light: Science & Applications。

具體來說，如圖1所示，通過在光熱激發下利用基底附近的擴散泳和熱滲透流動，成功地捕獲并富集三種納米粒子，包括金納米顆粒團簇、CRISPR相關蛋白、以及目標DNA，在SNP位點的檢測過程中，利用暗場成像技術實時監測到光斑中心處CRISPR反式切割的動態過程。

這種創新的方法賦予了光鑷技術前所未有的DNA識別能力。由于其對原位生物納米顆粒操作和鑒定的高特異性和可行性，它將有望成為護理點診斷、生物光子學和生物納米技術的通用工具。

圖1：CRONT工作原理

CRONT可以實現生物納米顆粒操作，并滿足目標生物顆粒識別的CRISPR工作條件。具體而言，首先，我們成功地捕獲了ssDNA、dsDNA、BSA、Cas12a蛋白和DNA@金納米顆粒偶聯物。并對其捕獲剛度以及溫度場分布做了系統性研究。

其次，如圖2所示，通過結合基于CRISPR的DNA生物傳感方案，在捕獲光斑附近，通過監測單個捕獲的DNA@金納米顆粒偶聯物被切割的概率，可用于原位DNA分子（SARS-CoV-2或猴痘）鑒定。并在無需核酸預擴增的前提下，達到了25 aM（ssDNA）和250 aM（dsDNA）的檢測限。

圖2：CRONT對于超低濃度單/雙鏈DNA的檢測

更令人振奮的是，實驗表明這種納米“光熱鑷”在超低的檢測量（10 μL）下，仍具有單核苷酸多態性（SNPs）的識別能力，這在遺傳多樣性檢測中起著至關重要的作用，并與各種表型性狀相關，包括疾病易感性和藥物反應。因此，這種SNP檢測技術的創新亦可滿足未來基因組研究和醫學的多樣性需求。

未來展望

CRONT技術通過聯合CRISPR生物傳感系統以及“光熱鑷”技術，實現了在超低的檢測限內快速檢測SNP位點的功能，未來有望應用于單分子水平的基因檢測以及基因編輯的應用。我們相信，這種非接觸性的納米探針將解決更多的光學、熱學、生物學的共性問題，并在單粒子水平上，深化人類對多種復雜生物過程的理解。

論文信息

Chen, J., Chen, Z., Meng, C. et al. CRISPR-powered optothermal nanotweezers: Diverse bio-nanoparticle manipulation and single nucleotide identification. Light Sci Appl 12, 273 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01326-9

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