將活細(xì)胞想像成微型計(jì)算機(jī)，只要有足夠精確的讀寫“硬件”，就可以記錄和處理單核苷酸突變和DNA片段，而不是位和字節(jié)。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家剛剛介紹了這種硬件。它的核心是CRISPR基礎(chǔ)編輯系統(tǒng)，可以將胞嘧啶(C)導(dǎo)入胸腺嘧啶(T)突變，以引導(dǎo)RNA靶向的DNA片段。

CRISPR基礎(chǔ)編輯系統(tǒng)可以在“位水平”可靠地覆蓋DNA，因?yàn)榕c普通的CRISPR基因編輯系統(tǒng)不同，這些系統(tǒng)不會(huì)使DNA遭受雙鏈斷裂。普通的CRISPR基因編輯系統(tǒng)依賴于細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制，這可能導(dǎo)致不確定的突變結(jié)果，從而限制了可以存儲(chǔ)的信息量。

借助CRISPR基礎(chǔ)編輯的應(yīng)用，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家可能會(huì)帶來(lái)Cellular Computation 2.0。他們創(chuàng)建了一個(gè)名為DOMINO(基于DNA的有序內(nèi)存和迭代網(wǎng)絡(luò)操作員)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于記錄細(xì)胞生命中許多事件的強(qiáng)度，持續(xù)時(shí)間，序列和時(shí)間安排，例如暴露于某些環(huán)境中。化學(xué)藥品。然后可以處理細(xì)胞“記憶”，以便一個(gè)事件或一系列事件將觸發(fā)另一個(gè)事件，例如熒光蛋白的產(chǎn)生。

“我們需要更好的策略來(lái)揭示復(fù)雜生物學(xué)的工作原理，尤其是在癌癥之類的疾病中，可能發(fā)生多種生物學(xué)事件，將正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為患病細(xì)胞，”麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，醫(yī)學(xué)博士Timothy Lu說(shuō)。博德學(xué)院。Lu和同事(包括Schmidt科學(xué)研究員Fahim Farzadfard博士)開發(fā)了DOMINO，以超越現(xiàn)有策略的記錄和擴(kuò)展功能。

“通過[DOMINO]，我們將DNA用作存儲(chǔ)帶來(lái)永久記錄疾病中發(fā)生的生物學(xué)事件，” Lu闡述道。“這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們更深入地了解隨著時(shí)間的推移，哪些信號(hào)會(huì)上升和下降，從而推動(dòng)疾病的發(fā)展。”

有關(guān)DOMINO的詳細(xì)信息出現(xiàn)在8月22日的《分子細(xì)胞》雜志上，標(biāo)題為“ 活細(xì)胞中的單核苷酸分辨率計(jì)算和記憶 ”。根據(jù)這篇文章，DOMINO可用于編碼細(xì)菌和真核細(xì)胞中的邏輯和記憶。 。

該文章的作者寫道：“ DOMINO操作員可以通過模擬和數(shù)字分子記錄來(lái)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)信號(hào)動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞事件。” “此外，可以將多個(gè)算子進(jìn)行分層和互連，以對(duì)順序無(wú)關(guān)，順序和時(shí)間邏輯進(jìn)行編碼，從而可以記錄和控制細(xì)胞中分子事件的組合，順序和時(shí)間。”

DOMINO是由操作員單元組成的模塊化系統(tǒng)。每個(gè)單元由一個(gè)堿基編輯器(與胞苷脫氨酶融合的Cas9的非切割變體)和一個(gè)指導(dǎo)RNA組成，該RNA與其在基因組上的互補(bǔ)序列結(jié)合，并將堿基編輯器募集到該序列。一旦招募，基礎(chǔ)編輯器就可以引入C to T突變。

可以設(shè)計(jì)DOMINO操縱子中的指導(dǎo)RNA，使其僅在先前事件首先將某種突變引入該序列后才能結(jié)合其靶序列。因此，為了使基本編輯器進(jìn)行更改，必須已進(jìn)行了先前的更改，以便可以進(jìn)行下一個(gè)更改。如果特定序列發(fā)生突變，則可以進(jìn)行下一步。如果它沒有突變，那么下一步就不會(huì)發(fā)生。

Farzadfard解釋說(shuō)：“您可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使輸入的每種組合都為您提供獨(dú)特的突變特征。” “從該簽名中，您可以判斷出輸入的哪種組合。”

研究人員使用DOMINO創(chuàng)建可以執(zhí)行邏輯計(jì)算的電路，其中包括AND和OR門可以檢測(cè)多個(gè)輸入的存在。他們還創(chuàng)建了可以記錄以一定順序發(fā)生的事件級(jí)聯(lián)的電路，類似于多米諾骨牌掉落的陣列。

大多數(shù)以前版本的細(xì)胞存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)要求通過對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序來(lái)讀取存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器。但是，該過程會(huì)破壞細(xì)胞，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。在這項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)了電路，使最終輸出可以激活綠色熒光蛋白(GFP)的基因。通過測(cè)量熒光水平，研究人員可以估算出積累了多少突變，而不會(huì)殺死細(xì)胞。

目前，該團(tuán)隊(duì)已使用該技術(shù)記錄了數(shù)小時(shí)的事件。但是他們希望他們可以改善時(shí)間分辨率，并使其適合于記錄在更快的時(shí)間尺度上發(fā)生的細(xì)胞事件。他們還計(jì)劃將DOMINO的應(yīng)用程序擴(kuò)展到高度并行的計(jì)算和記錄，以處理和詢問更復(fù)雜的生物事件。

Lu表示：“這種類型的生物計(jì)算是一種獲取和處理信息的令人興奮的新方式。” “這是利用單元中自然內(nèi)存和計(jì)算功能的長(zhǎng)期途徑的一部分。”

DOMINO的潛在應(yīng)用包括創(chuàng)建激活某些信號(hào)分子時(shí)產(chǎn)生GFP的小鼠免疫細(xì)胞，研究人員可以通過定期從小鼠采集血液樣本進(jìn)行分析。

研究人員說(shuō)，另一個(gè)可能的應(yīng)用是設(shè)計(jì)可以檢測(cè)與癌癥有關(guān)的基因活性的電路。還可以對(duì)此類電路進(jìn)行編程，以打開產(chǎn)生抗癌分子的基因，從而使系統(tǒng)能夠檢測(cè)和治療疾病。Lu指出：“這些應(yīng)用程序可能與現(xiàn)實(shí)世界的使用相距甚遠(yuǎn)，但肯定會(huì)通過這種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。”