Science:科学家发明DNA“录音机”,存储细胞记忆

导读:如果细胞会说话,它们应该有很多故事可以告诉我们。它们遇到过哪些分子,它们向邻居传递过哪些信号,它们是如何成长和改变的。研究人员虽然还没能让细胞真正开口说话,但是他们已经发明了一种DNA“录音机”,通过DNA序列存储数据。DNA“录音机”可以记录细胞几个星期的生活史,描述出细胞各种各样的记忆。

如果细胞会说话,它们应该有很多故事可以告诉我们。它们遇到过哪些分子,它们向邻居传递过哪些信号,它们是如何成长和改变的。研究人员虽然还没能让细胞真正开口说话,但是他们已经发明了一种DNA“录音机”,通过DNA序列存储数据。DNA“录音机”可以记录细胞几个星期的生活史,描述出细胞各种各样的记忆。相关研究发表在11月13日的《科学》杂志上。科学家们预想,这一稳定的、可擦除且易于检索的记忆,将会特别适合于诸如环境和医学监测传感器等应用。


    在过去,研究人员通过打开或关闭响应刺激的蛋白的产生,将细胞转化成简单的传感器。 但是每个开关只能记录一项简单的信息,即细胞是否在相应的刺激中暴露过,但不能揭示暴露的时间和程度。


    领导该研究的麻省理工学院的合成生物学家Timothy Lu说:“我们希望细菌可以有一个收集更多信息的记忆系统,那么问题来了,这样的记忆系统是什么样的呢?”


    Lu的团队设定了一个生物程序对活细胞的DNA进行重写。一旦DNA被重写了,即便到细胞死亡的时候,信息依然会存在于遗传物质中。通过测定含有这种重写DNA的细胞中基因的数量,研究人员可以确定信号持续的时间和强度。含有突变基因的细胞越多,表明信号越强、越久。


    这种方法被称为Synthetic Cellular Recorders Integrating Biological Events (SCRIBE),依靠的是反转录子(retrons),反转录子组成一些细菌的遗传系统,产生单链DNA;细菌通常用单链DNA改变它们的宿主。Lu的团队在细菌的细胞中插入一个反转录子,只有当细菌响应特定的刺激(如化学物质、光)时,该反转录子才会开启,产生特定的DNA。


    Lu在他改造的响应光信号和其它常见生物试剂的细胞中测试了SCRIBE。其中一个成功的例子是,SCRIBE成功的让抗生素抗性基因突变的细胞响应光信号的记忆变得特别容易读取。当细胞生长在抗生素存在的环境中时,研究人员可以立刻看到哪些细胞包含新的突变基因。结果还可以通过细菌基因组测序来验证。


    Lu说:“SCRIBE系统还有很多潜在的应用,比如长期记录一种细胞的生存环境。活细胞可以水环境中放上一周,然后收集起来,再测定细胞的DNA,然后判断细胞所处的环境是否含有某种细菌或者毒素。SCRIBE还可以用于推动基础研究。当你从单细胞变成多细胞组织,每个细胞都遇到了不同的信号。SCRIBE可以让研究人员知道,每个细胞是如何来塑造自己的命运的。”


    波士顿大学的生物医学工程师Ahmad Khalil说:“他们做了非常特殊的工作,将DNA转化为可读的形式,书写活细胞的记忆。我觉得这是合成生物学一个非常酷的新方向。”

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