通過一些巧妙的分子攻擊，哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究人員將天然細(xì)菌免疫系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@微數(shù)據(jù)記錄儀，為從疾病診斷到環(huán)境監(jiān)測(cè)等各種細(xì)菌細(xì)胞的新一類技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

研究人員修改了普通人類腸道微生物大腸桿菌的普通實(shí)驗(yàn)室菌株，使細(xì)菌不僅可以記錄它們與環(huán)境的相互作用，還可以記錄事件的時(shí)間戳。

“患者吞下的這類細(xì)菌可能能夠記錄它們?cè)谡麄€(gè)消化道中所經(jīng)歷的變化，從而產(chǎn)生前所未有的現(xiàn)象，這是前所未有的現(xiàn)象，”病理學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)與系統(tǒng)系助理教授Harris Wang說。 CUMC的生物學(xué)和新作品的資深作者，在今天的科學(xué)期刊中有所描述。其他應(yīng)用可能包括環(huán)境感知和生態(tài)學(xué)和微生物學(xué)的基礎(chǔ)研究，細(xì)菌可以在不破壞周圍環(huán)境的情況下監(jiān)測(cè)其他不可見的變化。

Wang和他的實(shí)驗(yàn)室成員利用CRISPR-Cas(多種細(xì)菌中的免疫系統(tǒng))創(chuàng)建了微觀數(shù)據(jù)記錄器。CRISPR-Cas從入侵病毒中復(fù)制DNA片段，以便后代細(xì)菌可以更有效地排斥這些病原體。結(jié)果，細(xì)菌基因組的CRISPR基因座累積了它及其祖先存活的細(xì)菌病毒的時(shí)間順序記錄。當(dāng)這些相同的病毒再次感染時(shí)，CRISPR-Cas系統(tǒng)可識(shí)別并消除它們。

“CRISPR-Cas系統(tǒng)是一種天然的生物記憶設(shè)備，”王說。“從工程角度看，它實(shí)際上相當(dāng)不錯(cuò)，因?yàn)樗呀?jīng)是一個(gè)通過進(jìn)化磨練的系統(tǒng)，非常適合存儲(chǔ)信息。”

CRISPR-Cas通常使用其記錄的序列來檢測(cè)和切割進(jìn)入的噬菌體的DNA。這種DNA切割活動(dòng)的特異性使得CRISPR-Cas成為基因治療研究人員的寵兒，他們對(duì)其進(jìn)行了修改，以便對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物甚至人類的基因組進(jìn)行精確改變。實(shí)際上，目前正在通過CRISPR-Cas基因療法治療各種疾病的十幾項(xiàng)臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。

但是Wang的實(shí)驗(yàn)室的研究生Ravi Sheth看到了CRISPR-Cas錄音功能的未實(shí)現(xiàn)潛力。“當(dāng)你考慮用電子設(shè)備記錄時(shí)間變化的信號(hào)，或錄音......這是一項(xiàng)非常強(qiáng)大的技術(shù)，但我們?cè)谙肴绾螌⑺鼣U(kuò)展到活細(xì)胞本身呢?”Sheth說。

為了構(gòu)建他們的顯微記錄儀，Sheth和Wang實(shí)驗(yàn)室的其他成員修改了一塊稱為質(zhì)粒的DNA，使其能夠在細(xì)菌細(xì)胞中產(chǎn)生更多的自身拷貝，以響應(yīng)外部信號(hào)。單獨(dú)的記錄質(zhì)粒驅(qū)動(dòng)記錄器并標(biāo)記時(shí)間，表達(dá)CRISPR-Cas系統(tǒng)的組件。在沒有外部信號(hào)的情況下，僅記錄質(zhì)粒是活性的，并且細(xì)胞將間隔序列的拷貝添加到其基因組中的CRISPR基因座。當(dāng)細(xì)胞檢測(cè)到外部信號(hào)時(shí)，另一個(gè)質(zhì)粒也被激活，導(dǎo)致其序列被插入。結(jié)果是背景序列的混合，記錄時(shí)間和信號(hào)序列，這些序列根據(jù)細(xì)胞的環(huán)境而變化。

目前的論文證明該系統(tǒng)可以處理至少三個(gè)同時(shí)發(fā)出的信號(hào)并記錄數(shù)天。

“現(xiàn)在我們計(jì)劃研究在自然或疾病狀態(tài)，胃腸道系統(tǒng)或其他地方的變化可能會(huì)改變的各種標(biāo)志物，”王博士說。

合成生物學(xué)家以前曾使用CRISPR在DNA中存儲(chǔ)詩歌，書籍和圖像，但這是CRISPR首次用于記錄細(xì)胞活動(dòng)和這些事件的時(shí)間。

的科學(xué)論文題為“在1周時(shí)間的細(xì)胞事件的多重記錄成CRISPR生物膠帶”。