科技前沿

活细胞构建微型计算机,即时读取和写入

  

      DNA计算机在1990年代就出现了,与电子计算机用“0”和“1”来储存信息不同,DNA计算机将信息储存在构成DNA分子的ACGT中。只是这些DNA信息在活细胞中不容易改变,因而计算缓慢。于是麻省理工学院的科学家希望加速这一过程,发明了一种称作DOMINO的技术,该技术全称是基于DNA的有序存储器和迭代网络运行者。它建立在CRISPR基因编辑技术基础上,旨在响应小分子或光照等生物信号。822日,这篇文章以《活细胞中单核苷酸分辨率的计算和储存》为题发表在《分子细胞》期刊(Molecular Cell)。
       因其普遍存在的持久性和生物功能兼容性,DNA成为人工生物信息储存的理想介质,特别是随着DNA测序效率的提升以及成本下降,其信息储存优势日渐明显。如今基因组编辑技术让人们能更便捷改变遗传信息。DNA编辑器可以对活细胞内所含DNA进行插入、删除、倒位或碱基替换突变等形式,并可用于区分不同DNA记忆状态。短暂的细胞事件,例如蛋白质-蛋白质相互作用,可以作为转录输出被DNA信息储存。此前的活细胞DNA技术只能读取或写入,也就是说,在一两个分子事件后该细胞就停止了数据储存,其编码容量和可扩展性受到限制,不能用来连续监控动态信号或长时间历史信号,并且缺乏便捷的读写和监控操作模式。因此,人们需要一种高效且稳健的分子记录和DNA记忆平台,像硬盘一样能够进行信息存储和计算,Fahim Farzadfard等人构建的活细胞DNA分子记录仪则能够编码更多信息。   
       这是一种非破坏性的DNA报告基因回路,可以响应细胞内的指导RNAgRNA)突变储存状态,最后以不同水平输出。因此系统读取只需要测定回路状态,而无需破坏细胞和DNA测序读数。

  

| DOMINO存储器架构的示意图。(来源:Molecular Cell

 

       为了达到更高的精确度,研究人员将一种Cas9与最近开发的碱基编辑酶融合,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具体而言,研究人员利用基因编辑技术构建了一个单核苷酸分辨率的读写头,这个读写头由与胞苷脱氨酶融合的Cas9切口酶与尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂组成。Cas9切口酶用来读取,由gRNA指向特定的DNA靶标并将其切割,胞苷脱氨酶用来写入,而尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂则可以通过阻断细胞修复机制提高写入效率。一旦12碱基对的gRNA序列定位到靶标,编辑器模块可以让靶标序列5’末端(5’末端表示DNA复制或转录的方向)附近的脱氧胞苷脱氨基,之后引入胞嘧啶-胸腺嘧啶突变,从而在DNA中产生永久记录。也就是说,只有细胞中存在特定DNA序列时,胞嘧啶转换为胸腺嘧啶才会发生,那么通过测量这种突变即可得到细胞遇到的信号。读写头在诱导型启动子控制下,可以通过内部或外部输入控制该系统中的DNA写入。这里读写头的表达可看作是操作信号,而控制gRNA表达的信号则是独立可控的输入。研究人员还可以通过设计DOMINO系统来实现每套输入得到一个独特的识别标志,那么从这个识别标志也能推测出原来的系统输入是什么。依据研究人员的设计,最终的输出结果会激活绿色荧光蛋白表达,那么通过测量绿色荧光的表达水平,即可得知细胞内发生了多少突变,这就避免了测序破坏细胞。

      通过这样的操作,DOMINO系统实现了超越DNA只能读写而输出只能破坏细胞来测序读取的做法,并且实现长期持续记录和监测。此外,DOMINO系统还能够通过分层多个DOMINO运算符来构建各种形式的逻辑。具体而言,DNA事件写入逻辑可以与顺序无关,可以与顺序有关,也可与时间有关。还可与基于CRISPR的基因调控策略结合,比如CRISPR干扰(CRISPRi)和CRISPR激活(CRISPRa),实现模块化和通用的储存以及基因调控功能。