高精度技术在DNA中存储细胞记忆

利用可以精确编辑DNA碱基的技术，麻省理工学院的研究人员创造了一种方法，将复杂的“记忆”存储在活细胞的DNA中，包括人体细胞。

新系统称为DOMINO，可用于记录细胞生命周期中许多事件的强度，持续时间，顺序和时间，例如暴露于某些化学物质。该记忆存储容量可以作为复杂电路的基础，其中一个事件或一系列事件触发另一事件，例如荧光蛋白的产生。

“这个平台为我们提供了一种以可扩展的方式对单元格内存和逻辑运算进行编码的方法，”麻省理工学院施密特科学博士后研究员，该论文的第一作者Fahim Farzadfard说。“与基于硅的计算机类似，为了创建复杂形式的逻辑和计算，我们需要访问大量内存。”

这些类型的复杂存储器电路的应用包括跟踪在细胞分化时代代相传的变化，或者创建可以检测并可能治疗患病细胞的传感器。

美国麻省理工学院电气工程与计算机科学与生物工程副教授Timothy Lu是该研究的高级作者，该研究出现在8月22日出版的Molecular Cell杂志上。该论文的其他作者包括哈佛大学研究生Nava Gharaei，麻省理工学院前研究员Yasutomi Higashikuni，麻省理工学院研究生Giyoung Jung和麻省理工学院博士后Jicong Cao。

写在DNA中

几年前，Lu的实验室开发了一种基于称为DNA重组酶的记忆存储系统，当特定事件发生时，它可以“翻转”DNA片段。然而，这种方法在规模上是有限的：它只能记录一个或两个事件，因为必须翻转的DNA序列非常大，并且每个都需要不同的重组酶。

然后，Lu和Farzadfard开发了一种更具针对性的方法，在这种方法中，他们可以将新DNA序列插入基因组中的预定位置，但这种方法仅适用于细菌细胞。2016年，他们开发了一种基于CRISPR的记忆存储系统，这是一种基因组编辑系统，由称为Cas9的DNA切割酶和将酶引导至基因组特定区域的短RNA链组成。

这种基于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，因此限制了可以存储的信息量。

新的DOMINO系统使用CRISPR-Cas9酶的变体，它可以产生更明确的突变，因为它可以直接修改和存储DNA碱基中的信息，而不是切割DNA并等待细胞修复损伤。研究人员表明，他们可以使这个系统在人体和细菌细胞中都能正常工作。

“本文试图克服以前的局限性，”卢说。“它使我们更接近最终愿景，即拥有强大，高度可扩展和定义的内存系统，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”酶中，该酶可以将核苷酸胞嘧啶转化为胸腺嘧啶而不破坏双链DNA。

只有在细胞中存在某些输入时，才会产生指导RNA链，它指导基础编辑器进行切换的位置。当存在目标输入之一时，指导RNA将基因编辑器引导至研究人员添加到细胞核中的一段DNA，或者根据应用程序添加到细胞自身基因组中发现的基因。通过测量得到的胞嘧啶突变为胸腺嘧啶突变，研究人员可以确定细胞暴露于何种细胞。

“你可以设计系统，使每个输入组合为你提供一个独特的突变签名，从这个签名中你可以知道输入的哪个组合，”Farzadfard说。

复杂的计算

研究人员使用DOMINO创建执行逻辑计算的电路，包括AND和OR门，可以检测多个输入的存在。他们还创建了可以记录以特定顺序发生的级联事件的电路，类似于多米诺骨牌下降的阵列。

大多数先前版本的蜂窝存储器存储器需要通过对DNA进行测序来读取存储的存储器。然而，该过程会破坏细胞，因此不能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，以便最终输出激活绿色荧光蛋白(GFP)的基因。通过测量荧光水平，研究人员可以估计累积了多少突变，而不会杀死细胞。当某些信号分子被激活时，该技术可能被用于创建产生GFP的小鼠免疫细胞，研究人员可以通过定期从小鼠中采集血液样本进行分析。

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的基因活动的电路。这样的电路也可以编程为打开产生抗癌分子的基因，使系统能够检测和治疗疾病。“这些应用可能会远离实际使用，但肯定是通过这种技术实现的，”Lu说。

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