麻省理工學(xué)院的生物工程師設(shè)計(jì)了一種新方法，可以通過(guò)重寫細(xì)菌細(xì)胞的 DNA 來(lái)有效地編輯細(xì)菌基因組并將記憶編程到細(xì)菌細(xì)胞中。使用這種方法，可以將各種形式的空間和時(shí)間信息永久存儲(chǔ)幾代，并通過(guò)對(duì)細(xì)胞的 DNA 進(jìn)行測(cè)序來(lái)檢索。
研究人員將這種新的 DNA 寫入技術(shù)稱為 HiSCRIBE，它比以前開發(fā)的用于編輯細(xì)菌 DNA 的系統(tǒng)要高效得多，后者的成功率僅為每代 10,000 個(gè)細(xì)胞中的 1 個(gè)。在一項(xiàng)新研究中，研究人員證明這種方法可用于存儲(chǔ)細(xì)胞相互作用或空間位置的記憶。
研究人員說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)還可以選擇性地編輯、激活或沉默生活在人類微生物群等自然群落中的某些細(xì)菌物種中的基因。
“通過(guò)這種新的 DNA 寫入系統(tǒng)，我們可以在復(fù)雜的細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)中精確有效地編輯細(xì)菌基因組，而無(wú)需任何形式的選擇，”前麻省理工學(xué)院博士后、該論文的第一作者 Fahim Farzadard 說(shuō)。“這使我們能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外進(jìn)行基因組編輯和 DNA 寫入，無(wú)論是設(shè)計(jì)細(xì)菌、原位優(yōu)化感興趣的特征，還是研究細(xì)菌種群的進(jìn)化動(dòng)力學(xué)和相互作用。”
麻省理工學(xué)院電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物工程副教授 Timothy Lu 是該研究的資深作者，該研究今天發(fā)表在Cell Systems 上。哈佛大學(xué)前研究生 Nava Gharaei 和麻省理工學(xué)院前研究生 Robert Citorik 也是該研究的作者。
基因組書寫和記錄記憶
幾年來(lái)，Lu 的實(shí)驗(yàn)室一直在研究如何使用 DNA 來(lái)存儲(chǔ)信息，例如細(xì)胞事件的記憶。2014 年，他和 Farzadard 開發(fā)了一種將細(xì)菌用作“基因組錄音機(jī)”的方法，通過(guò)改造大腸桿菌來(lái)存儲(chǔ)化學(xué)物質(zhì)暴露等事件的長(zhǎng)期記憶。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員設(shè)計(jì)了細(xì)胞以產(chǎn)生一種稱為逆轉(zhuǎn)錄酶的逆轉(zhuǎn)錄酶，該酶在細(xì)胞中表達(dá)時(shí)會(huì)產(chǎn)生單鏈 DNA (ssDNA)，以及一種可以插入(“寫入”)特定序列的重組酶將單鏈 DNA 導(dǎo)入基因組中的目標(biāo)位點(diǎn)。只有當(dāng)存在預(yù)定分子或其他類型的輸入(例如光)激活時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生這種 DNA。產(chǎn)生 DNA 后，重組酶將 DNA 插入預(yù)編程的位點(diǎn)，該位點(diǎn)可以位于基因組的任何位置。
這種被研究人員稱為 SCRIBE 的技術(shù)的書寫效率相對(duì)較低。在每一代中，每 10,000 個(gè)大腸桿菌細(xì)胞，只有一個(gè)人會(huì)獲得研究人員試圖整合到細(xì)胞中的新 DNA。這部分是因?yàn)榇竽c桿菌具有阻止單鏈 DNA 積累和整合到其基因組中的細(xì)胞機(jī)制。
標(biāo)簽： 細(xì)菌基因組
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