2017年11月25日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國哥倫比亞大學醫學中心的研究人員通過一些巧妙的分子黑客技術，將一種天然的細菌免疫系統轉化為一種微型數據記錄器，從而為開發將細菌細胞用於疾病診斷和環境監測等用途的新技術奠定基礎。相關研究結果於2017年11月23日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Multiplex recording of cellular events over time on CRISPR biological tape」。
圖片來自Wang Lab/Columbia University Medical Center。
這些研究人員對人體腸道中普遍存在的大腸桿菌的一種普通的實驗室菌株進行基因修飾，使得它們不僅記錄與它們與環境之間的相互作用，而且還記錄這些事件發生的時間。
論文通信作者、哥倫比亞大學醫學中心病理學、細胞生物學與系統生物學系助理教授Harris Wang說，「這些被病人吞下的細菌可能能夠記錄它們在整個消化道中經歷的變化，從而對之前無法觀察到的現象產生前所未有的認識。」其他的應用可能包括環境監測，生態學和微生物學領域的基礎研究。
Wang和他的同事們利用很多細菌物種中存在的一種免疫系統---CRISPR-Cas---來構建這種微型數據記錄器。CRISPR-Cas系統複製來自入侵病毒的DNA片段，因此隨後的細菌後代能夠更加有效地抵抗這些病原體。結果就是細菌基因組中的CRISPR位點按時間順序記錄著在病毒感染中存活下來的細菌和它的祖先遭遇到的病毒感染。當這些相同的病毒試圖再次感染時，這種CRISPR-Cas系統能夠識別和消除它們。
Wang說，「CRISPR-Cas系統是一種天然的生物存儲設備。從工程角度來看，這實際上是相當不錯的，這是因為它已是一種經過進化產生的在存儲信息方面非常出色的系統。」
CRISPR-Cas系統通常使用其記錄的序列來檢測和切割入侵的噬菌體的DNA。這種DNA切割的特異性使得CRISPR-Cas成為基因治療科學家們的寵兒：他們對它進行修飾，使得細胞培養物、實驗室動物甚至人類的基因組發生精確的變化。確實，目前已有十幾項臨床試驗正在通過CRISPR-Cas基因療法來治療多種疾病。
但是，Wang實驗室的研究生Ravi Sheth卻觀察到CRISPR-Cas在錄音功能上的潛力並未實現。Sheth說，「當你考慮利用電子設備或音頻記錄設備記錄按照時間順序發生變化的信號時...這是一種非常強大的技術，但是我們正在考慮如何將它應用到活細胞本身。」
為了開發這種微型數據記錄器，Sheth和Wang實驗室的其他成員對一種質粒的DNA片段進行基因修飾，使得它能夠在大腸細菌細胞中產生更多的自我拷貝來作為對一種外部信號作出的反應，這種質粒被稱作信號應答質粒。另一種不同的記錄事件及其發生時間的質粒表達CRISPR-Cas系統的組分。在一種外部信號不存在時，僅這種記錄質粒是有活性的，而且這種細菌細胞將一種間隔序列（spacer sequence）的拷貝添加到它的基因組中的CRISPR位點上。當這種細菌細胞檢測到一種外部信號時，這種信號應答質粒也被激活，從而導致它的序列插入到這種CRISPR位點上。結果就是這種CRISPR位點記錄著依據這種細菌細胞的環境發生變化的時間和信號序列。這些研究人員隨後能夠研究這種細菌CRISPR位點，並且使用計算工具來讀取這種記錄和它的發生時間。
這項研究證實這種系統能夠同時處理至少三種外部信號（銅、海藻糖和巖藻糖）和記錄這些信號發生的日期。
Wang說，「如今，我們正在計劃研究多種標誌物，這些標誌物可能會在天然狀態或疾病狀態下、在胃腸道系統或其他地方中發生變化。」
合成生物學家之前已利用CRISPR在DNA中儲存詩歌、書籍和圖片，但是這是CRISPR首次被用來記錄細胞事件和這些事件發生的時間。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：Ravi U. Sheth, Sung Sun Yim, Felix L. Wu et al. Multiplex recording of cellular events over time on CRISPR biological tape. Science, Published online:23 Nov 2017, doi:10.1126/science.aao0958