Science：利用细菌CRISPR/Cas系统构建出世界上最小的磁带录音机

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在一项新的研究中，来自美国哥伦比亚大学医学中心的研究人员通过一些巧妙的分子黑客技术，将一种天然的细菌免疫系统转化为一种微型数据记录器，从而为开发将细菌细胞用于疾病诊断和环境监测等用途的新技术奠定基础。相关研究结果于2017年11月23日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Multiplex recording of cellular events over time on CRISPR biological tape”。

图片来自Wang Lab/Columbia University Medical Center。

这些研究人员对人体肠道中普遍存在的大肠杆菌的一种普通的实验室菌株进行基因修饰，使得它们不仅记录与它们与环境之间的相互作用，而且还记录这些事件发生的时间。

论文通信作者、哥伦比亚大学医学中心病理学、细胞生物学与系统生物学系助理教授Harris Wang说，“这些被病人吞下的细菌可能能够记录它们在整个消化道中经历的变化，从而对之前无法观察到的现象产生前所未有的认识。”其他的应用可能包括环境监测，生态学和微生物学领域的基础研究。

Wang和他的同事们利用很多细菌物种中存在的一种免疫系统---CRISPR-Cas---来构建这种微型数据记录器。CRISPR-Cas系统复制来自入侵病毒的DNA片段，因此随后的细菌后代能够更加有效地抵抗这些病原体。结果就是细菌基因组中的CRISPR位点按时间顺序记录着在病毒感染中存活下来的细菌和它的祖先遭遇到的病毒感染。当这些相同的病毒试图再次感染时，这种CRISPR-Cas系统能够识别和消除它们。

Wang说，“CRISPR-Cas系统是一种天然的生物存储设备。从工程角度来看，这实际上是相当不错的，这是因为它已是一种经过进化产生的在存储信息方面非常出色的系统。”

CRISPR-Cas系统通常使用其记录的序列来检测和切割入侵的噬菌体的DNA。这种DNA切割的特异性使得CRISPR-Cas成为基因治疗科学家们的宠儿：他们对它进行修饰，使得细胞培养物、实验室动物甚至人类的基因组发生精确的变化。确实，目前已有十几项临床试验正在通过CRISPR-Cas基因疗法来治疗多种疾病。

但是，Wang实验室的研究生Ravi Sheth却观察到CRISPR-Cas在录音功能上的潜力并未实现。Sheth说，“当你考虑利用电子设备或音频记录设备记录按照时间顺序发生变化的信号时...这是一种非常强大的技术，但是我们正在考虑如何将它应用到活细胞本身。”

为了开发这种微型数据记录器，Sheth和Wang实验室的其他成员对一种质粒的DNA片段进行基因修饰，使得它能够在大肠细菌细胞中产生更多的自我拷贝来作为对一种外部信号作出的反应，这种质粒被称作信号应答质粒。另一种不同的记录事件及其发生时间的质粒表达CRISPR-Cas系统的组分。在一种外部信号不存在时，仅这种记录质粒是有活性的，而且这种细菌细胞将一种间隔序列（spacer sequence）的拷贝添加到它的基因组中的CRISPR位点上。当这种细菌细胞检测到一种外部信号时，这种信号应答质粒也被激活，从而导致它的序列插入到这种CRISPR位点上。结果就是这种CRISPR位点记录着依据这种细菌细胞的环境发生变化的时间和信号序列。这些研究人员随后能够研究这种细菌CRISPR位点，并且使用计算工具来读取这种记录和它的发生时间。

这项研究证实这种系统能够同时处理至少三种外部信号（铜、海藻糖和岩藻糖）和记录这些信号发生的日期。

Wang说，“如今，我们正在计划研究多种标志物，这些标志物可能会在天然状态或疾病状态下、在胃肠道系统或其他地方中发生变化。”

合成生物学家之前已利用CRISPR在DNA中储存诗歌、书籍和图片，但是这是CRISPR首次被用来记录细胞事件和这些事件发生的时间。

参考资料：

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