研究人員正在開(kāi)發(fā)利用DNA(生物生命藍(lán)圖)作為合成原料的方法，使用昂貴的機(jī)器將大量數(shù)字信息存儲(chǔ)在活細(xì)胞外。但是，如果他們能夠像大量細(xì)菌一樣強(qiáng)迫活細(xì)胞使用他們自己的基因組作為生物硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)記錄信息，然后隨時(shí)可以利用它?這種方法不僅可以開(kāi)辟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的全新可能性，還可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)成有效的記憶裝置，能夠記錄細(xì)胞在其發(fā)育過(guò)程中所具有的分子經(jīng)驗(yàn)，或以時(shí)間順序暴露于壓力和病原體。 。

2016年，由Wyss核心學(xué)院成員George Church博士領(lǐng)導(dǎo)的Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院(HMS)的團(tuán)隊(duì)建立了第一個(gè)基于CRISPR系統(tǒng)的分子記錄器，該系統(tǒng)允許細(xì)胞獲取一些按時(shí)間順序提供的DNA編碼信息，以在細(xì)菌基因組中產(chǎn)生它們作為細(xì)胞模型的記憶?？梢哉{(diào)用作為CRISPR基因座中的序列陣列存儲(chǔ)的信息，并用于重建事件的時(shí)間線。然而，“盡管如此，我們不知道當(dāng)我們?cè)噲D同時(shí)跟蹤大約一百個(gè)序列時(shí)會(huì)發(fā)生什么，或者它是否會(huì)起作用。這很關(guān)鍵，因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是使用這個(gè)系統(tǒng)記錄復(fù)雜生物事件是我們的最終目標(biāo)，“與教會(huì)合作的博士后研究員Seth Shipman博士說(shuō)。

現(xiàn)在，在Nature發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，同一團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中表明，作為首創(chuàng)方法進(jìn)一步發(fā)展的CRISPR系統(tǒng)能夠?qū)⑿畔⒕幋a為數(shù)字化的復(fù)雜信息。人類(lèi)手的形象，讓人想起早期人類(lèi)在洞穴墻壁上繪制的第一批畫(huà)作，以及在活細(xì)胞中制作的第一部電影的序列，一匹奔馬的圖像。

CRISPR系統(tǒng)可幫助細(xì)菌產(chǎn)生免疫力，抵御不同環(huán)境中持續(xù)不斷的病毒襲擊。作為幸存感染的記憶，它捕獲病毒DNA分子并從中產(chǎn)生短的所謂“間隔”序列，其作為位于細(xì)菌基因組的CRISPR基因座中的增長(zhǎng)陣列中的先前元件的上游添加?，F(xiàn)在著名的CRISPR-Cas9蛋白質(zhì)不斷轉(zhuǎn)向這種記憶，以便在它們返回時(shí)摧毀相同的病毒。除了已成為廣泛使用的基因組工程工具的Cas9之外，CRISPR系統(tǒng)的其他部分迄今尚未在技術(shù)上被大量開(kāi)發(fā)。

“在這項(xiàng)研究中，我們展示了我們已經(jīng)設(shè)計(jì)成分子記錄工具的CRISPR系統(tǒng)Cas1和Cas2的兩種蛋白質(zhì)，以及對(duì)最佳間隔物的序列要求的新認(rèn)識(shí)，使得獲得的顯著擴(kuò)大的潛力成為可能?；貞洸⑺鼈兇娣旁诨蚪M中 - 作為可以由外部研究人員提供的信息，或者將來(lái)可以通過(guò)細(xì)胞的自然體驗(yàn)形成的信息，“Church，同時(shí)也是Robert Winthrop遺傳學(xué)教授在哈佛醫(yī)學(xué)院和哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的健康科學(xué)和技術(shù)教授。“進(jìn)一步利用，

為了在更大的尺度上處理復(fù)雜信息，該團(tuán)隊(duì)采用了靜止和移動(dòng)圖像，因?yàn)樗鼈兇砹耸芗s束和明確定義的數(shù)據(jù)集，而電影則提供了細(xì)菌隨著時(shí)間的推移逐幀獲取信息的機(jī)會(huì)。“我們?cè)O(shè)計(jì)的策略基本上可以翻譯數(shù)字信息包含在圖像或幀的每個(gè)像素中以及將幀編號(hào)包含在DNA代碼中，其具有附加序列，并入間隔物中。因此，每一幀都成為間隔物的集合，“該研究的第一作者Seth Shipman說(shuō)道。”然后我們按時(shí)間順序?yàn)橐蝗杭?xì)菌提供了連續(xù)幀的間隔集合，使用Cas1 / Cas2活性將它們添加到它們的CRISPR陣列中?；蚪M。在通過(guò)DNA測(cè)序從細(xì)菌群體中再次檢索所有陣列后，我們終于能夠重建奔馬電影的所有幀以及它們出現(xiàn)的順序。“

在實(shí)現(xiàn)分子記錄的這一新概念的同時(shí)，Shipman與第二作者和博士后研究員Jeff Nivala博士在分析過(guò)程中定義了一系列有價(jià)值的要求，這些要求使得間隔序列可能更容易獲得，并確定了序列阻止它們被收集到不斷增長(zhǎng)的CRISPR陣列中的功能 - 間隔設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和注意事項(xiàng)。

在未來(lái)的工作中，該團(tuán)隊(duì)將專(zhuān)注于在其他細(xì)胞類(lèi)型中建立分子記錄設(shè)備，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以便記憶生物信息。“有一天，我們可能能夠遵循分化神經(jīng)元從早期干細(xì)胞到大腦中高度特化的細(xì)胞類(lèi)型的所有發(fā)育決策，從而更好地理解基本的生物和發(fā)育過(guò)程是如何經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，“希普曼說(shuō)，除了教會(huì)之外，還有神經(jīng)生物學(xué)家和共同作者杰弗里麥克利斯博士，哈佛大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的Max和Anne Wien教授以及干細(xì)胞和再生生物學(xué)教授。 。一旦適應(yīng)特定的范例，該方法還可以產(chǎn)生更好的方法來(lái)產(chǎn)生用于再生療法的細(xì)胞，

“這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)通過(guò)利用活細(xì)胞的生物機(jī)制記錄，存檔和傳播這些信息，推動(dòng)了基于DNA的信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，此外還有可能提供一種研究生物體內(nèi)動(dòng)態(tài)生物和發(fā)育過(guò)程的新方法。這是生物啟發(fā)工程的又一個(gè)例子，“Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber博士說(shuō)，他也是HMS血管生物學(xué)和波士頓兒童醫(yī)院血管生物學(xué)項(xiàng)目的Judah Folkman教授，以及SEAS的生物工程教授。