全书名：《上帝的手术刀：基因编辑简史》
作者名：王立铭
本书是一本生动有趣的描写基因编辑技术的书。它回顾了历史，用各种故事和实验讲述了基因编辑技术的发展历程。也展望了未来，思考了基因编辑技术未来的发展趋势以及应用前景。
近几年来，随着生物基因工程的发展，基因技术登上了舞台，成为人们口中热议的话题。
农业领域，科学家们通过基因编辑获得了许多新品种，让农作物具备抗病虫能力，具有更好的口味；医疗领域，靶向治疗、细胞免疫疗法，让许多癌症患者看到了生存的希望。
在未来，人类希望运用基因编辑技术，让人更健康，更长寿，综合能力更强。那么，基因编辑到底是何方神圣呢？
首先，我们先来看看基因发展的历史，这其中包含了许多有趣的实验和生动的故事，同时也饱含了科学家们为探寻真理而付出的艰辛。
“种瓜得瓜，种豆得豆”，如今已是人们的常识。而在古代，先祖们通过长期的观察和总结，才得出了这一结论。但他们疑惑得是，为什么会产生这种现象？
早在古希腊时期，哲学家们就开始从理性的高度去研究遗传现象的本质，他们提出了“泛生子”的概念，认为这种“泛生子”颗粒中携带了决定生物性状表达的遗传物质。交配时，父代的“泛生子”将进入子代中，子代将继承父代优良的性状。
达尔文在创立进化论时，也借用了“泛生子”的概念作为自然选择理论的遗传基础。他认为，生物的每一个器官中都携带有相应的“泛生子”，比如手掌中，就含有控制手掌相关性状的“泛生子”。在交配过程中，父母的泛生子发生融合，并进入后代体内，让后代产生与父母相似的性状，就像红色墨水与蓝色墨水混合得到紫色墨水一样，紫色墨水中携带了红色与蓝色的印迹。更重要的是，一旦某个“泛生子”颗粒发生突变，这种突变也会进入到后代体内，然后一代一代逐渐产生五花八门的变化以适应不同的环境。这就是自然选择与适者生存最初的描述。
然而，在当时，达尔文的进化论不仅受到了宗教的反对，也受到了古生物学家的否定。他们发现了一个矛盾：按照“泛生子”融合理论，父代突变的“泛生子”在融合的过程中应该湮灭掉，就像在牛奶中滴入一滴墨水一样，很快就会消散，并不会对后代的性状表达产生任何影响；而按照达尔文的进化论，这种突变会在后代中逐渐积累，最终发生巨大的变化，比如由猿进化到人。
虽然“泛生子”的概念不能很好的支持达尔文的进化论观点，自然选择理论与“泛生子”融合理论也存在冲突，但这并不妨碍人们对于遗传真相的探求。
在世界各地，正有很多人在有意无意地做着各种实验，孟德尔就是其中一位。
孟德尔是一名修道院神父，他希望通过种植豌豆，来窥探遗传的秘密。和达尔文不同，他并没有借鉴任何已有的概念，而是很务实地亲自实验，通过实验结果来合理假设与推理。
在第一代豌豆杂交实验中，孟德尔选择了豌豆的7个性状作为观测对象，比如种子表皮的颜色、豌豆花的颜色、茎干的高矮等等。而第一次杂交的结果，就让人震惊，所有后代的性状表达高度一致：都是黄豌豆，紫色豌豆花，高茎干。而绿豌豆、白色豌豆花、矮茎干等性状都消失了。从结果可以看出，后代只能表达父代的一种性状，如果父母的性状出现冲突，最终其中一种会胜出并表达，而另一种则会消失。孟德尔将表达的性状称为“显性”性状，而消失的则称为“隐性”性状。
接着，孟德尔又将第一代子代进行了杂交，结果又让人震惊：在收获的8000颗新一代豌豆中，那些消失的“隐性”性状又回来了。更令人惊奇的是，黄豌豆与绿豌豆的比例恰好是3:1，而其他性状也都遵循这个比例。
看到这里，很多朋友应该回想起初中生物课上的知识。如果我们把显性性状记作“A”，隐性性状记作“a”，那么在第一次实验中，就是AAxaa=Aa，因此所有的豌豆都呈现显性性状。而第二次实验中，AaxAa=AA（1）：Aa（2）：aa（1），因此，显性性状与隐性性状的比例为3:1。
之后，孟德尔又继续做了很多代实验，实际结果与数学计算结果都相吻合，这就说明了他所推断的“显/隐性”理论毫无疑问是正确的。而这个理论也说明，遗传并非是像液体般的融合，而是存在一种“颗粒”，它们成对的出现，并在遗传的过程中进行了重新的分配和组合。
而这种“颗粒”到底是什么，科学家们将沿着这条线索顺藤摸瓜地探寻下去。
孟德尔提到的“颗粒”，其实就是如今我们所说的“基因”。豌豆杂交实验虽然揭示了遗传的规律，但基因到底是什么，依然不得而知。但正是这种发现，激发了科学家们开始去探寻基因的真实面目。
第一个重大突破发生于20世纪20年代。那时，人们已经知道，通过接种弱致病性的疫苗可以使人们获得抵抗传染病的免疫力。于是，英国病理学家弗雷德·格里菲斯试图寻找毒性较弱的肺炎链球菌，从而研制出细菌性肺炎的疫苗。
他从病人那里搜集了两种肺炎链球菌，一种外表光滑，能够引起肺炎；另一种外表粗糙，没有什么毒性。并作用于老鼠，开始了他的实验。
首先，他将粗糙的肺炎链球菌和高温灭活后的光滑链球菌分别注射到老鼠体内，但结果并没有达到预期，老鼠很健康，但也没有获得对肺炎的免疫力。于是，格里菲斯将两种细菌混合，再次注入老鼠体内，结果大大出乎意料——老鼠很快就患肺炎死掉了。
这让格里菲斯匪夷所思：粗糙的肺炎链球菌本身没有致病性，而高温灭活得光滑链球菌已经死掉了，也没有致病性，为何将它们混合到一起就会产生致病性呢？更要命的是，格里菲斯从死亡的老鼠体内，居然发现了活着的光滑肺炎链球菌，它们是从何而来？
看了前面的豌豆杂交实验，大家应该就明白了，光滑的肺炎链球菌之所以“死而复生”，是因为它的遗传物质进入到了粗糙的肺炎链球菌内部，从而改变了它的遗传性状。
那么，如果我们能从光滑的肺炎链球菌中提取出这种能使粗糙的肺炎链球菌发生转化的物质，不就能够知道基因的真面目了吗？
在当时，人们已经对构成生命的几大物质，比如脂肪、蛋白质、碳水化合物、核酸（DNA与RNA等）有了基本的认识，洛克菲勒医学研究所的埃弗里通过可溶性、萃取、沉淀等物理化学方法，去除了光滑肺炎链球菌中的脂肪、蛋白质，得到了一种纤维状的物质。他足够确信，这种纤维状物质就是DNA，就是遗传信息的载体。
当然，这在现代已经是公认的事实，但在当时，埃弗里受到了诸多质疑，最主要的就是他提取DNA的方法不够严谨，无法排除这种纤维状物质中还存有微量蛋白质的影响。
1952年，两位美国科学家，赫尔希和蔡斯采用完全不同的思路，证明了DNA就是遗传物质，排除了蛋白质的干扰。
众所周知，遗传的一个前提，就是遗传物质要从父代传递给子代，那么只要追踪，到底是DNA进入了子代，还是蛋白质进入了子代，就可以证明谁才是遗传物质。两位科学家正是利用了这一点，展开了他们的噬菌体标记实验。当时人们已经知道，DNA中含有磷元素而没有硫元素，蛋白质正好相反。
于是，两位科学家用两种放射性同位素磷-32与硫-35分别标记了噬菌体的DNA和蛋白质，然后追踪它们在后代中的去向。
实验结果表明，噬菌体后代中的磷-32要远超硫-35，这就证明DNA通过繁衍进入了后代体内，DNA就是遗传物质。
豌豆杂交证明了遗传是依靠基因的重新分配而非泛生子的融合，肺炎链球菌实验与噬菌体实验揭示了遗传物质的真面目——DNA。除此之外，我们依然一无所知。遗传就像一部“无字天书”，我们拿到了书，却无法解读其中的信息。
科学家们发现，DNA分子由四种简单的碱基分子构成：腺嘌呤（A），胸腺嘧啶（T），鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。这四种碱基分子首尾相连，形成诸如A-T-C-G-C-A……的超长链条。
而1953年，DNA双螺旋结构横空出世，人们发现，DNA分子是由两条这样的碱基长链相互配对并呈现螺旋状的结构。而配对原则也是固定的，即A和T，C和G。
为什么会是这种结构呢？这是因为在遗传过程中，DNA遵循半保留复制的原则。这种固定的配对，保证DNA两条单链上携带的遗传信息是等同的，在传递过程中，DNA会首先解离螺旋并形成两条单链，这些单链进入子代，然后各自复制另外一条单链，于是就有了与父代一模一样的DNA。
在后代的DNA双螺旋中，有一半来自父代，一半在子代体内合成，这就是“半保留”复制。
DNA这种简洁而精妙的结构，很好的解决了遗传信息的传递问题。但如此简洁的碱基长链，携带的遗传信息很有限，它们是如何塑造出万紫千红的大千世界呢？这就要提到我们耳熟能详的蛋白质。地球生物的蛋白质是由20多种氨基酸分子首尾相连形成的长链，然后通过堆叠形成复杂的空间结构，从而造成生物丰富多彩的性状。
而DNA的碱基分子只有4种，要编码20多种氨基酸，该如何做到呢？
我们可以简单计算一下：如果1个碱基编码一种氨基酸，那么最多可以编码4种氨基酸，显然不够；2个，就是4^2=16种，还是不够；3个，就是4^3=64种，够用；4个，就是4^4=256种，太浪费了……在无数的编码方式种，大自然恰恰选择了足够丰富多样又非常节约的一种——3个碱基编码一个氨基酸。
如今，这64种组合已经被人们全部破译，这其中，包含3种特殊的组合，它们不编码蛋白质，而是表示终止信号，标志着氨基酸的编码完成。
在DNA分子种，绝大多数的碱基序列并非用来编码蛋白质，而是参与到各种调节当中，这增加了遗传以及生物的复杂度。而DNA也并不直接指导合成蛋白质，而是要通过一个中间桥梁——RNA。RNA的出现，又为整个遗传过程增加了一层新的复杂度。
如果说，DNA-蛋白质意味着生命的核心，那么，那些看起来没有任何实际作用的遗传密码，作为调节或者催化因子，就让生物变得丰富多彩，并具有更强的适应性。
这一部分，我们来探讨基因与疾病的关系，以及在基因医疗的初期，人们所面临的困境和灾难。
我们前面提到，基因控制着人体蛋白质的合成，而蛋白质又决定了人体各种性状的表达，比如皮肤的颜色、单双眼皮等等。如果基因发生了突变，势必会影响蛋白质的合成与功能，从而对人类的健康产生重大的影响。
目前被发现的由于基因突变而导致的遗传病已有很多，比如镰刀形红细胞贫血症，就是负责编码血红蛋白的基因发生了变异，导致合成的血红蛋白不是正常的圆饼状，而是不规则的镰刀状，从而失去了运输氧气的能力，导致患者贫血。
这里有一个有趣的现象，在经历漫长的自然选择后，很多可以致命的遗传变异并没有被淘汰，而是被保留了下来。比如“囊肿性纤维化”，是一种很严重的且无药可治的疾病，在北欧人群中发病率很高。这种疾病会导致肺部、胰腺等很多器官水肿，严重时危及生命。
它是因为人类7号染色体上名为CFTR的基因发生突变而产生的。既然如此危险，为何还能得以保留呢？原来，只有来自父母双方的染色体都发生了变异，后代才会罹患这种疾病，而如果只携带一方的变异基因，后代不仅不会得病，还会获得额外的生存优势，比如对霍乱、疟疾等传染病的抵抗力。
我们假设，正常的CFTR基因为A，发生突变的为a，如果父母的基因都是Aa，那么，他们的后代会有1/4的概率罹患上述疾病，而有1/2的概率获得额外的生存能力，剩余1/4的概率既不会得病，也没有额外好处。大自然做了一个残酷的计算题，用1/4的牺牲，换来更高的存活率。这在传染病肆虐的年代，显得尤为重要。
上述这些疾病，都与特定基因的变异有关，属于特定的遗传病。而我们生活中很多常见的疾病，其实也与基因息息相关。
比如，现在近视发病率的逐年上升，除了与过度用眼，姿势不良等因素有关，也与近视易感的基因变异有很大的关系。哪怕是摔跤骨折，也很有可能是因为遗传因素导致骨质疏松，从而增加了骨折的概率。
可见，基因几乎与我们所有的疾病都息息相关。
既然基因与我们的疾病关系如此密切，而它又是生命遗传的本源，如果我们能够通过技术手段修复异常的基因，让其正常表达，岂不是可以一劳永逸、彻底铲除顽疾？这比服用外源性的药物或外科手术不知要好多少倍。
理论上的确是这样，但到目前为止，哪怕基因技术已有很多突破，但基因医疗依然存在很多障碍。伦理问题，医疗事故，一次次重头再来，让基因医疗的发展缓慢而艰难。
从1990年基因医疗被首次应用于人体算起，全球至今享受基因技术所带来的福祉的幸运儿才不过千人。但也不用悲观，人类技术发展的加速度是越来越快的，或许在不久的将来，人类就可以掌握精确的基因修复技术。
那么如今，基因医疗能做什么呢？有一种名为重症联合免疫缺陷病的遗传病，致病原因是第20号染色体上名为ADA的基因发生变异，无法合成相应的蛋白质，从而让患者几乎失去了免疫能力。
按照“缺啥补啥”的逻辑，如果要通过基因手段去直接治疗，大致有两种思路：一种是体外合成这种蛋白，然后注射回患者体内，就像糖尿病患者注射胰岛素一样。
由于人工合成蛋白的效率很低，这种方法需要将正常的ADA基因重组到微生物（如大肠杆菌、酵母菌等）的基因上，由微生物来大量合成这种蛋白。
这种方法的好处是治疗门槛低，但有一个重要的问题，就是必须定期注射这种蛋白；另一种方法，就是将正常的ADA基因直接引入患者体内，从而让患者恢复合成相应蛋白的能力，这样就摆脱了永无止尽的蛋白注射。
相比之下，后一种方式显得更加“一劳永逸”，这也正是基因医疗的魅力所在。但相应的，实现难度也更大。毕竟，注射蛋白通过针头就可以解决，而要将DNA序列引入细胞，无论是从空间尺度和精度，还是从人体细胞的数量规模来看，都是相当困难的。
因此，医生和科学家们不得不再一次借助大自然的力量，利用微生物，来作为运载DNA的载体。而这种微生物，就是让人们谈之色变的——病毒。
相比于科学家自己制造的基因载体，病毒可以说是天生的运载基因的高手。它们不仅尺寸小，可以轻易进入人体细胞，而且它们的特性或者说生存方式简直与遗传物质的扩散浑然天成。
自然界的绝大部分病毒无法独自生存，必须寄生在宿主（比如人体）体内才能生息繁衍。它们通常的方式就是利用各种伪装进入宿主细胞，然后将自己的遗传物质安插在宿主细胞的遗传物质之后，这样，每当宿主细胞进行复制时，就会把病毒也一起复制，病毒就是这样在宿主体内扩散开来。
于是，科学家们尝试删除病毒中原本致病的基因序列，导入需要运载的基因片段，并将这些改造后的病毒载体注射到患者体内，取得了巨大的成效。
上世纪90年代，美国安德森医生通过这种方式治好了两名重症联合免疫缺陷病的患者，点燃了全球基因医疗的激情。科学家、医生以及各种资本疯狂涌入该领域，人们似乎看到了伟大的前景与希望，然而事实证明，这仅仅只是一次技术泡沫，当泡沫散尽，便是一地鸡毛。
1999年，一位名叫基辛格的少年在接受基因治疗的临床试验时死亡。经过调查，临床试验并没有明显的过失，那么问题出在哪？当然是作为载体的病毒。科学家和医生们被病毒天才般的运输基因的能力蒙蔽了双眼，而忽视了病毒对于人体潜在的威胁。
哪怕去除了病毒原本的致病基因，它依然是病毒，依然会被人体的免疫细胞识别。当大量的病毒载体进入人体内，就有可能激发人体的免疫反应，造成大量的“杀伤性武器”聚集，从而对人体本身也造成损伤。而基辛格正是因为病毒载体引发的强烈免疫反应而死亡。
除了这一桩悲剧，在2003年，5名正在接受基因治疗的儿童患上了白血病，这无异又给了基因医疗领域沉重一击。而这次悲剧的始作俑者，依然是病毒。
我们利用病毒将外源基因片段插入人体的DNA序列时，忽略了一个细节：这个基因片段会插在哪？如果插在重要区域，导致原本的基因序列被破坏，就有可能引发更为严重的疾病。
而在这次悲剧中，医生所采用的莫罗尼小鼠白血病病毒载体，恰好就破坏了患者的与白血病密切相关的基因，从而让他们患上了白血病。
这两次悲剧，让基因医疗蒙上了一层阴霾，也让这种治疗技术饱受公众的质疑。但正是这种窘境，让科学家们冷静下来，开始重新审视和调整基因技术，而这又孕育了希望。
在经过10年的沉寂之后，2012年，人类历史上第一款基因治疗药物诞生。之后，又有许多基因治疗产品经过严苛的审查之后成功问世，基因治疗重新开始了漫漫的征程。
上世纪90年代的两次医疗事故，让人们意识到了以病毒作为载体的基因医疗技术的局限性和风险性。而除此之外，基因医疗还面临另外一个难以逾越的障碍。
之前，人们遵循“缺啥补啥”的逻辑，尝试用各种办法去补充人体缺失的基因或功能，但是，如果基因变异并不是导致功能缺失，而是产生了不该有的“新功能”，那么又该怎么办呢？
比如一种名为亨廷顿舞蹈症的遗传病，就是由于人体基因获得新“功能”而导致的。这种新“功能”，会使HTT蛋白自发聚合，形成巨大块状沉淀，从而影响神经细胞的功能，使患者肢体不受控制的随机舞动。像这种遗传病，就没法通过“补”来解决，因为无处可补。于是，人们开始将目光转向对基因更为精准的操作，基因编辑也应运而生。
基因编辑和之前利用病毒来补充人体缺失的基因不同，它更倾向于对基因进行外科手术般的精准操作，比如用“手术刀”删除某些多余的基因片段，在精确的点位上“缝合”上所需的碱基序列，或者将错误的碱基替换成正确的碱基等等。
从逻辑上讲，这个过程并不复杂，也很好理解。但实际操作起来却困难重重：首先，没有合适的工具，人类所创造的最袖珍的工具在纳米级层面也显得巨大无比，无法执行基因的剪切或缝合工作；其次，人类基因组有30亿个碱基对，如何精准确定操作点位，也是一件极其困难又风险巨大的事情，毕竟一旦找错了点位，就有可能引发更为严重的疾病。
然而，睿智的科学家们再一次借用了大自然的鬼斧神工，他们遵循着之前的经验，尝试从自然界去寻找天然剪刀和针线。事实上，绝大部分的生物医疗工具都是取自于自然界。
比如维多利亚多管水母体内的绿色荧光蛋白，被用于追踪细胞内各种物质的生产和运输；细菌制造的用于毒杀鳞翅目昆虫的蛋白质被移植到棉花上，就形成了如今的转基因抗虫棉。而面对困难重重的基因编辑，大自然又给我们送来了一根“黄金手指”——锌手指蛋白。
前面我们提到，人类的基因通过指导不同功能的蛋白质的合成，控制着不同性状的表达。
然而，人类所有细胞中的DNA几乎一致，那么不同的器官如何去表达不同的性状呢？这就需要一种被称为转录因子的蛋白质，它可以精确的定位不同蛋白质对应的碱基序列，找到其起始点，然后转录RNA，再由RNA指导合成相应的蛋白质。
也就是说，转录因子就像是针对DNA分子的GPS，想合成什么蛋白质，它就可以迅速找到其在DNA上的起始点位。
而锌手指蛋白就是这样一类特殊的转录因子，通过把它的序列拆散重组，我们就能得到任意长度、任意组合的序列，从而获得定位人类基因组序列中任意点位的能力。
锌手指蛋白可以说是人类梦寐以求的基因定位工具，那么它到底是如何精确定位DNA序列，又是如何被科学家们发现的呢？
故事要追溯到上个世纪。美国华盛顿大学圣路易斯分校的罗伯特·里德，利用生物化学方法，首次从细胞中提取了RNA聚合酶。这种酶负责完成DNA到RNA的转录过程，它就像是流水线上的工人一样，根据DNA的碱基序列，装配出一条条RNA长链。
里德和他的学生们在试管中模拟出细胞的环境，然后将提取出的DNA、RNA聚合酶以及作为原料的碱基分子混合在一起，成功的合成出了新的RNA长链，这在当时是一种辉煌的成就。
但对于严谨到近乎严苛的里德来讲，这场胜利并不完美，因为他们所提取的DNA并不是纯净的DNA分子，而是复杂缠绕、折叠的染色体。谁也不知道，其中是否掺杂了一些不为人知的蛋白质，在悄悄地发挥着作用。那么，实验的结果也就无法完全让人信服。
于是，里德继续他的实验，通过化学方法将染色体上多余的蛋白质全部去除，得到纯净的DNA分子，然后和RNA聚合酶、碱基分子混合到一起。结果让人大跌眼镜，整个系统失灵了，没有合成新的RNA。这就意味着，的确有其他蛋白质参与了RNA的转录过程。
为了搞清楚这其中的秘密，里德和他的学生们开始了长达三年的追寻之旅。他们将细胞打碎，将其中所有的蛋白质提取出来，按照性状和尺寸分类，然后不停地反复实验，逐渐缩小范围，最终找到了隐藏在背后的“推动者”，也就是我们前面提到的转录因子。
在这些转录因子中，有一个名为TFIIIA的转录因子有着神奇的特性。里德发现它除了辅助合成5SRNA以外，对其他任何RNA都无动于衷。这说明，它能够快速而精准的识别出5SRNA的碱基序列。面对30亿个碱基组成的DNA长链，TFIIIA又是如何做到的呢？
经过研究发现，TFIIIA蛋白中含有DNA序列的识别模块，每一个模块是由多个氨基酸以及游离的锌离子构成，呈现一个类似手指的立体结构（这也是“锌手指蛋白”名称的由来），而每一根手指，恰好对应一个DNA3碱基序列。
而TFIIIA正是由9个这样的模块串联而成。效仿TFIIIA，科学家们就可以制造出能够精准定位任意DNA序列的锌手指蛋白，基因编辑从此迈出了坚实的一步。
锌手指蛋白的诞生带给了人们希望，但也经历了一些波折。科学家发现，锌手指蛋白和DNA3碱基序列并非完美的对应，前者的结构要比后者略大，这样就导致我们在将多个锌手指串联组合成特定的识别序列时，锌手指之间相联的部位有可能出现一定程度的干扰，而这种干扰会导致无法与DNA顺利结合，从而失去作用。
当然，聪明的科学家总是有办法，虽然过程异常复杂，但人们还是可以通过筛选和计算，来组合所需的“黄金手指”。只是，这背后的海量的计算和筛选难度，筑起了高高的技术壁垒，为基因编辑的顺利发展埋下了隐患。
好，现在我们有了基因组GPS，那么要完成整个基因编辑，我们还需要剪刀和针线。
1996年，美国约翰·霍普金斯大学的斯利尼瓦桑·钱德拉塞格兰找到了一把很好用的基因组剪刀——限制性内切酶。
这种酶是由基因序列识别模块和剪刀组成，可以在特定点位切断DNA双链，我们只需要把它的后半段剪刀提取出来，和组装好的锌手指蛋白结合在一起，就可以在我们需要的位置进行剪切操作。至此，基因组GPS和剪刀都有了，就差针线了。
而针线相对更简单，毕竟DNA是生命体内最重要的遗传物质，为了保证生命在千万年的进化中，在无数次的细胞分裂和复制中不出现错误，细胞自身已经进化出了DNA的修复机制，来补救偶尔出现的DNA断裂的情况。
主要有两种方式：一种很直接，找到2个DNA断点，直接“粘”起来；另一种相对谨慎，找到DNA断点后不是直接粘上，而是在附近找与其相似的DNA序列，然后以它为模版进行修复。
这两种方法各有所长，比如我们要删掉某一个基因，用前一种方法简单快捷，但如果要替换或者修复原有基因，则需要使用后一种方法。
终于，人们掌握了基因编辑所需的全部技术要素，基因组GPS、剪刀、针线都以齐备，基因编辑是否可以一往无前了呢？
答案是：否。
有人可能会有疑问，既然人们在20世纪90年代就已经备齐了基因编辑所需要的各种技术要素，为何到了20年后的今天，基因医疗或药物依然没有得到大规模的普及，甚至还只是停留在临床试验阶段呢？这就要从医疗领域的技术专利说起。
大家都知道，任何一项新的发明或创造都需要技术专利的保护，以防止抄袭，医疗领域也不例外。医疗公司要发明一项新技术或者新的药物，需要投入数亿甚至数十亿的资金，如果没有专利保护，竞争公司只要买一盒新药，分析一下化学成分，就很容易生产出仿制药，这对于创新和技术发展无疑是一种巨大的打击。
因此，在生物制药行业，国家一般都会给予技术专利20年的保护期，在保护期内，只有原创者能够生产这种新药物，这保障了医药公司研发新技术的动力。
看到这里，大家应该明白是怎么回事了。还记得前面提到的锌手指蛋白的筛选和组合的技术壁垒吗？位于美国加利福利亚的圣加蒙公司正是利用专利垄断了锌手指蛋白技术，其他任何企业或研究室要想进一步研究锌手指蛋白，就必须获得圣加蒙公司的授权，这无疑是对技术发展的一大阻碍。
而圣加蒙公司之所以能够垄断相关技术，背后也隐藏着一盘大棋。该公司的老板很早就瞄准了锌手指蛋白，我们前面提到的凡是在基因编辑领域作出重大发现和贡献的研究室、科学家，都以不同的形式加入圣加蒙公司或被其收购，凡是与锌手指蛋白相关的人物或成果，都被圣加蒙公司纳入囊中，想不垄断都难。
一项本来可以造福人类的技术就这样被关进了牢笼，在封闭的环境中缓慢前行。
然而，科学家们并不会就此妥协，他们一直在积极寻找新的思路和方法，打造全新的基因编辑平台，以绕过圣加蒙公司的专利壁垒。而这一次，他们也成功了。
由于圣加蒙公司的专利壁垒，科学家们开始努力打造全新的锌手指技术平台，他们不仅获得了成功，还取得了一系列新的成果，从而让基因编辑摆脱了对锌手指蛋白的依赖，“基因编程”的时代正式开启了。
我们在计算机编程领域经常会提及“开源”，比如Linux、Android等操作系统都是开源的，而这一点在基因医疗领域也同样适用。圣加蒙公司利用专利壁垒将锌手指蛋白技术封闭了20年，而同时，“愤愤不平”的科学家们则一直致力于打造一个开源的基因编辑平台。
这其中的代表人物要数基思·郑，他曾经也为锌手指蛋白技术的诞生作出了卓越的贡献。但当他的导师加入圣加蒙公司时，他选择了留下，并成立了独立实验室。而他的目标，就是亲手打破由自己参与建设的锌手指蛋白的技术壁垒。
他的努力得到了回报，2008年，在经过了10年的艰苦探索之后，他和同事们打造出了名为“OPEN”的开源锌手指蛋白组装平台。而他们所采用的方法，相比圣加蒙公司更加简单粗暴，简单来讲，就是组装出所有可能合适的锌手指蛋白，然后逐个测试，找出其中最合适的组合。
这个方法逻辑简单，但实际操作异常繁琐，然而，随着计算机技术的发展，利用算法去预测和判断，大大提高了筛选的效率，也使得这种暴力破解的方法最终修成了正果。
不过，上帝总是喜欢开一些不大不小的玩笑，正当基思·郑苦心研发开源平台并取得成果时，人们又发现了一种新的蛋白，这种蛋白可以和DNA精确对应，似乎在一瞬间，锌手指蛋白本身又被彻底颠覆了。
锌手指由于无法和DNA序列精确对应，导致要组装合适的锌手指蛋白，需要大量的筛选和计算，难度高，效率低。那么，自然界经过千万年的进化，是否存在其他的能与DNA序列精确对应的基因组GPS呢？还真有。
来自德国马丁路德·哈乐维腾贝格大学的细菌学家乌拉·伯纳斯一直致力于研究一种植物寄生细菌——野油菜黄单胞菌。
这种细菌和其他寄生虫一样，需要寄宿在宿主体内才能生存繁衍，但不同的是，它们自身个头太大，无法进入宿主细胞，而是通过将一种名为AvrBs3的蛋白“注射”到宿主体内，来控制植物细胞合成它们生存所需的一切物质。
伯纳斯发现，AvrBs3蛋白可以精密地控制植物细胞合成细菌所需的蛋白，很明显，它具备精确定位DNA序列的能力，可以只启动特定的DNA序列。
在经过长达数十年的研究后，伯纳斯在不同的细菌中都发现了类似的蛋白，它们的作用机理和锌手指蛋白也类似。
不同的地方就在于，一个锌手指由30个氨基酸组成，可以粗略对应DNA3碱基序列，而一个“神话”手指由34个氨基酸组成，可以精确对应一个DNA碱基。“神话”手指与DNA碱基一一对应的关系，意味着它可以“完全可编程”。
“神话”蛋白优良的性能，让科学家们在锌手指蛋白之外，看到了新的希望。
2011年，年轻的华裔科学家张锋和合作者组装出了全新的“神话”蛋白，将“神话”蛋白与基因组剪刀拼接在一起，可以实现对基因精确而高效的编辑。
“神话”蛋白的降临，宣告了锌手指蛋白的落幕，至此，人类正式迎来基因编程的时代。
“神话”蛋白虽然在组装上有着极大的优势，但依然存在问题。
一个锌手指由30个氨基酸组成，对应DNA3碱基序列，3碱基序列正好对应一个蛋白质。而一个“神话手指”由34个氨基酸组成，仅对应一个DNA碱基，这意味着，要想定位一个蛋白质，需要将3个“神话手指”串联，即102个氨基酸。
这让“神话”蛋白的体积太大，这就造成两个方面的问题：一个是载体病毒的容量有限，“神话”蛋白体积太大，会让载体病毒空间捉襟见肘；另一个问题是，科学家们在组装“神话”蛋白时会耗费大量的时间和精力，而且容易出错。
这种缺陷似乎预示着，“神话”蛋白也很难延续其传奇。的确，仅仅过了一年时间，一种名为CRISPR的新技术，就将“神话”蛋白远远地甩在了身后。
CRISPR很早就被日本科学家发现于大肠杆菌之中，但当时只是觉得它的结构比较奇特，并没有引起人们足够的重视。之后，科学家们又在完全不同类型的多种细菌中，都发现了CRISPR的身影，这就意味着它并不是进化遗留下来的毫无用处的废品，而是对细菌有着重要的意义。
于是，科学家们开始深入研究，他们发现，CRISPR的序列与一些病毒的DNA序列高度一致，而这些病毒恰恰是专门入侵细菌的噬菌体。每当病毒入侵细菌之后，幸存下来的细菌就会将入侵者的DNA序列记录在CRISPR中，这样，它们和后代就拥有了抵御该种病毒入侵的能力。
那么CRISPR是怎样帮助细菌抵抗病毒的呢？科学家发现，CRISPR序列也可以转录成RNA，这些RNA会与细胞内某种蛋白质结合，这种cas蛋白像哨兵一样在细菌体内巡逻，与它遇到的所有DNA序列进行比对，一旦发现能够与CRISPRRNA匹配的DNA序列，就激活cas9蛋白将其切割，这样就达到了防止病毒入侵的目的。
也就是说，CRISPR具备识别DNA与切割DNA的能力。
除此之外，由于不需要进行DNA与氨基酸之间的转换，CRISPR与DNA的识别效率为1:1，相比之下，锌手指蛋白为1:30，“神话”蛋白为1:102。这种理论上不可逾越的高效率让CRISPR成为超轻量级的基因组GPS。而CRISPR也迅速被应用于开发新一代的基因编辑技术。
很快，人们就开发出了CRISPR/cas9技术，通过CRISPR转录的向导RNA，让cas9蛋白精准切割任意位置的DNA序列，并极大的提高了基因编辑的效率。
而这种技术的降临，也标志着“神话”蛋白再次被颠覆。
在几十年的发展中，基因编辑经历了锌手指蛋白、“神话”蛋白以及CRISPR/cas9的技术变迁，经历了一次又一次的颠覆与挑战，已经变得足够高效与成熟。然而，对于人类的健康医疗而言，还并不能算是高枕无忧。
虽然CRISPR/cas9技术已经足够完美，但依然存在问题。
首先CRISPRRNA的识别容错性很高，哪怕DNA序列有部分碱基不匹配，也有可能激活cas9蛋白进行切割，这就是我们所谓的“脱靶”效应；其次是老生常谈的问题，CRISPR/cas9的体型很庞大，甚至比锌手指蛋白还大，这会对载体病毒的容量产生相当大的考验；最后，通过CRISPR/cas9人工制造基因缺陷的技术虽然已经成熟，但要修复有缺陷的基因，还存在不小的挑战。
在健康医疗领域，基因编辑还有很长的路要走。但在农业食品领域，却已经有了重大的突破。在之前，转基因食品的安全性一直被很多人诟病，因为它们引入了一些新的、“有毒”的基因。
比如很多转基因玉米中，都引入了苏云金芽孢杆菌的基因，这些基因可以有效地杀死鳞翅目昆虫。人们一直担心，这些对昆虫有毒的基因，会不会也对人体造成损害；还有转基因三文鱼，人们也担心其中会不会有意想不到的毒素。
而采用基因编辑技术，可以有效的绕开转基因食品的安全性问题，因为我们不需要在农作物中引入新的基因，只需要修改原有的基因。
比如糖类在高温下会变成致癌物，科学家用“神话”蛋白破坏了土豆的一个基因，使得土豆中的淀粉不会分解，这样就会减少我们在烹饪时产生的致癌物；还有我们现在常吃的瘦肉型肉猪，也是由于猪体内抑制肌肉生长的基因被破坏而产生出来的。
基因编辑有机会彻底终结人们围绕转基因食品安全问题的争论，而在不远的未来，它一定还会在更多的领域取得更大的突破，对于人类生命产生不可估量的影响。
虽然基因编辑技术在健康医疗领域还存在很多问题，但这无法阻止人类进行探索的脚步。上世纪90年代，科学家尝试对重症联合免疫缺陷病进行基因治疗，而如今，人们已经相继启动了对艾滋病、肺癌的基因治疗实验。
这三种疾病虽然风马牛不相及，但在基因治疗上有一个共同特点，科学家们都是从淋巴细胞入手，希望借助对淋巴细胞的基因改造，来达到治疗的目的。
为什么都选择淋巴细胞呢？首先淋巴细胞在身体内流动，它是活动的，相比其他组织或器官的细胞，更易获得；其次它是人体免疫细胞，本身就是用来对抗疾病的，我们只需要让淋巴细胞能够精确识别致病的物质，它们就可以自行消灭病原体，这在逻辑和操作上相对更简单。
比如四川大学华南医院攻克肺癌的思路，就是将患者体内的淋巴细胞取出，破坏其中一个基因，重新激活其战斗力，再注射回患者体内去杀死癌细胞。
这种基因医疗的模式可以简单的总结为：“来自人体——体外处理——体内治疗”。这种模式除了上述好处外，还有一个好处就是安全，没有引入外源DNA，就可以避免一些意想不到的风险。
而它的进化路线也很明显，即“来自人体——体内处理——体内治疗”。对于那些不易获取的人体细胞，比如神经细胞，我们可以通过基因手术刀、针线直接作用于它们，就像真正的外科手术一样，这对于人体固定的器官，或许是唯一的方式。
那么接下来的进化方向呢？我们可以大胆想象，目标细胞一定要来自患者体内吗，来自体外行不行呢？答案是肯定可以，虽然外源细胞很容易发生免疫反应，但只要我们删除这些细胞上的识别标志，给它们换上“迷彩服”，不就可以躲过免疫细胞的攻击了吗？
科学家也这么做了，一位名叫蕾拉的小女孩患有急性淋巴细胞白血病，她自身的淋巴细胞已被破坏，无法使用。于是，医生们改造了骨髓捐献者的淋巴细胞，删除了其识别标志，然后移植到蕾拉体内进行治疗。
可以想象，利用外源DNA或细胞来治疗疾病将是非常关键的一步，因为只有这样，医疗公司才有机会量产具有普适治疗效果的药物，才有可能普惠大众。
然而，这依然不是基因编辑的终点，未来还有更广阔的空间在等待我们。
我们前面提到的各种基因治疗模式也好，从“体内获取”进化到“体外获取”也好，都是在讲治疗，也就是患者罹患疾病之后，但如果我们把目标前移，将重点放在预防上呢，岂不是可以帮助人们减少更多苦难？
比如人人都畏惧艾滋病，但世界上有1的白种人天生就免疫艾滋病，他们体内缺少一种CCR5蛋白，使得艾滋病病毒识别不到免疫细胞因而无法入侵。如果我们通过基因编辑破坏掉人们体内的CCR5基因，不就可以让人们永久免疫艾滋病了吗？
更大胆的设想，我们前面提到细菌体内的CRISPR系统，可以让细菌记录各种病毒的DNA序列，从而获得各种病毒的抵抗力。如果我们将这种系统也复制到人体细胞中，在人体内打造具有各种致病病毒数据库的CRISPR系统，不就可以抵抗各种病毒的入侵了吗？
还有，我们通过基因组测序，提前发现体内易导致癌变的基因突变，就可以提前采取措施，将癌症扼杀在摇篮中，比如影视明星安吉丽娜·朱莉，就主动切除了自己的乳腺和卵巢，因为她患癌的机率远超常人。
我们可以看到，如果将基因编辑从“治疗”扩展到“预防”，虽然很合理，但技术的边界也被无限放大，这就导致从“预防”到“增强”也成了理所当然。
既然基因可以编辑，那么为了追求美丽、健壮以及利润，人们必然会想到去改变自身性状，比如让皮肤更白嫩，让眼睛更大，让身体更强壮等等。甚至，通过改造生殖细胞，来精准打造自己想要的小孩，创造出近乎完美的“超人类”。
届时，我们的伦理能否限制住人们的欲望，监管能否跟得上技术发展的速度，人们会否因为基因编辑而登上“造物主”的神坛，人类社会与文明又将走向何方？一切都还不得而知。
不过幸运的是，目前基因编辑还处于初级阶段，我们还有足够的时间来规范和调整，未雨绸缪，相信基因编辑可以给人类带来福音，而不是噩梦。
基因，是这个世界所有生命的本源。我们研究基因，其实也是在研究生命传承的真谛。整个基因编辑的进化历史，也是一部人类追寻真理、对抗疾病的历史。
从中，我们不仅可以感受到人类对于了解自身、改善自身的渴望，对于追求真理的执着，同时也对生命进化历程中所产生的各种神奇而深感敬畏。
