基因工程技术将活细胞转换成档案数据存储设备捕获、存储和传播信息
通过本杰明Boettner
(波士顿)的研究人员正在开发利用DNA的方法,生物生活的蓝图,作为合成原料储存大量的数字信息以外的活细胞,使用昂贵的机器。但是,如果他们可以强迫活细胞,如大量的细菌,使用自己的基因组生物硬盘,可以用来记录信息,然后随时利用它呢?这种方法不仅可以打开全新的数据存储的可能性,但也被进一步改造成一个有效的记忆装置,可以记录分子细胞有在他们的开发经验,或接触压力和病原体实足的方式。
2016年,一个团队在生物工程研究所和哈佛医学院(HMS)铅Wyss核心教员乔治教堂,博士,建造了第一个基于CRISPR分子记录仪系统,使细胞获得的顺序,DNA-encoded信息来生成一个内存的细菌的基因组作为细胞模型。存储的信息,作为一个数组CRISPR位点的序列,可以回忆,用来重建事件的时间表。然而,“这是有前途的,我们不知道会发生什么,当我们试图跟踪大约一百序列,或如果它工作。这是至关重要的,因为我们的目标是使用这个系统来记录复杂的生物事件作为我们的最终目标,”赛斯船长说,博士,博士后工作与教堂。
现在,在一项新的研究发表在自然,相同的团队在基本原理的实验表明,CRISPR系统,进一步开发首开先河的方法,能够编码信息作为人类的复杂的数字化图像,让人想起第一批绘画画在由早期人类洞穴的墙壁,和一个序列的第一个电影,飞奔的马,在活细胞。
CRISPR系统帮助细菌培养免疫力不断冲击病毒在不同的环境中。幸存下来的记忆感染,它捕获病毒DNA分子并生成短所谓“垫片”序列,作为新元素添加上游的之前的元素越来越多位于细菌基因组的CRISPR位点。现在著名CRISPR-Cas9蛋白质不断诉诸这记忆摧毁病毒当他们返回。除了Cas9,已成为一种广泛使用的基因工程工具,CRISPR系统的其他部分,但是,迄今为止,没有利用技术。
“在这项研究中,我们表明,CRISPR系统的两种蛋白质,Cas1 Cas2,我们改造成一个分子的记录工具,一起新的序列最优间距器要求的理解,使显著比例增大的潜力获得记忆,沉淀在基因组——研究人员提供的信息,可以从外部,或者,在未来,可能是由细胞的自然体验,”罗伯特·温斯洛普教会说,他也是哈佛医学院的遗传学教授,教授在哈佛大学和麻省理工学院健康科学和技术。“进一步利用,这种方法可能存在一种提示不同类型的组织活细胞在自然环境为他们正在记录造型的变化成一个综合了记忆的基因组热点。”
方法复杂的信息在更大的尺度上,团队采取静态及动态图像,因为他们代表约束和明确定义的数据集,而电影,此外,frame-wise细菌获取信息提供了机会。“我们设计策略,本质上是将数字信息包含在每个像素的图像或帧的帧DNA编码,数量,和额外的序列,是纳入间距器。每一帧从而成为逆电流器的集合,”赛斯船长说,这项研究的第一作者。”然后我们提供了按时间顺序连续帧间隔收集人口的细菌,使用Cas1 / Cas2活动,增加他们CRISPR数组的基因组。和检索所有数组后再从DNA测序的细菌数量,我们终于能够重建飞奔的马电影和订单的所有帧出现。”
在实现这个新概念的分子录音,希普曼第二作者和Jeff Nivala博士后博士,在他们的分析,定义了一组有价值的需求,使间隔序列可能更容易获得,并确定序列的特性,防止其收购增长CRISPR数组——间隔设计的守则。
在未来的工作中,团队将专注于建立在其他类型的细胞和分子录音设备进一步工程系统,以便它可以记住生物信息。”有一天,我们可以遵循所有的发展决策,从早期的干细胞分化神经元正在一种高度专业化的细胞在大脑中,从而更好的理解如何精心设计的基本生物学和发育过程,”船长说,除了教堂之外,还指导神经生物学家和作者Jeffrey Macklis博士,生命科学和马克斯和安妮·维恩教授在哈佛大学干细胞与再生生物学教授。一旦适应特定的范例,这种方法也可能导致更好的方法生成细胞再生治疗,疾病模型和药物测试。
“这种突破性技术进步dna信息存储领域的利用活细胞的生物机械记录,存档和传播这些信息,除了可能提供一种新的方式来研究动态活体内生物和发育过程。它是bioinspired工程的另一个例子最好,”医学博士说,唐纳德·因格贝尔Wyss学院创始董事博士,他也是Judah Folkman血管生物学教授HMS和血管生物学程序在波士顿儿童医院,以及海洋生物工程教授。
这项研究是由美国国立精神卫生研究所,国家人类基因组研究所、西蒙斯基金会自闭症研究计划,国家神经疾病和中风研究所,保罗艾伦前沿集团和Wyss研究所。此外,希普曼Shurl和凯库尔奇的生命科学研究基金会的基础。