研究人員正在開發(fā)利用DNA(生物生命藍圖)作為合成原材料的方法，使用昂貴的機器將大量數(shù)字信息存儲在活細胞外。但是，如果他們能夠像大量細菌一樣強迫活細胞使用他們自己的基因組作為生物硬盤驅(qū)動器，可以用來記錄信息，然后隨時可以使用它?這種方法不僅可以開辟數(shù)據(jù)存儲的全新可能性，還可以進一步設計成有效的存儲裝置，能夠記錄細胞在其發(fā)育過程中所具有的分子經(jīng)驗，或以時間順序暴露于應激和病原體。

2016年，由Wyss核心學院成員George Church博士領導的Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛醫(yī)學院(HMS)的團隊建立了第一個基于CRISPR系統(tǒng)的分子記錄器，該系統(tǒng)允許細胞獲取一些按時間順序提供的DNA編碼信息，以在細菌基因組中產(chǎn)生它們作為細胞模型的記憶?？梢哉{(diào)用作為CRISPR基因座中的序列陣列存儲的信息，并將其用于重建事件的時間線。然而，“盡管如此，我們不知道當我們試圖同時跟蹤大約100個序列時會發(fā)生什么，或者它是否會起作用。這很關鍵，因為我們的目標是使用這個系統(tǒng)記錄復雜生物事件是我們的最終目標，“與教會合作的博士后研究員Seth Shipman博士說。

現(xiàn)在，在Nature發(fā)表的一項新研究中，同一團隊在基礎原理驗證實驗中表明，作為首創(chuàng)方法進一步發(fā)展的CRISPR系統(tǒng)能夠?qū)⑿畔⒕幋a為數(shù)字化的復雜信息。人類手的形象，讓人想起早期人類在洞穴墻壁上繪制的一些第一批畫作，以及在活細胞中制作的第一部電影的序列，一匹奔馬。

CRISPR系統(tǒng)可幫助細菌產(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，其作為位于細菌基因組的CRISPR基因座中的生長陣列中的先前元件上游的新元件添加?，F(xiàn)在著名的CRISPR-Cas9蛋白質(zhì)不斷地轉(zhuǎn)向這種記憶，以便在它們返回時摧毀相同的病毒。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上被大量開發(fā)利用。

“在這項研究中，我們展示了我們已經(jīng)設計成分子記錄工具的CRISPR系統(tǒng)Cas1和Cas2的兩種蛋白質(zhì)，以及對最佳間隔物的序列要求的新理解，使得獲得的顯著擴大的潛力成為可能。回憶并將它們存放在基因組中 - 作為可以由外部研究人員提供的信息，或者將來可以通過細胞的自然體驗形成的信息，“Church說，他也是Robert Winthrop遺傳學教授在哈佛醫(yī)學院和哈佛大學和麻省理工學院的健康科學和技術教授。“進一步利用，

為了在更大的尺度上處理復雜信息，該團隊采用了靜止和移動圖像，因為它們代表了受約束和明確定義的數(shù)據(jù)集，而電影則提供了讓細菌隨著時間的推移逐幀獲取信息的機會。“我們設計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像素中以及將幀編號包含在DNA代碼中，其具有附加序列，并入間隔物中。每個框架因此成為間隔物的集合，“該研究的第一作者Seth Shipman說。”然后我們按時間順序為一群細菌提供了連續(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DNA測序從細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。“

在實現(xiàn)分子記錄的這一新概念的同時，Shipman與第二作者和博士后研究員Jeff Nivala博士在分析過程中定義了一系列有價值的要求，這些要求使得間隔序列可能更容易獲得，并確定序列阻止它們進入生長的CRISPR陣列的特征 - 間隔設計的注意事項和不應該做的事情。

在未來的工作中，該團隊將專注于在其他細胞類型中建立分子記錄設備，并進一步設計系統(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)元從早期干細胞到大腦中高度特化的細胞類型的所有發(fā)育決策，從而更好地理解基本的生物和發(fā)育過程是如何編劇，“希普曼說，除了教會之外，還有神經(jīng)生物學家和共同作者杰弗里麥克利斯博士，哈佛大學生命科學的Max和Anne Wien教授以及干細胞和再生生物學教授。 。一旦適應特定的范例，該方法還可以產(chǎn)生更好的方法來產(chǎn)生用于再生療法的細胞，

“這項開創(chuàng)性的技術通過利用活細胞的生物機制記錄，存檔和傳播這些信息，推動了基于DNA的信息存儲領域，此外還有可能提供一種研究生物體內(nèi)動態(tài)生物和發(fā)育過程的新方法。這是生物啟發(fā)工程的又一個例子，“Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber醫(yī)學博士說，他也是HMS血管生物學的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學項目，以及SEAS的生物工程教授。