2020年诺贝尔化学奖授予美国科学家Jennifer Doudna和法国科学家Emmanuelle Charpentier，表彰她们在基因研究方面的卓越贡献。
这两位女科学家在2012年发表的“CRISPR-Cas9”基因编辑技术被认为是发现DNA双螺旋结构以来生物学上最重要的发现，引起轰动，那一篇论文被许多人称之为神圣(divine)论文。
许多获得诺贝尔奖的研究都是纯理论的，比如杨振宁的“宇称不守恒理论”就是毫无实用价值的东西。而这两位的研究不仅有理论上的重大突破，还有巨大的现实意义，使基因编辑成为现实。
基因工程是一个非常复杂的东西，这里简单说一下，不知道说不说得清楚，欢迎基因工程方面的专家指证。
先复习一下基因常识：
我们都知道基因是遗传信息载体，而DNA(脱氧核糖核酸)又是基因载体，基因是DNA长链中的一个区段，一个DNA分子包含几个至几千个基因。每个基因包含成千上万个碱基对序列，基因的遗传信息就藏在这些碱基对序列中。
DNA是双螺旋结构，有两条链，两个链条中间由A、T、G、C四个碱基配对连接，看起来就像一个扭曲的梯子。DNA分子很长，缠到一起就形成染色体(染色以后可以在显微镜下看见)。
人类有23对染色体，有两个副本，从父母那里各继承了一套副本。因此DNA的两条链中的一条携带着父亲的基因，另一条携带着母亲的基因，子女的基因就是父母双方基因的组合。
基因的功能只有一个，那就是储存制造蛋白质的蓝本/说明书(instructions)，人体有大约2.0-2.5万个基因，与之相应也有2万多种蛋白质。蛋白质决定人体各部的特征和功能，诸如身高、眼睛颜色、头发类型、免疫力等等，是遗传的基本单位。而制作蛋白质的信息又由基因代码编写，基因代码就是DNA链条上的碱基对序列。
计算机的代码由「0、1」两个数组成，文字、图像、视频，任何东西最后都要转换成0和1计算机才能够识别。而基因的代码由「A、T、G、C」四个碱基组合，人类DNA有的30亿个碱基对，所以基因代码比计算机代码复杂多了。更重要的是我们知道计算机代码的语法，而却不知道基因代码语法，计算机语言是人类创造的，基因语言是物种亿万年进化形成的。人类要彻底解读基因代码还任重道远。
下面谈一下基因工程：
世上的物种千差万别，但归根结底就是一个差别：基因差别。
所有的生物都来自于同一个生命祖先，这个祖先的后代为了适应各自的生存环境而产生了基因突变，有了新的基因组合，逐渐分化形成了不同的物种，这是自然基因工程。所谓的物种进化过程就是基因改变过程。据说世界上所有蓝眼睛的人都来自于同一个祖先，这个祖先的一次基因突变失去了部分眼睛色素。
自从有了人类以后，就有了人工基因工程，人类开始了有目的性的杂交育种，把鸡变成肉鸡、蛋鸡、斗鸡各种类，更是杂交出各种各样的狗猫等宠物。这种改变基因的过程并不需要科技知识，只要凭观察和经验就行了。
1865年奥地利牧师孟德尔发表了他对植物杂交实验的结果。孟德尔用皱皮豌豆和光皮豌豆做杂交实验，注意到杂交后代有些是光皮，有些是皱皮，还有些是半光半皱，有些皱皮到了第三代又变成了光皮。经过八年的杂交实验和观察，他摸清楚了这之间的关系，提出了遗传因子的概念，阐述了显性遗传、隐性遗传、和隔代遗传的概念。虽然孟德尔还不知道遗传因子的结构和存在方式，但却准确的阐述了遗传规律，奠定了现代遗传学基础。
由于豌豆要一年才能得到结果，时间拖得太长，后来美国遗传学家摩根改用果蝇做实验，果蝇繁殖速度快，而且果蝇眼睛颜色的遗传特征明显，便于观察。摩根观察到了基因变异现象，发现了遗传学的连锁互换规律，进一步完善孟德尔遗传学。
但由于人们不知道遗传基因的结构，以上的所有遗传学研究都集中在杂交育种上，通过多代筛选，不断的改变父母的搭配来得到所需个体。比如中国水稻专家袁隆平把耐旱水稻和高产水稻杂交而得到既耐旱又高产的水稻，这不是什么科学实验，就是重复的杂交育种，要花很长时间。
直到1953年，美国分子生物学家沃森和英国物理学家克里克提出著名的DNA双螺旋结构模型，发现DNA是基因载体并确定了基因的结构。这个划时代的发现使遗传学进入分子遗传学时代。这两人1962年获得诺贝尔生理学医学奖。
知道了基因的分子和化学结构，接下来就是绘制人类基因图和解读基因密码。这项工程可不容易，人类基因有30亿个碱基对，要何年何月才能全部搞清？
1990年，由美国牵头发起了全球合作的《人类基因组计划》(human genome project)，这是一项规模宏大，跨国跨学科项目。出乎人们的预料，这个项目进展神速，比预定计划提前三年完成，仅用十年时间就绘制出了人类基因图和DNA的所有碱基排序，虽然大部分功能还不清楚。
这次成功除了国际合作，参与的科研机构多以外，更主要的是私企的竞争。有一个美国科学家(Craig Venter)成立了一家公司，利用一种叫做“散弹枪测序”技术和高速计算机，能够一次测试几千个碱基对，解破基因的速度大大的加快。这下引起了学术界的恐慌，怕这家伙申请专利，今后使用他发现的基因就要交费。所以参加《人类基因组项目》的各研究所也拼尽全力加速绘制基图谱，抢先发表，双方展开激烈竞争。
后来美国克林顿总统和英国首相联名呼吁不要把人类基因谱私有化和财产化，应全部对外公开。最后这家公司响应号召，没有申请基因专利。听说这家公司和其他相关生物公司的市值一下损失了500亿美元，等于白干了。
自从发现了DNA的双螺旋结构以后，美国的生物和农业科技公司就一直在研究转基因农作物，想通过改变基因培养出高产、耐早、防病虫的农作物。过去都是采用杂交育种，但这太慢了，如今直接植入相关基因就行了，比如把两种细胞溶到一起，染色体人工配对等。这些都在实验室进行，出结果很快。
但这种方法有一个问题，无法精确控制基因插入，随机性很强，往往会产生怪胎，所以只运用于动物和植物，而没用在人身上。
基因结构的发现给遗传病患者带来了希望，我们都知道遗传病就是基因病变和缺失造成的。我们现在已经知道了人类所有的基因，而且已经找出主要遗传病的病变基因，甚至知道哪个碱基发生了病变，下一步就是切下坏基因，换上好基因。
但问题就在这里，怎么才能切换病变基因？总不能用剪刀剪下旧基因，再用线缝上新基因吧？这一直是困扰分子生物学家的难题。
直到本文开头提到的那两位女科学家发现了精准切割DNA的CRISPR-Cas9技术，这才使基因编辑成为可能，下面就谈谈这个发现。
基因编辑：
人们早就注意到DNA里只有1%是基因，那么剩下的99%DNA片断是干什么的？有些DNA片断提供辅助功能，但绝大部分DNA片断的功能仍然不清楚。
1987年，日本微生物学家石野良纯发现DNA中有一种重复出现的特殊片段，根据其结构取名为CRISPR(这是一长串英文名字的缩写)，但不知道其功能。
2005年，一个生产酸奶酵母的公司苦于酵母生产过程中常出现病毒感染，就自己研发抗病毒的酵母菌。一个研究员注意到有些酵母对病毒有免疫力。进一步研究发现那些有免疫力的酵母有一个共同点，就是它们的CRISPR区段里含有病毒的DNA片段。这些外来的病毒DNA对酵母的功能没有影响，反而提高了酵母对病毒的免疫力。
这个发现公布后，引起了前面提到的那两位女科学家的关注，在一次学术会议上两人聊起这个话题，并决定联手研究这一课题。
她们的研究得出了几个重大发现：
首先，DNA不仅是基因载体，还是一个数据库，储存大量外来信息。DNA中的CRISPR就是储存病毒信息的地方。
第二，一旦有外来DNA入侵，寄主的免疫系统就到数据库里去查询比较，如果发现外来的DNA与CRISPR里储存的病毒DNA相同，就知道这是病毒入侵，立即杀死。原来CRISPR是病毒黑名单，记录入侵的敌人，准备好了杀敌武器。
第三，这个杀死病毒的武器是一个与CRISPR伴生的酶，叫做Cas。酶是一种蛋白质，其功能就是分解物质。Cas酶有个特点，可以精准的切割DNA链条，所以又叫剪刀酶或核酸酶。
通过一系列研究，这两个女科学家终于搞明白了酵母菌的免疫机理：被病毒功击过的酵母菌记住了病毒的DNA，当病毒再次入侵时就会将其抓住，然后调动剪刀酶把病毒DNA剪断。
这个发现让她们产生了一个想法，可不可以用剪刀酶Cas去切割病变的癌症基因，从而达到治疗癌症和遗传病的目的？
但如何才能把病变基因的位置告诉Cas？
谈这个问题要先说一下RNA，RNA和DNA的结构相似，但只有一条链，RNA也可以携带基因。RNA和DNA的功能区别是：DNA储存基因信息，RNA运输基因信息。
RNA就是个传递信息的使者。当需要制造蛋白质时，细胞就将储存在DNA内的相关基因转录成一份RNA，由RNA把制造蛋白质的信息送到蛋白质工厂照本生产。
同样的，当酵母菌被病毒感染时，酵母菌就将储存有病毒DNA的CRISPR转录成RNA，RNA再将信息转交给CRISPR的专用杀手Cas，告诉Cas暗杀目标。
如果我们能够设计一种RNA，让这种RNA传递假信息，告诉Cas某个病变基因是入侵的病毒，Cas就会剪掉这段基因，这不就达到切割病变基因的目的了吗！
这是一个好主意啊！现在已经可以在实验室培植RNA，可以合成携带任何基因编码的RNA，为什么不试试呢？这两位女科学家就开始做这方面的实验，按照CRISPR的结构设计RNA，并在RNA里加入需要切割的病变基因序列，然后把RNA注射到体内。结果正如所料，这个体外合成的RNA找到了CRISPR的专用杀手Cas，Cas遵循RNA的指令，精准切断目标基因，呼啦！大功告成！
坏的基因片段被剪掉了，接下来就是插入新的基因片段。幸运的是大多数情况下不需要这一步，DNA会自动修复。遗传病一般都是来自于父母一方，所以只需要剪掉DNA双链的一条就行了。比如剪掉来自父方的病变基因，与之相对应的母方基因就会根据自身的结构复制一段补上。这样一来，父体的病变基因就被母体的正常基因取代，神奇吧？
当然也有些情况需要人工修复断裂的DNA，现在也有了修复方法，那是专业知识，这里就不多述了。
以上就是这两位女科学家的发明：体外合成RNA来指引Cas找到切割目标。
这项发明使人们有了精准切换基因的工具，前景无限。这样下去人类可以根据自己的意愿修改基因，身高、智力、肤色、长像、寿命都可以改，改了以后还可以传给后代。不过这也有些恐怖，如果不加以控制，不知道会产生什么后果，会不会搞出一个Frankenstein？
前一段时间有个中国教授用CRISPR-Cas9技术对两名婴儿进行基因改造，而使其获得了艾滋病的天生抗性。此做法引起了学术界震撼和指责，那个教授还被判了三年刑。这也引起了人们对修改人类基因所带来的安全和伦理问题的争论。
这项发明还引出了其他应用，比如新冠RNA疫苗。传统的灭活疫苗是把病毒杀死后注射人体，人体的免疫系统发现新冠病毒外表的冠状蛋白后就会产生相应的抗体。而RNA疫苗不使用病毒本身，而是把病毒冠状蛋白的基因转录到RNA，再把RNA注射入人体，让RNA通知细胞的蛋白质工厂生产冠状蛋白，制造假病毒。RNA疫苗的优点是可以预估病毒的变化来设计疫苗，而不用慢慢等待病毒变种的出现。而且修改RNA的设计可以在电脑上轻松完成，改变几个编码而已，几分钟的事。
顺便说一句，美国在网上就可以订购RNA，也可以免费下载各种基因编码。要不要自己试一下基因编辑，把自己变成高白帅？国外就有疯狂的年轻人这么干过，叫生物黑客(biohacking)。
2020年诺贝尔化学奖授予美国科学家Jennifer Doudna和法国科学家Emmanuelle Charpentier，表彰她们在基因研究方面的卓越贡献。
这两位女科学家在2012年发表的“CRISPR-Cas9”基因编辑技术被认为是发现DNA双螺旋结构以来生物学上最重要的发现，引起轰动，那一篇论文被许多人称之为神圣(divine)论文。
许多获得诺贝尔奖的研究都是纯理论的，比如杨振宁的“宇称不守恒理论”就是毫无实用价值的东西。而这两位的研究不仅有理论上的重大突破，还有巨大的现实意义，使基因编辑成为现实。
基因工程是一个非常复杂的东西，这里简单说一下，不知道说不说得清楚，欢迎基因工程方面的专家指证。
先复习一下基因常识：
我们都知道基因是遗传信息载体，而DNA(脱氧核糖核酸)又是基因载体，基因是DNA长链中的一个区段，一个DNA分子包含几个至几千个基因。每个基因包含成千上万个碱基对序列，基因的遗传信息就藏在这些碱基对序列中。
DNA是双螺旋结构，有两条链，两个链条中间由A、T、G、C四个碱基配对连接，看起来就像一个扭曲的梯子。DNA分子很长，缠到一起就形成染色体(染色以后可以在显微镜下看见)。
人类有23对染色体，有两个副本，从父母那里各继承了一套副本。因此DNA的两条链中的一条携带着父亲的基因，另一条携带着母亲的基因，子女的基因就是父母双方基因的组合。
基因的功能只有一个，那就是储存制造蛋白质的蓝本/说明书(instructions)，人体有大约2.0-2.5万个基因，与之相应也有2万多种蛋白质。蛋白质决定人体各部的特征和功能，诸如身高、眼睛颜色、头发类型、免疫力等等，是遗传的基本单位。而制作蛋白质的信息又由基因代码编写，基因代码就是DNA链条上的碱基对序列。
计算机的代码由「0、1」两个数组成，文字、图像、视频，任何东西最后都要转换成0和1计算机才能够识别。而基因的代码由「A、T、G、C」四个碱基组合，人类DNA有的30亿个碱基对，所以基因代码比计算机代码复杂多了。更重要的是我们知道计算机代码的语法，而却不知道基因代码语法，计算机语言是人类创造的，基因语言是物种亿万年进化形成的。人类要彻底解读基因代码还任重道远。
下面谈一下基因工程：
世上的物种千差万别，但归根结底就是一个差别：基因差别。
所有的生物都来自于同一个生命祖先，这个祖先的后代为了适应各自的生存环境而产生了基因突变，有了新的基因组合，逐渐分化形成了不同的物种，这是自然基因工程。所谓的物种进化过程就是基因改变过程。据说世界上所有蓝眼睛的人都来自于同一个祖先，这个祖先的一次基因突变失去了部分眼睛色素。
自从有了人类以后，就有了人工基因工程，人类开始了有目的性的杂交育种，把鸡变成肉鸡、蛋鸡、斗鸡各种类，更是杂交出各种各样的狗猫等宠物。这种改变基因的过程并不需要科技知识，只要凭观察和经验就行了。
1865年奥地利牧师孟德尔发表了他对植物杂交实验的结果。孟德尔用皱皮豌豆和光皮豌豆做杂交实验，注意到杂交后代有些是光皮，有些是皱皮，还有些是半光半皱，有些皱皮到了第三代又变成了光皮。经过八年的杂交实验和观察，他摸清楚了这之间的关系，提出了遗传因子的概念，阐述了显性遗传、隐性遗传、和隔代遗传的概念。虽然孟德尔还不知道遗传因子的结构和存在方式，但却准确的阐述了遗传规律，奠定了现代遗传学基础。
由于豌豆要一年才能得到结果，时间拖得太长，后来美国遗传学家摩根改用果蝇做实验，果蝇繁殖速度快，而且果蝇眼睛颜色的遗传特征明显，便于观察。摩根观察到了基因变异现象，发现了遗传学的连锁互换规律，进一步完善孟德尔遗传学。
但由于人们不知道遗传基因的结构，以上的所有遗传学研究都集中在杂交育种上，通过多代筛选，不断的改变父母的搭配来得到所需个体。比如中国水稻专家袁隆平把耐旱水稻和高产水稻杂交而得到既耐旱又高产的水稻，这不是什么科学实验，就是重复的杂交育种，要花很长时间。
直到1953年，美国分子生物学家沃森和英国物理学家克里克提出著名的DNA双螺旋结构模型，发现DNA是基因载体并确定了基因的结构。这个划时代的发现使遗传学进入分子遗传学时代。这两人1962年获得诺贝尔生理学医学奖。
知道了基因的分子和化学结构，接下来就是绘制人类基因图和解读基因密码。这项工程可不容易，人类基因有30亿个碱基对，要何年何月才能全部搞清？
1990年，由美国牵头发起了全球合作的《人类基因组计划》(human genome project)，这是一项规模宏大，跨国跨学科项目。出乎人们的预料，这个项目进展神速，比预定计划提前三年完成，仅用十年时间就绘制出了人类基因图和DNA的所有碱基排序，虽然大部分功能还不清楚。
这次成功除了国际合作，参与的科研机构多以外，更主要的是私企的竞争。有一个美国科学家(Craig Venter)成立了一家公司，利用一种叫做“散弹枪测序”技术和高速计算机，能够一次测试几千个碱基对，解破基因的速度大大的加快。这下引起了学术界的恐慌，怕这家伙申请专利，今后使用他发现的基因就要交费。所以参加《人类基因组项目》的各研究所也拼尽全力加速绘制基图谱，抢先发表，双方展开激烈竞争。
后来美国克林顿总统和英国首相联名呼吁不要把人类基因谱私有化和财产化，应全部对外公开。最后这家公司响应号召，没有申请基因专利。听说这家公司和其他相关生物公司的市值一下损失了500亿美元，等于白干了。
自从发现了DNA的双螺旋结构以后，美国的生物和农业科技公司就一直在研究转基因农作物，想通过改变基因培养出高产、耐早、防病虫的农作物。过去都是采用杂交育种，但这太慢了，如今直接植入相关基因就行了，比如把两种细胞溶到一起，染色体人工配对等。这些都在实验室进行，出结果很快。
但这种方法有一个问题，无法精确控制基因插入，随机性很强，往往会产生怪胎，所以只运用于动物和植物，而没用在人身上。
基因结构的发现给遗传病患者带来了希望，我们都知道遗传病就是基因病变和缺失造成的。我们现在已经知道了人类所有的基因，而且已经找出主要遗传病的病变基因，甚至知道哪个碱基发生了病变，下一步就是切下坏基因，换上好基因。
但问题就在这里，怎么才能切换病变基因？总不能用剪刀剪下旧基因，再用线缝上新基因吧？这一直是困扰分子生物学家的难题。
直到本文开头提到的那两位女科学家发现了精准切割DNA的CRISPR-Cas9技术，这才使基因编辑成为可能，下面就谈谈这个发现。
基因编辑：
人们早就注意到DNA里只有1%是基因，那么剩下的99%DNA片断是干什么的？有些DNA片断提供辅助功能，但绝大部分DNA片断的功能仍然不清楚。
1987年，日本微生物学家石野良纯发现DNA中有一种重复出现的特殊片段，根据其结构取名为CRISPR(这是一长串英文名字的缩写)，但不知道其功能。
2005年，一个生产酸奶酵母的公司苦于酵母生产过程中常出现病毒感染，就自己研发抗病毒的酵母菌。一个研究员注意到有些酵母对病毒有免疫力。进一步研究发现那些有免疫力的酵母有一个共同点，就是它们的CRISPR区段里含有病毒的DNA片段。这些外来的病毒DNA对酵母的功能没有影响，反而提高了酵母对病毒的免疫力。
这个发现公布后，引起了前面提到的那两位女科学家的关注，在一次学术会议上两人聊起这个话题，并决定联手研究这一课题。
她们的研究得出了几个重大发现：
首先，DNA不仅是基因载体，还是一个数据库，储存大量外来信息。DNA中的CRISPR就是储存病毒信息的地方。
第二，一旦有外来DNA入侵，寄主的免疫系统就到数据库里去查询比较，如果发现外来的DNA与CRISPR里储存的病毒DNA相同，就知道这是病毒入侵，立即杀死。原来CRISPR是病毒黑名单，记录入侵的敌人，准备好了杀敌武器。
第三，这个杀死病毒的武器是一个与CRISPR伴生的酶，叫做Cas。酶是一种蛋白质，其功能就是分解物质。Cas酶有个特点，可以精准的切割DNA链条，所以又叫剪刀酶或核酸酶。
通过一系列研究，这两个女科学家终于搞明白了酵母菌的免疫机理：被病毒功击过的酵母菌记住了病毒的DNA，当病毒再次入侵时就会将其抓住，然后调动剪刀酶把病毒DNA剪断。
这个发现让她们产生了一个想法，可不可以用剪刀酶Cas去切割病变的癌症基因，从而达到治疗癌症和遗传病的目的？
但如何才能把病变基因的位置告诉Cas？
谈这个问题要先说一下RNA，RNA和DNA的结构相似，但只有一条链，RNA也可以携带基因。RNA和DNA的功能区别是：DNA储存基因信息，RNA运输基因信息。
RNA就是个传递信息的使者。当需要制造蛋白质时，细胞就将储存在DNA内的相关基因转录成一份RNA，由RNA把制造蛋白质的信息送到蛋白质工厂照本生产。
同样的，当酵母菌被病毒感染时，酵母菌就将储存有病毒DNA的CRISPR转录成RNA，RNA再将信息转交给CRISPR的专用杀手Cas，告诉Cas暗杀目标。
如果我们能够设计一种RNA，让这种RNA传递假信息，告诉Cas某个病变基因是入侵的病毒，Cas就会剪掉这段基因，这不就达到切割病变基因的目的了吗！
这是一个好主意啊！现在已经可以在实验室培植RNA，可以合成携带任何基因编码的RNA，为什么不试试呢？这两位女科学家就开始做这方面的实验，按照CRISPR的结构设计RNA，并在RNA里加入需要切割的病变基因序列，然后把RNA注射到体内。结果正如所料，这个体外合成的RNA找到了CRISPR的专用杀手Cas，Cas遵循RNA的指令，精准切断目标基因，呼啦！大功告成！
坏的基因片段被剪掉了，接下来就是插入新的基因片段。幸运的是大多数情况下不需要这一步，DNA会自动修复。遗传病一般都是来自于父母一方，所以只需要剪掉DNA双链的一条就行了。比如剪掉来自父方的病变基因，与之相对应的母方基因就会根据自身的结构复制一段补上。这样一来，父体的病变基因就被母体的正常基因取代，神奇吧？
当然也有些情况需要人工修复断裂的DNA，现在也有了修复方法，那是专业知识，这里就不多述了。
以上就是这两位女科学家的发明：体外合成RNA来指引Cas找到切割目标。
这项发明使人们有了精准切换基因的工具，前景无限。这样下去人类可以根据自己的意愿修改基因，身高、智力、肤色、长像、寿命都可以改，改了以后还可以传给后代。不过这也有些恐怖，如果不加以控制，不知道会产生什么后果，会不会搞出一个Frankenstein？
前一段时间有个中国教授用CRISPR-Cas9技术对两名婴儿进行基因改造，而使其获得了艾滋病的天生抗性。此做法引起了学术界震撼和指责，那个教授还被判了三年刑。这也引起了人们对修改人类基因所带来的安全和伦理问题的争论。
这项发明还引出了其他应用，比如新冠RNA疫苗。传统的灭活疫苗是把病毒杀死后注射人体，人体的免疫系统发现新冠病毒外表的冠状蛋白后就会产生相应的抗体。而RNA疫苗不使用病毒本身，而是把病毒冠状蛋白的基因转录到RNA，再把RNA注射入人体，让RNA通知细胞的蛋白质工厂生产冠状蛋白，制造假病毒。RNA疫苗的优点是可以预估病毒的变化来设计疫苗，而不用慢慢等待病毒变种的出现。而且修改RNA的设计可以在电脑上轻松完成，改变几个编码而已，几分钟的事。
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