一種被細菌用于殺死攻擊性病毒的微型分子機器，可能會改變科學家編輯植物、動物和真菌DNA的方式，給基因工程帶來徹底變革。這種蛋白質名為Cas9，是一種更加精確地切割DNA片段的方式。
洛克菲勒大學的魯斯亞諾·馬拉芬妮（Luciano Marraffini）表示：“這可以大大地加速生物技術所有領域進行探索發現的速度，包括醫學上的基因治療、農產品的改良、能源生產微生物的工程等。”
生物科技革命創造的抗貧血藥促紅細胞生成素（EPO）、用于治療多發性硬化癥的干擾素以及孟山都公司（Monsanto）的Roundup Ready轉基因大豆等農作物，都以相對原始的辦法為基礎——將來自一個有機體的基因插入另一個有機體。在過去10年里，部分生物科學家一直在吹捧一種名為“合成生物學”（Synthetic biology）的新辦法，可以進行更多基因改變，使活體變得更類似于可進行工程設計的機器。這種對細菌和原始藻類DNA進行模塊化改變的能力，為我們帶來了各種藥物以及Amyris 和LS9等生物燃料公司。不過要找出如何在更復雜有機體的基因組中進行改變，一直是個難題。
盡管人們可以將一個物種的某個基因插入到另一個物種，但要對特定位置的遺傳密碼進行切割從而實現真正的修訂，就要難得多。目前有兩種技術可以這樣做，它們都入選了《科學》（Science）評選的2012年最佳創新；美國國立衛生研究院（NIH）院長弗蘭西斯·柯林斯（Francis Collins）在一篇博客文章中寫道，這些發明“正展現出一些誘人的、治療人類疾病的新可能性”。但是，其中一種方法——鋅指核酸酶（zinc finger nucleases）的成本達到每次編輯6,000美元；另一種方法——類轉錄激活因子效應物核酸酶（Transcription activator-like effector nuclease, TALEN）的效率只有Cas9的五分之一。
哈佛大學的喬治·丘奇（George Church）表示：“它像野火一樣在所有知道這項技術的人當中擴散，這項技術無疑是非常誘人的。你很容易就能進入這個領域，開始做大量的試驗。”
最初，丹尼斯克公司（Danisco，現在屬于杜邦集團旗下）科學家費利佩·霍瓦斯（Phillipe Horvath）和羅多爾夫·巴蘭格（Rodolphe Barrangou）希望找到更好的酸奶生產方法。用于培養乳類的細菌尤其容易受到那些能夠殺死它們的病毒的感染，生產率因而被降低。幾十年來，研究人員們都知道，細菌的整個DNA鏈條上分布著奇怪和重復的DNA序列，即“規律間隔的短回文重復序列”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，簡稱CRISPR）。霍瓦斯和巴蘭格經過研究推知，這些正是細菌所存下的“疑犯照片”。
細菌持續跟蹤著那些可能會攻擊它們的病毒的遺傳密碼片段，并且它們會在遭受那些病毒攻擊時以某種方法利用這些代碼將其殺死。CRISPR是一種原始的免疫機制。霍瓦斯認為，這種發現可以用于創造更能抵抗感染的細菌，這將在生產酸奶甚至生產藥物的過程中派上用場。但他很快意識到另一個問題：不知道為何，細菌可以瞄準遺傳密碼中的特定片段。如果科學家可以掌握這種能力，他們將獲得編輯DNA的新方式。
霍瓦斯和巴蘭格的論文引發了一場競賽——看誰能最快找出這種細菌神秘的秘密武器。顯然，當中存在某種DNA切割酶，一種能夠切割遺傳物質的蛋白質。
瑞典于默奧大學（Umea University）的艾曼紐·夏邦杰（Emmanuelle Charpentier）已經找到了一種可能蛋白質的線索。在一個科學會議上，她與加州大學伯克利分校霍華德·休斯醫學研究院研究員珍妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）建立起了友誼。她們橫跨大西洋的合作之所以能夠持續推進，部分原因在于杜德娜實驗室的一位科學家馬丁·吉內克（Martin Jinek），和夏邦杰其中一位同行克里茲托夫·齊林斯克（Krzysztof Chylinsk）說同一種波蘭方言。他們將這個新發現的蛋白質命名為CRISPR關聯系統9（CRISPR-associated system 9），即Cas9。
在去年夏天一篇于《科學》雜志刊登的論文上，他們發現細菌將Cas9與遺傳物質結合，從而創造了攻擊病毒的“歸巢分子”（homing molecules）。細菌就像人類和幾乎所有其他生物一樣，將其遺傳密碼存在一個DNA分子庫內。需要使用時，有機體將DNA復制到名為RNA的相關分子。Cas9可以與一份RNA轉錄本配對，瞄準一個配對的DNA序列并將其切割。這會殺死病毒，但科學家將其用以在他們鎖定的位置精確切割DNA。其結果與其說像是用文字處理器，不如說是電影剪片人拼接影片的生物實驗室版。
丘奇和他的同事向我們證明，他們可以使用該系統一次性地對一個細胞的DNA進行多個編輯，更厲害的是，還可以對此實現工業化應用。丘奇實驗室一位曾經的一位學生鄭峰（Feng Zheng，音）也獲得了成功，并希望將之用于更好地理解大腦。這兩項結果都公布在了1月份的《科學》雜志上。杜德娜的論文已經被電子期刊eLife所接受。杜德娜已經建立一家名為Caribou Biosciences的公司，用以將其研究成果商業化。
丘奇指出，在短期內，Cas9的潛力在于可將其用于以一種前人所無法做到的方式研究基因學。比方說，位于一個基因內部或前后的DNA發生三種變化可能導致疾病。目前，很難直接研究這些變化。不過現在，丘奇表示，你可以從某個已經確定DNA序列的人身上提取出一枚細胞（這是他現在正通過自己的個人基因組項目所做的事。之后，你可以培養出所謂的誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cell），這種細胞的行為非常類似于胚胎中的細胞。之后你就可以使用Cas9來一一改變所有這些DNA變化。
西北大學的埃里克·宋提莫爾（Erik Sontheimer）表示，同時進行所有這些操作的能力“真的可以顛覆一切”。研究人員可以將基因相同的細胞進行比對，以找到單一、特定的變異。這在開發新藥的過程中將非常有用。
最近，在互聯網上出現一陣騷動，因為部分媒體將丘奇接受一家德國報紙的采訪斷章取義，聽起來像是他正試圖克隆尼安德特人。他并沒有這樣說。不過這是一種可以用于將尼安德特人（甚至猛犸象）帶到現代的技術；盡管由于時間問題，它們的實際DNA已經丟失。丘奇已經表示，理論上可以通過改變人類或者大象干細胞的基因以匹配其“史前親戚”（分別指尼安德特人和猛犸象），從而實現這一點。如果你希望將冰河世紀的動物帶到現代，Cas9可能是實現方式之一。
任何此類發現都有很長的路要走。現在，科學家主要在實驗室的培養皿將這項技術應用于細胞，而不是整個有機體。而且，從實驗室到臨床治療也是一條很長的路。Sangamo Biosciences公司花了十多年時間一直在努力將早期的鋅指核酸酶技術商業化，用于生產藥物。將Cas9從實驗室應用到現實可能也需要這么長的時間。不多這并沒有降低其吸引力。
