我認(rèn)為我的科研道路不是一系列獨(dú)立的突破，而是一系列由我的好奇心驅(qū)動(dòng)的持續(xù)而系統(tǒng)的探索，這種好奇心在我進(jìn)入基因組編輯領(lǐng)域之前就已經(jīng)形成了。我一直對DNA的微小變化如何重塑整個(gè)生物體，以及進(jìn)化如何從相同的四個(gè)DNA堿基中創(chuàng)造出無限的生物多樣性這些基本問題感到著迷。在職業(yè)生涯早期，我專注于揭示遺傳變異與農(nóng)藝性狀之間的聯(lián)系，這一追求加深了我對支配生命系統(tǒng)的基本邏輯的興趣（見圖1）。
當(dāng)可編程核酸酶出現(xiàn)時(shí)，我的好奇心自然地將我引向了這個(gè)新的前沿領(lǐng)域[1]。我們最初使用鋅指核酸酶（ZFNs），后來擴(kuò)展到了TALENs這兩種早期的基因組編輯方法。我們是第一個(gè)將CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù)應(yīng)用于主要糧食作物的團(tuán)隊(duì)，并報(bào)告了世界上第一株經(jīng)過CRISPR編輯的植物——這一成就被《科學(xué)》雜志評為2013年的年度突破之一[2]。在此基礎(chǔ)上，我的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列精準(zhǔn)編輯策略，擴(kuò)展了植物基因組操作的可能性。通過堿基編輯和引導(dǎo)編輯技術(shù)，我們能夠在植物基因組中高效地實(shí)現(xiàn)單堿基替換、小范圍插入和刪除，精度極高[3-10]。我們還開發(fā)了無需DNA的CRISPR傳遞方法，利用RNA和核糖核蛋白復(fù)合物，從而提高了特異性和生物安全性[11, 12]。我的實(shí)驗(yàn)室率先在植物中實(shí)現(xiàn)了uORF（上游開放閱讀框）編輯，證明了通過工程化上游開放閱讀框可以精細(xì)調(diào)節(jié)基因表達(dá)水平[13, 14]。重要的是，我們團(tuán)隊(duì)對胞嘧啶堿基編輯器脫靶效應(yīng)的仔細(xì)評估改變了該領(lǐng)域的認(rèn)識，并為編輯工具的發(fā)展設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)[15]。
與此同時(shí)，我和我的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)證明TALENs和CRISPR-Cas9可以同時(shí)編輯多拷貝基因的團(tuán)隊(duì)[16]。利用這些技術(shù)，我們培育出了具有優(yōu)異抗白粉病能力的小麥品種。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然生物技術(shù)》雜志上（2014年），后來被選為該期刊20年來最具影響力的論文之一，并被MIT技術(shù)評論評為“10大突破性技術(shù)”之一。經(jīng)過八年的持續(xù)努力，我們發(fā)現(xiàn)了一種補(bǔ)償機(jī)制，可以在不降低產(chǎn)量的情況下實(shí)現(xiàn)抗性基因的引入[17]。這為設(shè)計(jì)抗病優(yōu)良作物提供了一種強(qiáng)大的策略。我們還證明了基因組編輯可以加速野生物種的馴化，為未來的作物開發(fā)開辟了新的途徑[18, 19]。
自2022年以來，AlphaFold2及相關(guān)人工智能工具的突破性成功標(biāo)志著蛋白質(zhì)科學(xué)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這一變化深刻影響了我的研究方向，使我的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了基于人工智能的精準(zhǔn)基因組編輯[20]。我們認(rèn)識到人工智能在揭示結(jié)構(gòu)和功能特征方面的獨(dú)特能力，因此率先實(shí)現(xiàn)了從基于序列到基于結(jié)構(gòu)的酶發(fā)現(xiàn)方法的轉(zhuǎn)變[21]。這種方法大大提高了新堿基編輯酶的發(fā)現(xiàn)效率。我們的發(fā)現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了精準(zhǔn)基因組編輯的工具箱，并克服了大豆堿基編輯和治療性基因傳遞領(lǐng)域長期存在的技術(shù)瓶頸。
在這些發(fā)展中，我的動(dòng)機(jī)從來不僅僅是開發(fā)工具本身，而是探索基因變化的功能空間。每一個(gè)進(jìn)展都反映了一個(gè)更深層次的問題：生物系統(tǒng)是如何創(chuàng)新的，并揭示了如何利用這些創(chuàng)新來造福農(nóng)業(yè)和社會。我早期的探索為后來的工作奠定了基礎(chǔ)：利用新技術(shù)來研究復(fù)雜的生物學(xué)問題。我當(dāng)前研究的一個(gè)主要方向是重新審視生命最古老的進(jìn)化過程之一——從移動(dòng)遺傳元件到可編程免疫系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。通過發(fā)現(xiàn)TranC系統(tǒng)，我和我的團(tuán)隊(duì)證明了V型CRISPR系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅僅是由蛋白質(zhì)變化驅(qū)動(dòng)的，還伴隨著引導(dǎo)RNA的根本重組，其特征是祖先引導(dǎo)RNA的“功能分裂”，而不是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的劇烈變化[22]。這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了CRISPR進(jìn)化中的一個(gè)長期未解之謎，還將TranC確立為下一代基因組工程的一個(gè)緊湊而多功能的平臺。
我們團(tuán)隊(duì)還探討了是否可以利用進(jìn)化的邏輯來輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)。這個(gè)問題促使我們開發(fā)了AiCE，這是一個(gè)整合了人工智能與結(jié)構(gòu)和進(jìn)化約束的人工蛋白質(zhì)進(jìn)化通用框架[23]。與依賴越來越大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，AiCE針對序列空間中的生物學(xué)上有意義的區(qū)域，從而能夠精確高效地識別高適應(yīng)度突變。這種方法挑戰(zhàn)了“更大模型總是表現(xiàn)更好”的假設(shè)，并已經(jīng)培育出一些高性能的酶，包括先進(jìn)的堿基編輯器。將這項(xiàng)工作擴(kuò)展到整個(gè)基因組的操作，我們利用AiCE設(shè)計(jì)的重組酶開發(fā)了PCE平臺，能夠生成從千堿基到兆堿基大小的基因組重排，而不會在編輯后的物種中留下任何基因工具的痕跡[24]（見圖1）。這些進(jìn)展將進(jìn)化洞察轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的策略，用于重寫基因組和設(shè)計(jì)未來的生物系統(tǒng)。
我對進(jìn)化過程的好奇心不僅限于當(dāng)代植物。為了理解基因在其自然環(huán)境中的適應(yīng)性，我們開發(fā)了GRAPE，這是第一個(gè)用于植物的體內(nèi)定向進(jìn)化系統(tǒng)[25]。通過將基因功能與雙生病毒的滾環(huán)復(fù)制機(jī)制相結(jié)合，我們克服了植物細(xì)胞分裂速度慢的限制，這一限制曾經(jīng)使得定向進(jìn)化在植物中難以實(shí)現(xiàn)。GRAPE僅用四天時(shí)間就在一片煙草葉子上完成了一個(gè)完整的進(jìn)化周期，篩選能力達(dá)到了10^5個(gè)遺傳變異，為工程化新的植物基因功能提供了快速而強(qiáng)大的方法。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)了能夠顯著提高作物植物轉(zhuǎn)化效率的新小分子，解決了植物生物技術(shù)中的一個(gè)長期存在的瓶頸問題。這些進(jìn)展為大規(guī)模工程化作物奠定了基礎(chǔ)。
總的來說，我的工作體現(xiàn)了這樣一個(gè)核心信念：通過理解生命如何“重塑”自己，我們可以開始想象和創(chuàng)造未來的作物。我的學(xué)術(shù)旅程涵蓋了植物分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因組編輯、定向進(jìn)化和人工智能等領(lǐng)域，但每個(gè)興趣點(diǎn)都反映了一個(gè)共同的驅(qū)動(dòng)力：對生命系統(tǒng)變化方式的深刻好奇。我的工作不僅僅是為了開發(fā)工具本身，而是出于探索基因變化功能空間的愿望。每一個(gè)進(jìn)展都揭示了一個(gè)更深層次的問題：生物系統(tǒng)是如何創(chuàng)新的，并揭示了如何利用這些創(chuàng)新來造福農(nóng)業(yè)和社會。我早期的探索為我后來的工作定下了模式：利用新技術(shù)作為研究復(fù)雜生物學(xué)問題的工具。我當(dāng)前研究的一個(gè)主要方向是重新審視生命最古老的進(jìn)化過程之一——從移動(dòng)遺傳元件到可編程免疫系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。通過發(fā)現(xiàn)TranC系統(tǒng)，我和我的團(tuán)隊(duì)證明了V型CRISPR系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅僅是由蛋白質(zhì)變化驅(qū)動(dòng)的，還伴隨著引導(dǎo)RNA的根本重組，其特征是祖先引導(dǎo)RNA的“功能分裂”，而不是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的劇烈變化[22]。這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了CRISPR進(jìn)化中的一個(gè)長期問題，還將TranC確立為下一代基因組工程的緊湊而多功能的平臺。
我們團(tuán)隊(duì)還探討了是否可以利用進(jìn)化的邏輯來輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)。這個(gè)問題促使我們開發(fā)了AiCE，這是一個(gè)將人工智能與結(jié)構(gòu)和進(jìn)化約束相結(jié)合的人工蛋白質(zhì)進(jìn)化通用框架[23]。與依賴越來越大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，AiCE針對序列空間中的生物學(xué)上有意義的區(qū)域，從而能夠精確高效地識別高適應(yīng)度突變。這種方法挑戰(zhàn)了“更大模型總是表現(xiàn)更好”的假設(shè)，并已經(jīng)培育出一些高性能的酶，包括先進(jìn)的堿基編輯器。將這項(xiàng)工作擴(kuò)展到整個(gè)基因組的操作，我們利用AiCE設(shè)計(jì)的重組酶開發(fā)了PCE平臺，能夠生成從千堿基到兆堿基大小的基因組重排，而不會在編輯后的物種中留下任何基因工具的痕跡[24]（見圖1）。這些進(jìn)展將進(jìn)化洞察轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的策略，用于重寫基因組和設(shè)計(jì)未來的生物系統(tǒng)。
我對進(jìn)化過程的好奇心不僅限于當(dāng)代植物。為了理解基因在其自然環(huán)境中的適應(yīng)性，我們開發(fā)了GRAPE，這是第一個(gè)用于植物的體內(nèi)定向進(jìn)化系統(tǒng)[25]。通過將基因功能與雙生病毒的滾環(huán)復(fù)制機(jī)制相結(jié)合，我們克服了植物細(xì)胞分裂速度慢的限制，這一限制曾經(jīng)使得定向進(jìn)化在植物中難以實(shí)現(xiàn)。GRAPE僅用四天時(shí)間就在一片煙草葉子上完成了一個(gè)完整的進(jìn)化周期，篩選能力達(dá)到了10^5個(gè)遺傳變異，為工程化新的植物基因功能提供了快速而強(qiáng)大的方法。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)了能夠顯著提高作物植物轉(zhuǎn)化效率的新小分子，解決了植物生物技術(shù)中的一個(gè)長期存在的瓶頸問題。這些進(jìn)展為大規(guī)模工程化作物奠定了基礎(chǔ)。
綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)都指向了我最雄心勃勃的目標(biāo)之一：建立一個(gè)從野生植物框架設(shè)計(jì)未來作物的通用工作流程。通過整合染色體級別的精準(zhǔn)編輯、高效的再生系統(tǒng)、內(nèi)源性基因進(jìn)化以及基于人工智能的性狀設(shè)計(jì)，我們的團(tuán)隊(duì)正在重新定義創(chuàng)造全新作物的含義。我們的目標(biāo)是將抗逆的野生植物Thinopyrum intermedium重新設(shè)計(jì)成多年生、高產(chǎn)、營養(yǎng)豐富的作物——這一努力結(jié)合了進(jìn)化理論、基因組工程和人工智能，以釋放野生植物資源的潛力。
總之，我的工作體現(xiàn)了這樣一個(gè)核心信念：通過理解生命如何“重塑”自己，我們可以開始想象和創(chuàng)造未來的作物。我的學(xué)術(shù)旅程涵蓋了植物分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因組編輯、定向進(jìn)化和人工智能等領(lǐng)域，但每個(gè)興趣點(diǎn)都反映了一個(gè)共同的驅(qū)動(dòng)力：對生命系統(tǒng)變化方式的深刻好奇。我的工作不僅僅是由工具的開發(fā)所驅(qū)動(dòng)，而是由一種不斷超越當(dāng)前知識邊界、揭示生物設(shè)計(jì)原理的好奇心所驅(qū)動(dòng)。
