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Nature:重磅!利用CRISPR–Cas系统将数字视频存储到一群细菌的基因组中

来源:本站原创 2017-07-14 07:28


2017年7月14日/生物谷BIOON/---科学家们正在努力利用DNA(即生物学生命蓝图)作为合成原材料在活细胞外面存储大量的数字信息。但是如果他们能够诱导活细胞像大的细菌群体那样使用它们自己的基因组作为能够被用来记录信息并且随后在任何时间能够获取这种信息的生物学硬盘,将会怎么样?这样的一种方法可能不仅为数据存储提供全新的可能性,而且也可经进一步改造后变成一种有效的存储设备,从而可能能够按照时间顺序记录细胞在它们的发育或接触应激和病原体期间的分子经历。

在2016年,美国哈佛大学医学院威斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)核心研究员George Church博士领导的一个研究团队构建出首个基于CRISPR系统的分子记录器(Science, doi:10.1126/science.aaf1175),这就允许细胞获得按照时间顺序提供的由DNA编码的数字信息,从而在作为细胞模型的细菌基因组中存储它们。这种信息在细菌基因组的CRISPR阵列中存储下来,能够被再次获取和用来构建事件发生的时间表。然而,作为Church团队的一名博士后研究员,Seth Shipman博士说,“尽管这是很有希望的,但是我们并不知道当我们试图一次追踪大约100个序列时会发生什么,或者它是否发挥作用。这是至关重要的,这是因为我们旨在利用这种系统记录复杂的生物学事件,这是我们的最终目标。”

如今,在一项新的研究中,Church团队在基础的概念验证实验中证实CRISPR系统能够编码与人类数字化视频一样复杂的信息,这就让人想起早期的人类在洞穴壁表面上绘制的一些图画。他们在活细胞中编码了一部视频短片,该短片的内容是一个人骑着马狂奔时的场景。相关研究结果于2017年7月12日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria”。

CRISPR系统有助细菌在它们的不同环境中对持续的病毒攻击产生免疫力。作为在感染中存活下来的记忆,这些细菌捕获病毒DNA分子,利用它们产生短的所谓的“间隔”序列,并且将这些间隔序列作为新的序列元件添加到不断增加的位于细菌基因组中的CRISPR阵列内。到目前为止,当相同的病毒再次入侵时,CRISPR-Cas9蛋白持续地利用这些间隔序列摧毁它们。然而,除了在基因组工程工具中广泛使用的Cas9之外,CRISPR系统的其他部分迄今为止并没有在技术上得到太多的利用。

Church说,“在这项研究中,我们证实我们将CRISPR系统的两种蛋白Cas1和Cas2设计为一种分子记录工具,而且随着对最佳的间隔序列的序列需求获得的新认识,这种分子记录工具能够显著地扩大获得记忆(即能够由研究人员从外面提供的或者在未来可能由来自细胞的自然经历形成的信息)和在基因组中储存它们的潜力。通过进一步使用,这种方法可能给天然的组织环境中的不同活细胞类型提供线索,从而将它们正在经历的变化记录在它们的基因组上系统性构建的存储热点中。”

为了在更大规模上着手处理复杂信息,Church团队求助于静止图片和移动图片,这是因为它们代表着约束的明确定义的数据集,而视频让细菌有机会获得按照时间顺序发生逐帧变化的信息。论文第一作者Seth Shipman说,“我们设计出策略,将一张图片或一帧的每个像素中含有的数字信息和帧编号转化为DNA密码,并且将这种密码与其他的序列一起整合到间隔序列中。我们随后将针对按照时间顺序排列的连续帧设计的间隔序列集合提供给一群细菌,并且是利用Cas1/Cas2活性将这种间隔序列集合添加到它们的基因组中的CRISPR阵列上。在利用DNA测序再次取回来自这种细菌群体中的所有CRISPR阵列之后,我们最终能够重建一个人骑着马狂奔视频短片的所有帧,并且是按照这些帧出现的顺序进行重建。”

尽管意识到这种新的分子记录概念,Shipman和论文第二作者、博士后研究员Jeff Nivala博士一起在他们的分析当中确定了一系列有价值的让间隔序列有可能更容易获得的必要条件,并且鉴定出阻止将它们添加到不断增加的CRISPR阵列的序列特征,这些都是间隔序列设计的注意事项。

在未来的研究中,Church团队将着重关注在其他的细胞类型中构建分子记录设备,并且进一步改造这个CRISPR系统以便它能够存储生物学信息。Shipman说,“有朝一日,我们可能能够追踪一种分化中的神经元从一种早期的干细胞转化为大脑中的一种高度特化的细胞类型的所有发育决策,从而导致人们更好地理解如何精心设计基础生物学过程和发育过程。”一旦适应特定模式,这种方法也可能导致人们开发出产生用于再生疗法、疾病建模和药物测试的细胞。

威斯生物启发工程研究所创始主任Donald Ingber博士说,“这种突破性技术利用活细胞的生物学机制记录、存档和传播基于DNA的信息,并且潜在地提供一种新方法研究活体内的动态生物学过程和发育过程。这会加快利用DNA存储信息领域的发展。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis et al. CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature, Published online 12 July 2017, doi:10.1038/nature23017

2.New CRISPR technology takes cells to the movies

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