撰文 | nagashi
编辑 | 王多鱼
排版 | 水成文
CRISPR基因编辑技术自问世以来，就表现出其他基因编辑技术无可比拟的优势，并深刻改变了基因编辑领域乃至整个生命科学的研究模式。如今，CRISPR技术已被应用于精确基因组编辑和转录调控等一系列科学研究，这使得科学家能够“随意”操纵基因序列。
不仅如此，随着宏基因组测序的发展，科学家们陆续发现了更多种类的Cas核酸酶，这些Cas蛋白酶识别并响应与其结合的sgRNA互补的核酸序列的能力也进一步启发了基于CRISPR的体外诊断技术的发展，例如诺奖得主 Jennifer Doudna 的DETECTR以及张锋的SHERLOCK。
近日，哈佛医学院的研究人员在 Cell 子刊 Molecular Cell 上发表了题为：CRISPR-based peptide library display and programmable microarray self-assembly for rapid quantitative protein binding assays 的研究论文。
这项研究利用CRISPR基因编辑技术开发了一种全新的肽展示平台——PICASSO，可以作为一种工具来识别患者血液样本中的抗体。这种新技术可能会激发一类新的医学诊断，并为一系列其他应用开辟新道路。
进入21世纪以来，生物技术的创新发展极大地提高了进行大规模蛋白质研究的能力，定制蛋白质和多肽库的生产和查询已被证明对生物应用非常重要，包括疾病诊断、治疗性抗体开发和定向进化等。
目前，这些研究通常使用噬菌体体体外展示技术或蛋白质和肽微阵列技术，然而，这些策略要么耗时太久，要么就是成本过于昂贵。因此，为了便于定制肽库的研究和克服现有展示技术的局限性，研究团队计划利用CRISPR系统的特性创建了一个体外肽展示平台。
在这项研究中，为了便利定制肽库的研究和克服现有展示技术的局限性，研究团队利用CRISPR系统的特性创建了一个体外肽展示平台——“毕加索”（PICASSO）。通过将重组肽融合到切割活性丧失的Cas9（dCas9）蛋白中，由此构建了一个以sgRNA序列为条形码标识的肽序列库。
本研究的通讯作者 Stephen Elledge 博士表示：“PICASSO利用可定制的蛋白质集合，这些蛋白质连接到一个dCas9上。dCas9会与DNA结合，但不会切断DNA，肽集合融合到dCas9，并以独特的sgRNA序列进行条形码编码。”
PICASSO是一项基于CRISPR的肽展示和微阵列自组装技术
紧接着，研究团队使用一种被称为由Cas9介导的自组织肽固定化的技术，这些dCas9-融合肽会自组装到一个DNA微阵列表面的位置，并结合到那些与sgRNA条形码互补的DNA序列上。
单dCas9融合蛋白与sgRNA DNA芯片结合
因此，当应用到含有数千种独特DNA分子的微芯片上时，混合物中的每一种蛋白质都会自我组装到包含相应DNA序列的芯片上。由此产生的DNA模板自组装肽微阵列可以用于大规模的蛋白质研究。
Stephen Elledge 博士表示：“通过PICASSO的dCas9融合显示和自组装微阵列构建克服了其他显示平台的许多弊端，使定制的肽库研究更快和更广泛。”
PICASSO进行微阵列自组装的原理证明
对于这项新技术的描述，我们可以打一个十分有趣的比方：想象一下，你想在画布上画画，但不是用正常的方式，而是把所有的颜料混合在一起，泼洒在画布上，完美的画作就自然而然地出现了！
利用PICASSO，可以将DNA分子放置在表面的特定位置，然后混合物中的每一个蛋白质就会自我组装到相应的DNA序列上，就像一个自动编号的涂漆工具包。由此产生的DNA模板蛋白微阵列可以让你快速识别临床样本中的抗体，或者识别你感兴趣的任何蛋白质。
基于此，目前研究人员究正使用PICASSO平台检测各种病原体的抗原抗体结合，包括正在康复的COVID-19患者血液中的SARS-CoV-2相关抗体。
本研究的模式图
本研究的第一作者 Karl Barber 博士评论道：“在这项工作中，我们展示了PICASSO在蛋白质研究中的应用，创造了一种可以迅速应用于医疗诊断的工具。同时，PICASSO也可以用于开发新的生物材料和生物传感器，无需PCR或大规模测序，并且在dCas9-sgRNA文库应用到dsDNA微阵列后的几个小时内就可以完成这一检测过程！”
Karl Barber展示PICASSO微阵列
总而言之，PICASSO这项新技术最令人兴奋的方面之一是将CRISPR技术应用在一个全新的环境——蛋白质研究的新领域，这可能有助于开发新的研究和诊断工具，包括多重诊断、酶底物发现、蛋白质进化和设计实验等等，让我们拭目以待！
论文链接：
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00596-7
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