科學家們正在努力利用DNA（即生物學生命藍圖）作為合成原材料在活細胞外面存儲大量的數(shù)字信息。但是如果他們能夠誘導活細胞像大的細菌群體那樣使用它們自己的基因組作為能夠被用來記錄信息并且隨后在任何時間能夠獲取這種信息的生物學硬盤，將會怎么樣？這樣的一種方法可能不僅為數(shù)據(jù)存儲提供全新的可能性，而且也可經(jīng)進一步改造后變成一種有效的存儲設備，從而可能能夠按照時間順序記錄細胞在它們的發(fā)育或接觸應激和病原體期間的分子經(jīng)歷。

在2016年，美國哈佛大學醫(yī)學院威斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）核心研究員George Church博士領導的一個研究團隊構(gòu)建出首個基于CRISPR系統(tǒng)的分子記錄器(Science, doi:10.1126/science.aaf1175)，這就允許細胞獲得按照時間順序提供的由DNA編碼的數(shù)字信息，從而在作為細胞模型的細菌基因組中存儲它們。這種信息在細菌基因組的CRISPR陣列中存儲下來，能夠被再次獲取和用來構(gòu)建事件發(fā)生的時間表。然而，作為Church團隊的一名博士后研究員，Seth Shipman博士說，“盡管這是很有希望的，但是我們并不知道當我們試圖一次追蹤大約100個序列時會發(fā)生什么，或者它是否發(fā)揮作用。這是至關重要的，這是因為我們旨在利用這種系統(tǒng)記錄復雜的生物學事件，這是我們的最終目標。”

如今，在一項新的研究中，Church團隊在基礎的概念驗證實驗中證實CRISPR系統(tǒng)能夠編碼與人類數(shù)字化視頻一樣復雜的信息，這就讓人想起早期的人類在洞穴壁表面上繪制的一些圖畫。他們在活細胞中編碼了一部視頻短片，該短片的內(nèi)容是一個人騎著馬狂奔時的場景。相關研究結(jié)果于2017年7月12日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria”。

CRISPR系統(tǒng)能夠編碼與人類數(shù)字化視頻一樣復雜的信息

CRISPR系統(tǒng)有助細菌在它們的不同環(huán)境中對持續(xù)的病毒攻擊產(chǎn)生免疫力。作為在感染中存活下來的記憶，這些細菌捕獲病毒DNA分子，利用它們產(chǎn)生短的所謂的“間隔”序列，并且將這些間隔序列作為新的序列元件添加到不斷增加的位于細菌基因組中的CRISPR陣列內(nèi)。到目前為止，當相同的病毒再次入侵時，CRISPR-Cas9蛋白持續(xù)地利用這些間隔序列摧毀它們。然而，除了在基因組工程工具中廣泛使用的Cas9之外，CRISPR系統(tǒng)的其他部分迄今為止并沒有在技術上得到太多的利用。

Church說，“在這項研究中，我們證實我們將CRISPR系統(tǒng)的兩種蛋白Cas1和Cas2設計為一種分子記錄工具，而且隨著對最佳的間隔序列的序列需求獲得的新認識，這種分子記錄工具能夠顯著地擴大獲得記憶（即能夠由研究人員從外面提供的或者在未來可能由來自細胞的自然經(jīng)歷形成的信息）和在基因組中儲存它們的潛力。通過進一步使用，這種方法可能給天然的組織環(huán)境中的不同活細胞類型提供線索，從而將它們正在經(jīng)歷的變化記錄在它們的基因組上系統(tǒng)性構(gòu)建的存儲熱點中。”

為了更大規(guī)模上著手處理復雜信息，Church團隊尋求靜止圖片和移動圖片的幫助，這是因為它們代表著約束的明確定義的數(shù)據(jù)集，而視頻讓細菌有機會獲得按照時間順序發(fā)生逐幀變化的信息。論文第一作者Seth Shipman說，“我們設計出策略，將一張圖片或一幀的每個像素中含有的數(shù)字信息和幀編號轉(zhuǎn)化為DNA密碼，并且將這種密碼與其他的序列一起整合到間隔序列中。我們隨后將針對按照時間順序排列的連續(xù)幀設計的間隔序列集合提供給一群細菌，并且是利用Cas1/Cas2活性將這種間隔序列集合添加到它們的基因組中的CRISPR陣列上。在利用DNA測序再次取回來自這種細菌群體中的所有CRISPR陣列之后，我們最終能夠重建一個人騎著馬狂奔視頻短片的所有幀，并且是按照這些幀出現(xiàn)的順序進行重建。”

盡管意識到這種新的分子記錄概念，Shipman和論文第二作者、博士后研究員Jeff Nivala博士一起在他們的分析當中確定了一系列有價值的讓間隔序列有可能更容易獲得的必要條件，并且鑒定出阻止將它們添加到不斷增加的CRISPR陣列的序列特征，這些都是間隔序列設計的注意事項。

在未來的研究中，Church團隊將著重關注在其他的細胞類型中構(gòu)建分子記錄設備，并且進一步改造這個CRISPR系統(tǒng)以便它能夠存儲生物學信息。Shipman說，“有朝一日，我們可能能夠追蹤一種分化中的神經(jīng)元從一種早期的干細胞轉(zhuǎn)化為大腦中的一種高度特化的細胞類型的所有發(fā)育決策，從而導致人們更好地理解如何精心設計基礎生物學過程和發(fā)育過程。”一旦適應特定模式，這種方法也可能導致人們開發(fā)出產(chǎn)生用于再生療法、疾病建模和藥物測試的細胞。

威斯生物啟發(fā)工程研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber博士說，“這種突破性技術利用活細胞的生物學機制記錄、存檔和傳播基于DNA的信息，并且潛在地提供一種新方法研究活體內(nèi)的動態(tài)生物學過程和發(fā)育過程。這會加快利用DNA存儲信息領域的發(fā)展。”

1. Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis et al. CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature, Published online 12 July 2017, doi:10.1038/nature23017

2. New CRISPR technology takes cells to the movies