高精度技术将细胞的“记忆”储存在DNA中

麻省理工学院的研究人员利用一种可以精确编辑DNA碱基的技术,创造了一种将复杂的“记忆”储存在活细胞(包括人类细胞)DNA中的方法。

这个新系统被称为DOMINO,可以用来记录细胞生命中许多事件的强度、持续时间、顺序和时间,比如暴露在某些化学物质中。这种记忆存储能力可以作为复杂电路的基础,在复杂电路中,一个事件或一系列事件触发另一个事件,例如荧光蛋白的产生。

麻省理工学院(MIT)施密特科学博士后、论文第一作者法希姆•法扎德法德(Fahim Farzadfard)表示:“这个平台为我们提供了一种以可伸缩方式在细胞中编码内存和逻辑操作的方法。”“与基于硅的计算机类似,为了创建复杂的逻辑和计算形式,我们需要访问大量的内存。”

这些类型的复杂记忆电路的应用包括,随着细胞的分化,跟踪一代又一代发生的变化,或者创建能够检测并可能治疗病变细胞的传感器。

麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程副教授Timothy Lu是这项研究的高级作者,该研究发表在8月22日的《分子细胞》杂志上。这篇论文的其他作者包括哈佛大学的研究生Nava Gharaei,前麻省理工学院的研究员Yasutomi Higashikuni,麻省理工学院的研究生Giyoung Jung和麻省理工学院的博士后Jicong Cao。

用DNA

几年前,卢的实验室开发了一种基于DNA重组酶的记忆存储系统,这种酶可以在特定事件发生时“翻转”DNA片段。然而,这种方法在规模上是有限的:它只能记录一两个事件,因为必须翻转的DNA序列非常大,每个都需要不同的重组酶。

卢和法扎德随后开发了一种更具针对性的方法,他们可以将新的DNA序列插入基因组中预定的位置,但这种方法只适用于细菌细胞。2016年,他们开发了一个基于CRISPR的记忆存储系统。CRISPR是一种基因组编辑系统,由一种叫做Cas9的dna切割酶和一种短RNA链组成,它可以引导酶到达基因组的特定区域。

这个基于crispr的过程允许研究人员在特定的DNA位置插入突变,但它依赖于细胞自身的DNA修复机制,在Cas9切割DNA后产生突变。这意味着突变结果并不总是可预测的,因此限制了可存储的信息量。

新的DOMINO系统使用CRISPR-Cas9酶的一种变体,这种变体可以产生更明确的突变,因为它直接修改和存储DNA碱基中的信息,而不是切割DNA并等待细胞修复损伤。研究人员表示,他们可以让这个系统在人类和细菌细胞中准确工作。

“这篇论文试图克服前几篇的所有限制,”卢说。“它让我们更接近终极愿景,那就是拥有健壮、高度可伸缩、定义明确的内存系统,类似于硬盘驱动器的工作方式。”

为了达到更高的精确度,研究人员将Cas9的一个版本附加到最近开发的“碱基编辑器”酶上,这种酶可以在不破坏双链DNA的情况下将核苷酸胞嘧啶转化为胸腺嘧啶。

指导RNA链,它指导碱基编辑器在哪里进行这种转换,只有在细胞中存在某些输入时才会产生。当其中一个目标输入存在时,引导RNA引导碱基编辑器要么指向研究人员添加到细胞核的一段DNA,要么指向细胞自身基因组中发现的基因,这取决于应用程序。通过测量由此产生的胞嘧啶到胸腺嘧啶的突变,研究人员可以确定细胞暴露在什么样的环境中。

法扎德法德说:“你可以设计这样一个系统,使每个输入组合都能给你一个独特的突变信号,从这个信号中,你可以知道输入的哪个组合曾经出现过。”

复杂的计算

研究人员使用DOMINO创建了执行逻辑计算的电路,包括和或门,可以检测多个输入的存在。他们还创造了可以记录按一定顺序发生的事件级联的电路,类似于多米诺骨牌倒下的阵列。

“这是一项非常创新的工作,能够使用DNA记录和检索细胞信息。执行顺序或逻辑计算和联想学习的能力尤其令人印象深刻,”波士顿大学(Boston University)生物医学工程副教授Wilson Wong表示。“这项工作突出了利用CRISPR/Cas可以实现的新型遗传回路。”

以前的大多数细胞记忆存储版本都要求存储的记忆通过DNA测序来读取。然而,这一过程会破坏细胞,因此无法对它们进行进一步的实验。在这项研究中,研究人员设计了他们的电路,这样最终的输出将激活绿色荧光蛋白基因(GFP)。通过测量荧光水平,研究人员可以在不杀死细胞的情况下估计有多少突变已经累积。这项技术有可能被用于制造当某些信号分子被激活时产生绿色荧光蛋白的小鼠免疫细胞,研究人员可以通过定期抽取小鼠血液样本来分析这些信号分子。

研究人员说,另一个可能的应用是设计能够检测与癌症相关基因活动的电路。这样的电路也可以被编程来激活产生抗癌分子的基因,从而使系统能够检测和治疗癌症。“这些应用程序可能离实际应用还很远,但肯定是由这类技术支持的,”卢说。

这项研究由美国国立卫生研究院、海军研究办公室、国家科学基金会、国防高级研究计划局、麻省理工学院微生物组信息学和治疗中心以及美国国家科学基金会计算项目探险奖资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/domino-cellular-memory-dna-0822

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