Nature：利用DNA打字机读取细胞内的信息

在一项新的研究中，华盛顿大学遗传学者Jay Shendure和他的团队利用他们开发出的一种新的细胞内记录系统来编码文本，对它进行测试。由于他们的发明依赖于一种几乎全新的记录媒介--DNA，他们希望使用能够唤起历史意义的信息。他们把这种系统命名为DNA打字机（DNA typewriter）。相关研究结果于2022年7月6日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A time-resolved, multi-symbol molecular recorder via sequential genome editing”。

虽然DNA打字机证明了它可以将短语像秘密信息一样塞进细胞，但它最强大的潜力在于其他方面。Shendure和他的同事们设想，科学家们将利用这项技术来记录细胞的内部运作。

一种天然的数字媒介

使用DNA来编码信息的想法是借助于这种分子的天然功能。就像计算机软件是用1和0写成的一样，DNA分子使用四个碱基的代码作为生物体内的指令。

DNA打字机并不是第一个这样的打字机，但是，它有多种属性的组合，使它在阐明细胞生物学方面特别有希望。也就是说，它可以捕获大量事件，同时按时间顺序记录它们。

Shendure说，“我们完成了类似于写作的事情。我们可以创建数以千计的符号，我们称之为条形码，并且我们可以按顺序捕捉它们。”

迄今为止，Shendure团队对该系统进行了调整，以适应多达4096个条形码，每个条形码是一个短的DNA片段。DNA打字机每次从左到右只打下一个条形码。

虽然这样大量的符号对于打出一本小说来说并不是必要的，但它更适合细胞内活动的巨大复杂性。Shendure说，有了这种巨大的记录能力，DNA打字机有望为科学家们提供了一种检查活细胞的新方法--一种无需使用显微镜或破坏细胞以分析它们的典型选择。

了解细胞的一个新窗口

波士顿儿童医院和哈佛医学院的Leonard Zon（未参与开发这种记录系统）认为它有很大的潜力。他在谈到DNA打字机时说，“这是一项迷人的技术，在未来可能有很大的应用。”比如， Zon设想用它的一个版本来监测癌症患者在治疗期间接受连续的化疗剂量的反应。他说，“你基本上可以得到一个历史，了解癌细胞如何对化疗造成的伤害做出反应。”

利用DNA打字机记录和破解较短的数字文本信息。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04922-8。

他说，同样地，科学家们可以用它来研究发育过程中不为人知的方面，例如跟踪早期胚胎最内层细胞中发生的事件，因为它们正在转变为肠道。

从DNA打字机到飞行记录器？

在另一个实验中，Shendure团队将他们的记录系统转向了细胞本身。通过用条形码对分裂的细胞进行标记，他们跟踪了细胞的分裂。在25天后，每个细胞产生了大约120万个后代细胞，他们分析了细胞条形码的模式，以重建它们的家谱。

虽然它追踪了细胞群体的历史，但是这个谱系追踪实验并没有捕捉到它们内部发生的过程，比如Zon提到的损伤或发育步骤。Shendure团队的其他研究描绘了这一额外步骤。

在这项新的研究中，Shendure团队描述了一种对细胞进行基因改造的策略，以便使科学家们感兴趣的分子的遗传密码携带条形码的指令。当这种分子在细胞内开启时，它也会开启条形码。然后DNA打字机开始工作，记录下这种分子的活动。

通过一些额外的基因改造，Shendure和他的团队希望将DNA打字机变成一个类似黑盒子的系统。通过挖掘新的生物事件，提高这种系统的效率，并进行其他改进，他希望构建一种科学家们可以用来恢复一个细胞的详细历史的工具，就像调查员调查飞机失事一样。

他说，“一旦我们把它带到下一个层次，它将会很大的潜力。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Junhong Choi et al. A time-resolved, multi-symbol molecular recorder via sequential genome editing. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04922-8.