细胞内基因组编辑的一个主要障碍是细胞本身。

“人类细胞不喜欢吸收东西，”加州大学圣塔芭芭拉分校化学与生物化学系教授Norbert Reich解释道。他解释说，人体细胞已经发展出一种“垃圾处理”机制，可以分离和分解外来蛋白质和其他不需要的生物分子，病原体甚至是受损的细胞结构。因此，对于生物技术，生物制药学和基因组研究和治疗学等领域的人们 - 例如那些使用基因编辑剑桥CRISPR-Cas9技术的人 - 结果只有他们有效绕过这种防御机制并准确引入的能力一样好。蛋白质进入动物细胞。

帝国和他的团队已经开发出这样的方法。他们的技术估计比现有方法效率高100到1,000倍，为用户提供了基因组编辑传递的完整时空控制，实际上可以让他们确切地决定何时何地释放基因组编辑蛋白。

“我们实际上可以击中单个细胞，”Reich说。“我们甚至可以击中细胞的一部分，这样我们就可以将蛋白质释放到细胞的一部分中。但重点是我们可以控制这种切割DNA的蛋白质何时何地被释放“。

Reich的研究小组“Light-Triggered Genome Editing：Cre Recombinase Mediated Gene Editing with Near-Infrared Light”的研究发表在Small杂志上。

最近在生物技术领域取得突破性进展的一项重点是使用基因编辑蛋白 - “分子剪刀”，例如CRISPR，Cas和本研究中的Cre，用于寻找，切割和粘贴靶DNA序列的特定部分。最初是细菌和古细菌用来识别攻击病毒的DNA并将其标记为破坏的防御机制，科学家们已经开发出使用各种蛋白质识别，切割和结合不同长度的碱基对序列的方法。该技术的潜力巨大，范围从确定基因功能和鉴定的基础研究到可以修复细胞水平缺陷的治疗方法。

帝国集团的光触发基因组编辑的关键是空心金纳米球，其上涂有DNA报告链(它们发红色荧光)和Cre重组酶和细胞穿透肽的蛋白质融合。和近红外光。

“所以现在我们有一个归巢装置和一个递送剂，”Reich说，解释说Cre重组酶和肽融合作为靶向系统，当靶细胞进行细胞垃圾处理时发挥作用。

一旦进入细胞，纳米壳被包裹在一个内体 - 一个膜状口袋中，隔离它并将其传递通过细胞。

“但是纳米壳没有做任何事情，因为它们被诱捕了，”Reich说。超快脉冲近红外激光 - 对细胞无害并且在组织穿透方面有效 - 然后针对包埋的纳米壳及其蛋白质涂层。

“近红外波长引起了一件非常有趣的事情，”Reich说。“它导致金纳米壳变得兴奋，它会导致我们所附着的任何东西脱落。”同时，纳米气泡形成，在内体中产生开口并允许其蛋白质内容物逃逸。这些蛋白质现在可以自由地存在于细胞的细胞核中，在细胞核中储存其遗传物质，并通过细胞穿透肽获得进入。并且Cre可以开始寻找，切割和粘贴其记者链进入螺旋线。

该小组的体外实验证明是成功的：经过一段时间的培养后，细胞穿透蛋白质涂层的纳米壳，然后照射，发出红光。

“我们没有设计任何可以使细胞表现不同的东西，”Reich说。“由于这种荧光蛋白，我们制造的细胞看起来会有所不同。”

该论文的主要作者，现任洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后研究员的Dean Morales说：“作为一种基础研究工具，通过时空控制，每个细胞都可以成为一个实验。想象一下，你想研究一定的功能。基因以及它如何通过近邻来改变细胞的行为或其行为。利用等离子体纳米粒子作为天线，我们可以打开或关闭感兴趣的基因，并实时观察其活动的后果。

时空控制还允许那些使用它的人轻易地研究DNA，研究人员承认，重写它具有非常强大的跨代效应。

“在某些情况下，如体细胞突变，并非身体中的每个细胞都需要编辑，”莫拉莱斯说。“控制编辑机器可以在何时何地使用的能力提供了对过程的过渡。这一点的重要性在于，目前的基因编辑方法通常会导致编辑机器在目标细胞中保持活跃状态​​，未知长期的影响。我们的方法以短暂的方式提供编辑机器，从而避免了这个问题。“

该项目的研究也由加州大学圣塔芭芭拉分校的Erin Morgan，Megan McAdams和Amanda B. Chron的共同作者进行。明尼苏达大学的Jeong Eun Shin和Joseph Zasadzinski。