世界上最小的录音机是由微生物

通过一些巧妙的分子攻击,哥伦比亚大学医学中心的研究人员自然细菌的免疫系统转换为微观数据记录器,筹备成立一个新类的技术使用细菌细胞从环境监测疾病诊断。

研究人员修改一个普通实验室无处不在的人类肠道微生物大肠杆菌菌株,使细菌不仅记录他们的与环境的相互作用,而且时间戳的事件。

“这种细菌,吞下了一个病人,可以记录通过整个消化道,他们经历的变化产生前所未有的视图之前无法访问的现象,”哈里斯说,部门助理教授CUMC病理学和细胞生物学和系统生物学和资深作者在新工作,在今天的《科学描述。其他应用程序可以包括环境感知和基本生态和微生物学的研究,细菌可以监控否则无形的变化而不打断他们的环境。

小王和他的实验室建立了微观数据记录器利用CRISPR-Cas,免疫系统在许多种类的细菌。CRISPR-Cas入侵病毒的DNA片段,以便后续副本一代又一代的细菌可以更有效地排斥这些病原体。因此,细菌基因组的CRISPR位点积累的序时记录细菌病毒和它的祖先能生存下来。当相同的病毒再次感染,CRISPR-Cas系统可以识别并消除它们。

“CRISPR-Cas系统是一种天然的生物记忆装置,”王说。“从工程的角度来看,实际上是相当不错的,因为它已经被磨砺进化的系统很好的存储信息。”

CRISPR-Cas通常使用它记录序列的DNA检测和削减传入的噬菌体。这个DNA的特异性切割活动使CRISPR-Cas基因治疗研究的宠儿,谁修改了它做出精确的培养细胞的基因组的变化,实验动物,甚至人类。事实上,在十几个现在正在进行临床试验,通过CRISPR-Cas基因疗法治疗各种疾病。

但Ravi Sheth,研究生在王的实验室,看到潜在CRISPR-Cas的录音功能未实现。“当你想到记录暂时改变与电子信号,或一个录音…这是一个非常强大的技术,但是我们在想如何规模这活细胞自己吗?”Sheth说。

构建微型录音机,Sheth和王实验室的其他成员修改一段DNA质粒,使它能够创造更多的副本在细菌细胞,以应对外部信号。一个单独的记录质粒,硬盘记录器和标志,表示CRISPR-Cas系统的组件。在缺乏外部信号,只有录音质粒是活跃,细胞增加了副本的间隔CRISPR位点在基因组序列。当外部信号检测的细胞,另一个质粒也激活,导致插入的序列。结果是一个混合的背景序列,记录时间和信号序列,根据细胞的环境变化。研究人员可以检查细菌CRISPR位点和使用计算工具来阅读记录和时机。

当前论文证明了系统可以处理至少三天同步信号和记录。

“现在我们计划看看各种标记可能改变自然的变化或疾病状态下,在胃肠道系统或其他地方,”Wang博士说。

合成生物学家曾使用CRISPR存储诗,书,在DNA和图像,但这是第一次CRISPR被用来记录细胞活动和这些事件的时间。

这篇文章被转载材料所提供的哥伦比亚大学医学中心。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。

参考
多路传输记录的细胞事件随着时间的推移CRISPR生物带。拉维Sheth,唱太阳严,费利克斯·l·吴哈里斯·h·王。科学2017年11月23日:DOI: 10.1126 / science.aao0958。