CRISPR將活細胞轉化為數據存儲設備

研究人員正在開發利用DNA(生物生命藍圖)作為合成原料的方法，使用昂貴的機器將大量數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據存儲的全新可能性，還可以進一步設計成有效的記憶裝置，能夠記錄細胞在其發育過程中所具有的分子經驗，或以時間順序暴露于壓力和病原體。

2016年，由Wyss核心學院成員George Church博士領導的Wyss生物啟發工程研究所和哈佛醫學院(HMS)的團隊建立了**個基于CRISPR系統的分子記錄器，該系統允許細胞獲得按時間順序提供的DNA編碼信息，在細菌基因組中產生它們作為細胞模型的記憶。可以調用作為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，我們不知道當我們試圖同時跟蹤大約一百個序列時會發生什么，或者它是否會起作用。這是至關重要的，因為我們的目標是使用這個系統記錄復雜的生物事件作為我們的最終目標，“Seth Shipman博士說，

現在，在Nature發表的一項新研究中，同一團隊在基礎原理驗證實驗中表明，作為首創方法進一步發展的CRISPR系統能夠將信息編碼為數字化的復雜信息。人類手的形象，讓人想起早期人類在洞穴墻壁上繪制的**批畫作，以及在活細胞中制作的**部電影的序列，一匹奔馬的圖像。

CRISPR系統可幫助細菌產生免疫力，抵御不同環境中持續不斷的病毒襲擊。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基因座中的增長陣列中的先前元件的上游添加。現在**的CRISPR-Cas9蛋白質不斷轉向這種記憶，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系統的其他部分迄今尚未在技術上被大量開發。

“在這項研究中，我們展示了我們已經設計成分子記錄工具的CRISPR系統Cas1和Cas2的兩種蛋白質，以及對**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，同時也是Robert Winthrop遺傳學教授在哈佛醫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據集，而電影則提供了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將圖像或幀的每個像素中包含的數字信息以及幀編號轉換為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，我們按時間順序為細菌群提供連續框架的間隔物集合，使用Cas1 / Cas2活性將它們添加到基因組中的CRISPR陣列中。

在實現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 - 間隔設計的注意事項和注意事項。

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，以便記憶生物信息。“有一天，我們可能能夠遵循分化神經元從早期干細胞到大腦中高度特化的細胞類型的所有發育決策，從而更好地理解基本的生物和發育過程是如何經過精心設計，“希普曼說，除了教會之外，還有神經生物學家和共同作者杰弗里麥克利斯博士，哈佛大學生命科學學院的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，該方法還可以產生更好的方法來產生用于再生療法的細胞，