CRISPR將活細(xì)胞轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備

研究人員正在開發(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驅(qū)動器，可以用來記錄信息，然后隨時可以利用它?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(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)育過程中所具有的分子經(jīng)驗(yàn)，或以時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**個基于CRISPR系統(tǒng)的分子記錄器，該系統(tǒng)允許細(xì)胞獲得按時間順序提供的DNA編碼信息，在細(xì)菌基因組中產(chǎn)生它們作為細(xì)胞模型的記憶。可以調(diào)用作為CRISPR基因座中的序列陣列存儲的信息，并用于重建事件的時間線。然而，“盡管如此，我們不知道當(dāng)我們試圖同時跟蹤大約一百個序列時會發(fā)生什么，或者它是否會起作用。這是至關(guān)重要的，因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是使用這個系統(tǒng)記錄復(fù)雜的生物事件作為我們的最終目標(biāo)，“Seth Shipman博士說，

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。人類手的形象，讓人想起早期人類在洞穴墻壁上繪制的**批畫作，以及在活細(xì)胞中制作的**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基因座中的增長陣列中的先前元件的上游添加?，F(xiàn)在**的CRISPR-Cas9蛋白質(zhì)不斷轉(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(shù)上被大量開發(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**間隔物的序列要求的新理解，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，或者將來可以通過細(xì)胞的自然體驗(yàn)形成的信息，“Church，同時也是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)菌隨著時間的推移逐幀獲取信息的機(jī)會?！拔覀冊O(shè)計(jì)的策略基本上將圖像或幀的每個像素中包含的數(shù)字信息以及幀編號轉(zhuǎn)換為DNA代碼，并且通過附加序列將其合并到間隔物中。因此，每一幀都成為一個間隔物的集合，“該研究的**作者塞思希普曼說。“然后，我們按時間順序?yàn)榧?xì)菌群提供連續(xù)框架的間隔物集合，使用Cas1 / Cas2活性將它們添加到基因組中的CRISPR陣列中。

在實(shí)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，并確定了序列阻止它們被收集到不斷增長的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)。

在未來的工作中，該團(tuán)隊(duì)將專注于在其他細(xì)胞類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?！坝幸惶?，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)育過程是如何經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，“希普曼說，除了教會之外，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)生更好的方法來產(chǎn)生用于再生療法的細(xì)胞，